宽频轻质吸波涂料研究与应用

5.新型轻质雷达吸波材料

5.1 空心微珠吸波材料

近年来，国外对空心微珠开展了较多研究，美国以3μm左右玻璃球为载体，镀上以Ni、Al、W等为损耗层的10nm左右薄膜。当采用厚度为 2nm的球形多层颗粒膜、在8～18GHz频率范围厚度为2.5mm时，吸收率可达-20dB。徐坚等采用化学镀法，以AgNO3取代PdC12作为活性剂，利用H2PO2的还原性完成活化过程，制备了NiCoP合金包覆的空心微珠粉末，SEM分析表明NiCoP合金包覆在空心微珠表面。葛凯勇等利用化学镀镍对空心微珠表面进行镀镍改性，改性后的微珠表面均匀地附着金属镍，用其制备的吸波材料在16.6～18.0GHz波段吸收率小于-10dB，最大吸收率可达-13dB。

5.2 碳纳米管吸波材料

碳纳米管表现出优良的吸波性能，同时具有质量轻、兼容性好、吸波频带宽等特点，是新一代最具发展潜力的吸波材料。沈增民等用竖式炉浮游法制备的碳纳米管的外径为40～70nm，内径为7～10nm，长度为50～1000μm，碳纳米管呈直线状，用化学镀方法在碳纳米管的表面镀上一层均匀的过渡金属镍。碳纳米管吸波涂层在厚度为0.97mm时，在8～18GHz，反射率小于-10dB的频宽为3.0GHz，反射率小于-5dB的频宽为 4.7GHz。镀镍碳纳米管吸波涂层在厚度为0.97mm时，反射率小于-10dB的频宽为2.23GHz，反射率小于-5dB的频宽为4.6GHz。曹茂盛等添加质量分数为8%的碳纳米管的吸波材料在8～40GHz波段有明显的吸收。随着材料厚度的增加，吸收峰移到14GHz，吸收峰向低频移动。厚度为 5.5mm的吸波试样，对应于频率为10GHz的反射率为-8dB。碳纳米管良好的吸波特性，意味着可以设计出既吸收厘米波又吸收毫米波的雷达波吸收材料。刘云芳等采用竖式催化裂化解法制备出碳纳米管，然后采用KOH进行活化，使碳纳米管的比表面积从24.5m2/g提高到360.1m2/g，而且碳纳米管的各种类型的空结构都得到增加;微波吸收性能的研究表明，采用KOH进行活化碳纳米管的吸收性能优于未活化碳纳米管的吸收性能，活化还可以使碳纳米管的微波吸收能力加强、吸收频率宽化。

5.3 导电高聚物吸波材料

自20世纪90年代开始，美、法、日等国相继开展了导电高聚物雷达吸收材料的研究，设想将其作为未来隐身战斗机及侦察机的“灵巧蒙皮”及巡航导弹头罩上的可逆智能隐身材料等。法国Iaruent研究了聚吡咯、聚苯胺、聚-3-辛基噻吩在0～20GHz内的雷达波吸收性能，发现吸波性能随雷达波频率变化而变化，平均衰减值为-8dB，最大衰减值可达到-36.5dB，且频宽为3.0GHz。Wong等人成功地用化学氧化法在纸基质上制备大面积的聚吡咯膜，该膜具有很好的柔韧性，在雷达波X波段表现了极好的吸收性能和宽频吸收特性，材料阻抗和吸波特性随频率和入射角的变化而变化。 Franchitto等人利用十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯胺与乙丙橡胶共混制成的复合材料，厚度3mm，在X波段反射率低于-6dB，峰值达到-15dB。导电高聚物作为一种新型的吸波材料，具有质量轻、力学性能好、组成与结构容易控制、导电率变化范围很宽等特性，在电磁波吸收方面显示出很强的设计适应性。在较早的研究中表明，单独的导电聚合物材料吸收频带较窄，为适应未来的隐身材料高效、宽带、质量轻、适应性强的特点，还需改善导电高聚物的磁损耗性能。 Pant等人发现可以将导电高聚物与无机磁损耗物质复合来提高导电高聚物的磁损耗性能，使其兼具电损耗与磁损耗的性能，展宽吸收频带。遗传算法可制备频率在0.2~2.0GHz到0.2~8.0GHz的宽频轻质吸波涂层。

5.4 纳米吸波材料

由于纳米材料在具有良好吸波特性的同时还具有频带宽、兼容性好、面密度低、涂层薄的特点，美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和探索。纳米涂料指的是将纳米粒子用于涂料中获得具有某些特殊功能的涂料。一方面纳米涂料在常规的力学性能如附着力、抗冲击、柔韧性方面会得到提高，另一方面有可能提高涂料的耐老化、耐腐蚀、抗辐射性能。此外，纳米涂料还可能呈现出某些特殊功能，如自清洁、抗静电、隐身吸波、阻燃等性能。目前，用于涂料的纳米粒子主要是一些金属氧化物如TiO2、Fe2O3、ZnO等和一些纳米金属粉末，如纳米Al、Co、Ti、Cr、Nd、Mo等以及一些无机盐类如CaCO3和层状硅酸盐如一维的纳米级黏土。纳米隐身涂料(雷达波吸收涂料)指能有效地吸入雷达波并使其散射衰减的一类功能涂料。当纳米级的羟基铁粉、镍粉、铁氧体粉末改性的有机涂料涂到飞机、导弹、军舰等武器设备上，可使这些装备具有隐身性能。其原理：一方面，纳米超细粉末具有很大的比表面积，能吸收电磁波;另一方面，纳米粒子尺寸远小于红外线及雷达波长，对波的透过率很大，因此不仅能吸收雷达波，也能吸收可见光和红外线。在目前研究的纳米粒子中，纳米ZnO等金属氧化物由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点，成为吸波涂料的研究方向之一。另据报道，美国研究的超细石墨粉纳米吸波涂料，对雷达波的吸收率大于99%，其它金属超细粉如Al、Co、Ti、Cr、Nd、Mo、18-8不锈钢、Ni包覆Al也是很有潜力的吸波纳米粉体。研究高性能、宽频带吸波涂料以展宽有效频带、实现多频谱隐身效果，这是吸波涂料未来发展的主要方向。同时应研究各种新的吸收剂，探讨新的吸波机理，以满足吸波涂层所追求的“薄、轻、宽、强”的目标。美、法、日等世界军事发达国家在纳米隐身材料的研究方面已取得长足的进展，目前正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的多频谱纳米复合隐身材料。我国对纳米隐身材料的研究虽然取得了一定的成效，但应继续加大这方面的研究和投入[6]。5.5智能型隐身材料智能型隐身材料属于一种具有感知、信息处理及自适应功能，并对信号能做出最优响应的功能材料系统或结构。表面喷涂了智能型隐身材料膜层的飞行器可自动检测出并改变其表面温度、控制红外辐射特征，它为雷达吸波材料的设计提供了一种全新的途径。目前这种新研制开发成的智能型隐身材料和结构，皆已在军事和航空航天领域内得到日益广泛的应用。目前已应用于飞行器与天线融合的智能蒙皮、用于潜艇的吸声智能蒙皮及可根据作战环境变化自动保持一致的光隐身蒙皮等。同时这种能根据作战环境变化自动地调节自身的结构与性能，并能对作战环境作出最优响应的设想，亦为隐身材料及其结构的设计提供了一种崭新的途径，使智能隐身目的得以实现。美国于2005年研制出可单独控制辐射率/反射率的涂层，2010年将会研制出能自动地对作战背景及威胁作出及时反应的自适应涂层体系。其它世界军事强国亦不遗余力地进行各种有效的运作。美海军正在研究利用智能隐身材料制造能抑制发电机噪声外传的智能结构发电机罩;美空军提出直升机旋翼采用智能隐身材料的方案，隐身能力可提高20倍。目前开展的智能隐身材料的研究主要集中在以下几个方面：智能蒙皮、雷达波智能隐身、红外及可见光智能隐身。美国是最早研究智能隐身材料的国家之一，西屋公司从事智能飞机蒙皮的研究是用嵌入蒙皮的共形系统来代替天线和黑箱，与常规的飞机雷达天线相比，共形系统的优点是它可以安装在飞机上像翼尖这样通常难以安装的部位，通过定向操作达到隐身的目的。目前美国空军正在研究采用光纤传感器作隐身飞机灵巧蒙皮，其方法是在光纤灵巧蒙皮内嵌入保型雷达、导航设备、目标搜索和各种传感器件，使光纤数字电路遍布飞机机翼内，这种战斗机不仅可以隐身，而且灵敏度高，易操作。智能隐身材料的应用降低了电子系统本身的质量和成本，智能光纤代替传统的铜线减少至少80%的质量。用智能纤维增强的聚合物作隐身的结构材料，不仅降低了雷达的散射截面，同时把飞机的质量也减轻了50%。