隱身材料(中文版)

1、高溫雷達吸波材料研究現(xiàn)狀與展望高溫雷達吸波材料研究現(xiàn)狀與展望報告人：龍華倩期刊：無機材料學(xué)報 2014年5月 第29卷第5期：461-469作者：丁東海，羅發(fā)，周萬成，史毅敏，周亮目錄目錄1. 研究背景研究背景2. 高溫吸波材料設(shè)計準則高溫吸波材料設(shè)計準則3. C、SiC、ZnO 高溫吸收劑研究現(xiàn)狀高溫吸收劑研究現(xiàn)狀4. 涂覆型與結(jié)構(gòu)型高溫吸波材料涂覆型與結(jié)構(gòu)型高溫吸波材料研究背景研究背景1 1）吸波材料：可以將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能而衰減雷達波，吸波材料：可以將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能而衰減雷達波， 是實現(xiàn)雷達隱身的重要手段。是實現(xiàn)雷達隱身的重要手段。2 2）吸波材料必須具備的條件：）吸波材料必須

2、具備的條件： 厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻率寬、吸收能力強厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻率寬、吸收能力強 耐高溫耐高溫 抗氧化抗氧化 高強度高強度 高韌性高韌性 低密度低密度吸波基本原理吸波基本原理 吸波材料能吸收或衰減入射的電磁波，使吸波材料能吸收或衰減入射的電磁波，使其因干涉而消失或其電磁能轉(zhuǎn)換為其他形式的其因干涉而消失或其電磁能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。1. 1. 干涉作用干涉作用 干涉作用是將入射的電磁波分成兩部分，一部分從吸干涉作用是將入射的電磁波分成兩部分，一部分從吸波層表面反射，另一部分透過吸波層后經(jīng)底層反射后再波層表面反射

3、，另一部分透過吸波層后經(jīng)底層反射后再穿過吸波層射出來。若經(jīng)底層反射的波與吸波層表面反穿過吸波層射出來。若經(jīng)底層反射的波與吸波層表面反射的波相位正好相反，兩段波便可發(fā)生干涉而減弱。射的波相位正好相反，兩段波便可發(fā)生干涉而減弱。2. 2. 吸收作用吸收作用 材料對電磁波產(chǎn)生吸收作用有兩個條件材料對電磁波產(chǎn)生吸收作用有兩個條件：(1)(1)電磁波入射到材料上時能最大限度地進入到材料內(nèi)部，電磁波入射到材料上時能最大限度地進入到材料內(nèi)部， 即電磁匹配要好即電磁匹配要好( (匹配特性匹配特性) )；(2)(2)進入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地被衰減掉，即電磁損進入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地被衰減掉，即電磁損 耗

4、要大耗要大( (衰減特性衰減特性) )。吸波基本原理吸波基本原理衰減特性：衰減特性：電磁波在材料內(nèi)產(chǎn)生電損耗或磁損耗，使電磁電磁波在材料內(nèi)產(chǎn)生電損耗或磁損耗，使電磁 波的電磁性能轉(zhuǎn)為其他形式的能量散失掉，達波的電磁性能轉(zhuǎn)為其他形式的能量散失掉，達 到減少反射的目的。到減少反射的目的。吸波基本原理吸波基本原理 電損耗機理：電損耗機理：依靠電介質(zhì)的極化機理吸收、衰減電磁波。依靠電介質(zhì)的極化機理吸收、衰減電磁波。 極化的基本形式包括位移式極化和松弛極化。極化的基本形式包括位移式極化和松弛極化。 彈性，瞬時完成，其彈性，瞬時完成，其極化過程不消耗能量，一極化過程不消耗能量，一般發(fā)生在物質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密、般發(fā)

5、生在物質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密、規(guī)則的地方。規(guī)則的地方。 與熱運動有關(guān)，非與熱運動有關(guān)，非彈性，需一定時間，需彈性，需一定時間，需消耗一定的能量。消耗一定的能量。 電損耗介質(zhì)的吸波機理主要是松弛極化。松弛極化與電電損耗介質(zhì)的吸波機理主要是松弛極化。松弛極化與電場作用和熱運動有關(guān)。熱運動的作用力圖使材料中的質(zhì)點場作用和熱運動有關(guān)。熱運動的作用力圖使材料中的質(zhì)點分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，最終分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，最終結(jié)果是使質(zhì)點按電場規(guī)律分布，然而在質(zhì)點移動過程中克結(jié)果是使質(zhì)點按電場規(guī)律分布，然而在質(zhì)點移動過程中克服了一定的勢壘，時間較長，需吸收一定能量。服了一定的勢

6、壘，時間較長，需吸收一定能量。高溫吸波材料設(shè)計準則高溫吸波材料設(shè)計準則1 1）自由空間與材料表面的阻抗匹配以減少電磁波的反射自由空間與材料表面的阻抗匹配以減少電磁波的反射, 要要 求材料的求材料的復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率接近復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率接近；2 2）進入材料內(nèi)部的電磁波可以被盡可能多的損耗進入材料內(nèi)部的電磁波可以被盡可能多的損耗, 要求材料要求材料 有足夠大的電損耗或者磁損耗有足夠大的電損耗或者磁損耗, 即即足夠高的復(fù)介電常數(shù)或足夠高的復(fù)介電常數(shù)或 者復(fù)磁導(dǎo)率者復(fù)磁導(dǎo)率。吸波能力方程吸波能力方程(1)(2) RL 表示反射率；Zin表示入射波在自由空間與材料界面處的阻抗；Z0 為入射波在自

7、由空間的阻抗；r 與 r 分別表示材料相對復(fù)磁導(dǎo)率與復(fù)介電常數(shù)；c 為光速；t 為材料厚度；f 為電磁波頻率。吸波能力方程吸波能力方程 常溫下, 吸波材料 RL 是 r 、 r 、 f 、 t 的函數(shù)。 材料電磁參數(shù)與環(huán)境溫度密切相關(guān), 高溫下材料失去磁性, 復(fù)磁導(dǎo)率等于 1, 復(fù)介電常數(shù)隨溫度不同而變化。高溫下, 吸波材料 RL 是 r(T) 、f 、t 、T的函數(shù) 。高溫吸收劑高溫吸收劑 高溫吸波材料的高溫吸波材料的傳統(tǒng)設(shè)計思路傳統(tǒng)設(shè)計思路是是將高溫吸收劑填入將高溫吸收劑填入陶瓷或者玻璃基體陶瓷或者玻璃基體, 通過調(diào)整吸收劑種類、含量、尺寸、通過調(diào)整吸收劑種類、含量、尺寸、形貌、分布狀態(tài)等

8、實現(xiàn)材料吸波性能的優(yōu)化形貌、分布狀態(tài)等實現(xiàn)材料吸波性能的優(yōu)化。因此。因此, 制備制備綜合性能優(yōu)良的吸收劑是高溫吸波材料研制首要解決的綜合性能優(yōu)良的吸收劑是高溫吸波材料研制首要解決的問題。問題。密度較大的磁性吸收劑在居里溫度以上轉(zhuǎn)變?yōu)轫樏芏容^大的磁性吸收劑在居里溫度以上轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾朋w磁體, 失去磁性失去磁性, 不適合作為高溫吸收劑不適合作為高溫吸收劑。高溫吸收劑。高溫吸收劑以以電損耗為主電損耗為主, 研究較多的主要是研究較多的主要是 C、SiC、ZnO 吸收劑。吸收劑。高溫吸收劑高溫吸收劑CharactersC 吸收劑吸收劑SiC 吸收劑吸收劑ZnO 吸收劑吸收劑CharactersCharact

9、ers 密度低密度低(質(zhì)輕質(zhì)輕)惰性氣氛耐高溫惰性氣氛耐高溫電性能可調(diào)電性能可調(diào)來源廣泛來源廣泛電導(dǎo)率較高電導(dǎo)率較高高溫易氧化高溫易氧化 高溫穩(wěn)定性優(yōu)越高溫穩(wěn)定性優(yōu)越介電性能可調(diào)介電性能可調(diào) 純純ZnO介電損耗較低介電損耗較低 高溫穩(wěn)定性優(yōu)越高溫穩(wěn)定性優(yōu)越介電性能可調(diào)介電性能可調(diào) 純純SiC介電損耗較低介電損耗較低碳吸收劑碳吸收劑Disadvantage:抗氧化能力低抗氧化能力低通過涂覆抗氧化涂層來通過涂覆抗氧化涂層來防止含氧氣體接觸擴散，防止含氧氣體接觸擴散，從而改善了材料的抗氧從而改善了材料的抗氧化能力化能力電導(dǎo)率較高電導(dǎo)率較高自由空間阻抗失配自由空間阻抗失配導(dǎo)致電磁波反射較強導(dǎo)致電磁波反

10、射較強改善阻抗匹配，減少電磁波反射改善阻抗匹配，減少電磁波反射OneTwo熱解工藝優(yōu)化熱解工藝優(yōu)化 碳材料的碳材料的電性能電性能主要決定于主要決定于石墨化程度石墨化程度, 如果如果石石墨化程度過低墨化程度過低, 損耗能力較弱損耗能力較弱; 如果如果石墨化程度過高石墨化程度過高, 則電導(dǎo)率較高則電導(dǎo)率較高, 阻抗匹配變差阻抗匹配變差。因此。因此, 可以通過優(yōu)化可以通過優(yōu)化碳材料制備工藝碳材料制備工藝, 控制石墨化度控制石墨化度, 改善阻抗匹配特性。改善阻抗匹配特性。圖圖1 苯分子的離域苯分子的離域鍵鍵中空多孔炭纖維吸收劑中空多孔炭纖維吸收劑(a)1/min/min(b)2/min/min(c)3

11、/min/min(d)4/min/min圖圖2 不同預(yù)氧化升溫速率、同一碳化條件下獲得不同預(yù)氧化升溫速率、同一碳化條件下獲得的的HPCFs截面截面SEM形貌圖形貌圖圖圖3 HPCFs體電導(dǎo)率隨預(yù)氧化升溫速率的變化關(guān)系曲線體電導(dǎo)率隨預(yù)氧化升溫速率的變化關(guān)系曲線中空多孔炭纖維吸收劑中空多孔炭纖維吸收劑圖圖4 HPCFs體電導(dǎo)率隨碳化升溫速率的變化關(guān)系曲線體電導(dǎo)率隨碳化升溫速率的變化關(guān)系曲線中空多孔炭纖維吸收劑中空多孔炭纖維吸收劑小結(jié)小結(jié)1. 升溫速率升溫速率 不利于不利于HPCFs微孔的形成與保持微孔的形成與保持2. 熱處理升溫速率熱處理升溫速率 體電導(dǎo)率體電導(dǎo)率 介電常數(shù)介電常數(shù) 注意：預(yù)氧化升

12、溫速率較炭化升溫速率變化幅度大！注意：預(yù)氧化升溫速率較炭化升溫速率變化幅度大！表面涂覆表面涂覆 在碳吸收劑表面制備電導(dǎo)率較低的陶瓷涂層在碳吸收劑表面制備電導(dǎo)率較低的陶瓷涂層, 不不僅可以改善阻抗匹配特性僅可以改善阻抗匹配特性, 減少電磁波的反射減少電磁波的反射, 而且可而且可以提高其抗氧化性能。以提高其抗氧化性能。 SiO2 殼層殼層 BNC/SiOC/SiO2 21 1、方法：靜電紡絲、方法：靜電紡絲2 2、厚度：、厚度：20nm20nm 介電常數(shù)與介電損耗都介電常數(shù)與介電損耗都較 低 ， 起 始 氧 化 溫 度 超 過較 低 ， 起 始 氧 化 溫 度 超 過800, 800, 可以形成致

13、密的可以形成致密的B B2 2O O3 3保保護膜護膜Disadvantage: Low dielectric loss SiC absorberHow to improve the ability of dielectric loss？On the one hand，Lattice doped ；On the other hand，SiC fiber absorbent。1 1、控制自由碳含量及石墨化度；、控制自由碳含量及石墨化度；2 2、引入異質(zhì)金屬元素；、引入異質(zhì)金屬元素；3 3、改變纖維截面形狀。、改變纖維截面形狀。Change the fiber cross section shap

14、e(a) Swirl shape(b) “T” shapeFig.2 Microwave absorbing silicon carbide fibers with non-circular section (c) “C” shape(d) Cross shape異型截面纖維的葉片頂端的曲率明顯大于圓截面纖維異型截面纖維的葉片頂端的曲率明顯大于圓截面纖維, , 葉片頂端可以富集電荷而產(chǎn)生偶極子葉片頂端可以富集電荷而產(chǎn)生偶極子, , 在電磁波作用在電磁波作用下產(chǎn)生振蕩下產(chǎn)生振蕩, , 異型截面纖維吸波機理的理解還不夠深異型截面纖維吸波機理的理解還不夠深入入, , 還有待于進一步研究。還有待于進一

15、步研究。Disadvantage: Pure ZnO have low Electrical conductivityHow to enhance the Electrical conductivity？On the one hand，Lattice doped ；On the other hand，Morphology control。ZnO absorber涂覆型吸波材料涂覆型吸波材料吸波涂層吸波涂層磁性吸波涂層磁性吸波涂層介電吸波涂層介電吸波涂層添加劑性質(zhì)添加劑性質(zhì)填充比例填充比例涂層厚度涂層厚度提高提高磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率添加劑和吸添加劑和吸波劑設(shè)計波劑設(shè)計提高提高吸波性能吸波性能提高提高吸波

16、性能吸波性能阻抗匹配阻抗匹配吸波涂層一般由吸波涂層一般由吸波劑吸波劑和和粘結(jié)劑粘結(jié)劑組成；組成；吸波劑是涂層的關(guān)鍵，決定了吸波涂層對入射電磁波的損耗能力；吸波劑是涂層的關(guān)鍵，決定了吸波涂層對入射電磁波的損耗能力；粘結(jié)劑是涂層的粘結(jié)劑是涂層的成膜物質(zhì)成膜物質(zhì)，可以使涂層牢固附著于被涂敷物體表面，可以使涂層牢固附著于被涂敷物體表面，形成連續(xù)膜。粘結(jié)劑必須是，形成連續(xù)膜。粘結(jié)劑必須是透波材料透波材料。優(yōu)點優(yōu)點：吸波涂層對目標的外形適應(yīng)能力強；：吸波涂層對目標的外形適應(yīng)能力強； 對裝備的改動比較小，特別適用于現(xiàn)有裝備的隱身；對裝備的改動比較小，特別適用于現(xiàn)有裝備的隱身； 吸波涂層施工方便，對武器裝備的

17、機動、火力等影響較小。吸波涂層施工方便，對武器裝備的機動、火力等影響較小。缺點缺點：頻段窄，一般只適用于某一：頻段窄，一般只適用于某一固定頻段固定頻段； 粘結(jié)性差，易脫落，受外界粘結(jié)性差，易脫落，受外界環(huán)境因素環(huán)境因素影響大；影響大； 密度大，影響飛機、導(dǎo)彈等的密度大，影響飛機、導(dǎo)彈等的飛行性能飛行性能。涂覆型吸波材料涂覆型吸波材料F-35全稱全稱“聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(JSF)”代號代號“Lightning” ，2006年年12月月首飛，成本首飛，成本1.2億美元，采用波音億美元，采用波音公司的公司的“幽靈工廠幽靈工廠”生產(chǎn)的隱身涂生產(chǎn)的隱身涂層層美國美國F-35隱身戰(zhàn)斗機隱身戰(zhàn)斗機

18、美國美國F-22隱身戰(zhàn)斗機隱身戰(zhàn)斗機F-22沿用了沿用了F-35使用的隱使用的隱身涂層材料，但改善了材身涂層材料，但改善了材料的耐久性能，節(jié)約了維料的耐久性能，節(jié)約了維護時間和成本。護時間和成本。吸波涂層吸波涂層ConvenienceFlexibleTechnology SimpleWave absorption performance is easy to controlAdvantage隱形戰(zhàn)機隱形戰(zhàn)機殲殲10b10b高溫吸波涂層高溫吸波涂層基體：環(huán)氧改性有機硅樹脂基體：環(huán)氧改性有機硅樹脂無機填料：云母粉和玻璃粉無機填料：云母粉和玻璃粉吸收劑：短切碳纖維吸收劑：短切碳纖維涂層可在涂層可在600600短時短時間使用間使用 傳統(tǒng)熱壓法傳統(tǒng)熱壓法可以在金屬表面制備結(jié)合強度高、抗熱可以在金屬表面制備結(jié)合強度高、抗熱應(yīng)力性能好的玻璃或者陶瓷基吸波涂層應(yīng)力性能好的玻璃或者陶瓷基吸波涂層, , 但是該工藝僅能但是該工藝僅能應(yīng)用于平板金屬應(yīng)用于平板金屬, , 不適用于異型表面不適用