《精编》吸波复合材料培训讲义

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1、吸波复合材料 许健 Contents 背景 军用隐身技术 stealthytechnique 的基本概念 军用隐身就是使敌方的各种探测系统 如雷达 红外 电子 可见光及声波等探测系统等 发现不了我方的武器 无法实施拦截和攻击 隐身技术是一项高技术综合体 目的是使敌方探测器接收到的信号降低到零 它主要包括两个方面 即外形设计技术 隐身材料的使用 并使这两种技术有机结合 隐身材料 吸波材料的早期应用 一战时 德国空军曾用透明材料制造过飞机 使地面人员难以发现它们1945年 雷达发明之后 美国研制出一种吸收雷达波的涂料 代号为MX 40 据说使用效果很好 1954年 U 2 设计时考虑了隐身 如在机

2、身上涂满黑色的可降低雷达波散射程度的 铁漆 涂料 1966年 SR 71 翼身融合 双垂尾内倾 大后掠边条翼和三角翼 机身表面喷涂 铁漆 并用了许多专门研制的特殊材料和涂层 SR 71 黑鸟 吸波材料的快速发展 F 117A 夜鹰 战斗机在海湾战争中取得的巨大成绩促使吸波材料快速的发展 F 117A 夜鹰 隐形战斗机 外形像一个堆积起来的复杂多面体 大部分表面向后倾斜 具有大后掠机翼和V形垂尾 这种外形能使反射雷达波改变方向 产生散射 敌方雷达很难收到反射信号 F 117的机身 机翼和垂尾大量采用了玻璃纤维 碳纤维等雷达隐身材料 军用领域 铁氧体电磁吸收环 用于通信 导航 电磁兼容 民用领域

3、吸波材料一般由基体材料与损耗介质复合而成 研究内容包括基体材料 损耗介质和成型工艺的设计 其中损耗介质的性能 数量及匹配选择是吸波材料设计中的重要环节 吸波材料按其成型工艺和承载能力 可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料两大类 涂敷型吸波材料是将吸收剂与黏结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层 而结构型吸波材料 则通常是将吸收剂分散在由特种纤维增强的结构材料中所形成的结构复合材料 它具有承载和吸收电磁波的双重功能 吸波材料的介绍 电磁屏蔽不能从根本上削弱 消除电磁波 只有使用电磁波吸收材料 把电磁能转化为其它形式的能量 才能消耗电磁波 电磁波吸收材料的作用是吸收入射的电磁波 并将电磁能转换成热能

4、损耗掉 目前耗损电磁能的手段有 一是借助介电物或微粒的分子在电磁作用下趋于运动 同时受限定导电率影响而将电磁能转变成热能损耗掉 二是采用以结构形式使入射波相位与反射波的相反来衰减电磁能 电磁波吸收原理 吸波材料的分类 分类 贴片 塑料 橡胶和陶瓷 非隐身材料与隐身材料比较示意图 雷达依据目标反射的电磁波来跟踪目标 根据反射信号的强弱 方位 时间等信息可计算出敌方目标的方位 运动速度等 目标的反射信号越强 雷达就越容易探测到目标 雷达隐身材料 也称吸波材料 能吸收雷达波 使反射波减弱甚至不反射雷达波 从而达到隐身的目的 吸波材料主要是通过电磁能转化为热能而耗散或者使电磁波因干涉而抵消 将吸波涂料

5、分散在有机高分子材料的黏结剂中 同时加入一些其它附加物 采用涂刷或喷涂方法加工 经常温固化形成涂层结构 该涂层适用于复杂曲面形体 且耐候性及综合机械性能良好 涂敷型吸波材料工艺简单 使用方便 容易调节 涂敷型吸波材料 1 铁氧体吸波涂料 是把铁氧体分散在有机高分子材料的黏结剂中 同时还加入一些其它附加物 铁氧体可分为尖晶石型 石榴石型和磁铅石型 自然共振是铁氧体吸收电磁波的主要机制 自然共振是指铁氧体在不加外恒磁场的情况下 由入射的交变磁场和晶体的磁性各向异性等共同作用产生的共振 由于铁氧体既是磁介质又是电介质 具有磁吸收和电吸收两种功能 是性能极佳的吸波材料 与其它吸波材料相比 它还具有体积

6、小 吸波效果好 成本低的特点 但它也具有密度大 高温特性差等缺点 2 超微磁性金属粉 磁性金属 合金粉末具有温度稳定性能好 磁导率 介电常数大 电磁损耗大 有利于达到阻抗匹配和展宽吸收频带等优点 是其成吸收材料的主要发展方向 而超微磁性金属粉材料就是将超细磁性金属粉末与高分子黏结剂复合而成 可通过多相超细磁性金属粉末的混合比例等调节电磁参数 达到较为理想的吸波效果 金属微粉吸波材料主要有两类 一是羰基金属微粉吸波材料 二是通过蒸发 还原 有机醇盐等工艺得到的磁性金属微粉吸波材料 金属微粉吸波材料微波磁导率较高 温度稳定性好 但抗氧化 耐酸碱能力差 远不如铁氧体 介电常数较大且频谱特性差 低频段

7、吸收性能较差 密度较大 4 磁纤维吸波涂层 吸波涂层材料中所使用的球状磁性吸收剂很难满足装备对吸波涂层的苛刻要求 由铁 镍 钴及其合金制成的一种多层磁纤维吸波涂层 其中纤维可通过多种吸波机制来损耗微波能量 因而可在较宽频带内实现高吸收 且重量可减轻40 60 其中 多晶铁纤维在微波低频段的吸波性能尤为突出 5 导电高聚物 导电高聚物具有共轭 电子的线形或平面形构型与高分子电荷转移给络合物的作用 其电导率可在绝缘体 半导体和金属态范围内变化 电磁参量依赖于高聚物的主链结构 室温电导率 掺杂剂性质 微观形貌 涂层厚度 涂层结构等 3 纳米材料 材料组分特征尺寸在0 1 100nm 它具有极好的吸波

8、特性 频带宽 兼容性好 质量小和厚度薄 对电磁波的透射率及吸收率比微米级粉体要大得多 6 手性吸波材料 手性是指一种物质与其镜像不存在几何对称性 且不能通过任何操作使其与镜像重合 而手性吸波涂层是在基体树脂中掺和一种或多种具有不同特性参数的手性媒质构成 手性材料具有双各向同性的特性 其电场与磁场相互耦合 在实际应用中主要有两类手性物体 本征手性和结构手性物体 本征手性物体本身的几何形状即具有手性 如螺旋线等 目前研究的吸波手性材料是在基体材料中掺杂手性结构物质形成的结构手性复合材料 尽管涂覆型吸波材料已得到广泛应用 但其频带窄 易脱落 涂层厚 比重大 使部件增重大等 近年来 在涂覆型吸波材料基

9、础上发展了结构型吸波材料 它既有高的结构强度 又有好的吸波性能 而且在一些条件下缓冲了厚度与重量上的矛盾 结构型吸波材料 1 混杂纱吸波复合材料 通过增强纤维之间一定的混杂比例和结构设计形式制造成的 满足特殊性能要求或综合性能较好的复合材料 这种材料具有优良的吸透波性能 又兼具复合材料重量轻 强度大 韧性好等特点 作为制造隐身飞机机身 导弹壳体等部件 能大大减少隐身飞行器雷达散射截面 2 陶瓷型吸波材料 如SiC纤维 Al2O3纤维 Si3N4纤维吸波材料等陶瓷型吸波材料能满足在特殊情况下耐高温 高速热气流冲击的要求 3 C C吸波材料 能很好的减少红外信号和雷达信号 它具有极稳定的化学键 抗

10、高温烧蚀性能好 强度高 韧性大 还具有优良的吸波性能 缺点是抗氧化性差 在氧化气氛下只能耐400 涂有SiC抗氧化涂层的C C材料抗氧化性能大大提高 雷达系统 电磁波频谱的划分 频段波长范围频率范围极高频 EHF 0 1 1cm30 300GHz特高频 SHF 1 10cm3 30GHz超高频 UHF 10 100cm0 3 3GHz甚高频 VHF 1 10m30 300MHz高频 HF 10 100m3 30MHz中频 MF 0 1 1km0 3 3MHz低频 LF 1 10km30 300kHz甚低频 VLF 10 100km3 30kHz超低频 ULF 0 1 1Mm0 3 3kHz特低

11、频 SLF 1 10Mm30 300Hz极低频 ELF 10 100Mm3 30Hz 吸波材料的发展趋势 雷达吸波复合材料至少有三层 有的达几十层 最外层是透波层 通常由涂覆透波树脂涂层的特殊碳纤维编织物编成 中间层为电磁损耗层 由低介电性能的特殊碳纤维 石英纤维 玻璃纤维或混杂纤维与电磁损耗填加物组成 中间层还可以设计成波纹形 角锥形 蜂窝夹芯 单层或多层蜂窝夹芯层 泡沫夹芯等 最内层 底板 基板层 必须具有反射雷达波的特性 一般由碳纤维复合材料或金属材料组成 中层间的吸波填料可以是无规则球形粒子 无规则纤维或片状填料 使用球形填料较多 它有利于改进结构性能和热特性 飞机上采用的一些吸波结构

12、形式 1 波纹夹层结构 波纹板可用吸波材料组成 也可在波纹板上涂覆吸波涂料 波纹板为两个斜面相交的结构 有利于多次吸波 2 角锥夹层结构 作为夹层的角锥是吸波材料 也可涂驻波涂料 角锥四个斜面相交 角锥高度 吸收体厚度 不同 有效吸波范围不同 把碳粉或金属粉分散于橡胶中压制成的角锥空心结构 其吸波范围随角锥高度变化 角锥夹层的顶角一般在40 左右 3 吸波材料充填结构 在透波材料制造的蜂窝夹芯中充填暧波材料吸波材料可以是絮状 泡沫状 球状或纤维状等 一般将空心球作为吸收体效果较好 4 蜂窝夹芯结构 上面是蜂窝 下面是吸波材料 蜂窝由透波材料制成 吸波材料是多层的 用胶接或机械方法把事先制备的吸

13、波材料和复合材料组合成层状体 总厚度控制在雷达波长的一半 5 多层吸波结构 纳米吸波复合材料的应用 一 结构型纳米复合材料 结构型纳米吸波复合材料是将吸收剂分散在由特种纤维 如石英纤维 玻璃纤维等 增强的结构复合材料中所形成的结构复合材料 它具有承载和吸收雷达波的双重功能 上图是一种用于飞机机翼前缘的吸波复合结构 它的蒙皮由玻璃纤维增强塑料制成 厚0 76mm 其气动外形由未填充吸收剂的刚性泡沫材料来保证 刚性泡沫体的内侧涂敷填充了铝粉的涂层 可以使部分入射的电磁波散射到其他方向 而不回到雷达接收站 泡沫材料中填充有吸收剂 并且呈一定的梯度以便更好地衰减入射电磁波 整个结构主要由翼梁支撑 上图

14、所示的飞行器机翼前缘为宽频吸波结构 该结构吸波材料为3层结构 其内外蒙皮很薄 0 5 1 5mm 内蒙皮由电阻织物构成的增强塑料制造 在结构受力的内蒙皮图2飞行器机翼前缘吸波复合结构通常采用镀金属的玻璃布制成 在内外蒙皮之间填充轻质吸波材料 在制造过程中加入吸波成分 夹层中填料浓度可改变 以便获得良好匹配 上图是用于喷气发动机进气道的吸波栅格结构 其中 吸波带由玻璃纤维增强的并浸渍有吸收剂的树脂基复合材料制成 防护层为一般玻璃钢材料 整个栅格结构固定在进气道唇口部位 可以有效地衰减入射雷达波 二 涂覆型纳米复合吸波材料 通常是吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波复合涂层 将这种涂层涂敷于

15、目标表面即可制成涂敷型纳米吸波复合材料 目前研究较多的多层涂敷型吸波材料是由电损耗和磁损耗材料复合而成的2层和3层吸波涂层 为应对不同雷达的不同工作方式 现在的隐身飞机已经开始有选择地用纳米吸波材料 即将纳米粉体均匀分散到飞机表面涂料当中 以增强吸收雷达电磁波的效率 一些发达国家正在进行主动抵消技术的研究 即利用吸波材料先吸收大部分雷达波 剩下少量的反射波再利用主动抵消技术将其全部抵消 这样雷达就会完全失去作用 展望 雷达吸波材料主要应用于隐身飞机 导弹以及其它隐身武器系统 对于减轻武器系统 特别是飞行器的质量 提高其隐身性 机动性和生存能力具有重要的作用 高性能结构型吸波复合材料作为吸波材料

16、发展的重要方向 已大量应用于隐身飞行器的制造 目前存在的问题及发展趋势如下 1 国外的吸波纤维及其复合材料已得到了较好的发展 并进行了大量应用 但国内吸波复合材料研究普遍存在吸波效果不强 频带较窄等问题 通过合理的碳纤维铺排方式虽能提高其复合材料的吸波性能 但也难以满足结构承载的要求 2 电磁改性的碳纤维兼具力学与吸波双重功能 表面处理法可以实现纤维力学性能与吸波性能的兼容 但由于技术封锁 国内的研究与国外存在一定差距 电磁改性碳纤维还没有工程化 吸波SiC纤维的强度不高 目前难以进行大规模工业化应用 3 纳米纤维 螺旋纤维 异形截面纤维虽具有新的吸波机理和较强的吸波能力 但由于工艺要求高 不易进行工业化生产 目前也难以进行大规模应用 4 以玻璃纤维增强材料 碳纤维增强材料以及其它吸波结构 如填充有其它吸收剂的泡沫 蜂窝结构等 所构成的片层 夹层 格栅等结构具有优异的承载和吸波性能 发挥了各种纤维和吸收剂的优点 拓宽了吸收频带 增强了吸波效果 同时提高了承载能力 进一步满足了 薄 轻 宽 强 的要求 可以预见 这种高性能吸波材料是结构吸波材料发展的重要方向 具有广阔的应用前景 Than