齊 宇， 何 山， 史有強

(北京航空材料研究院，北京100095)

隱身技術始于第二次世界大戰(zhàn)，起源德國，發(fā)展于美國，在英、法、日、俄等發(fā)達國家得到了進一步發(fā)展應用，對于提高現(xiàn)代兵器的突防能力與生存能力發(fā)揮著重要作用，引起世界各軍事大國的高度重視。隱身技術可分為光學隱身技術、紅外隱身技術、激光隱身技術、雷達隱身技術等，而雷達隱身技術是隱身技術重點和難點。雷達隱身技術是通過減弱、抑制、偏轉目標的雷達回波強度或減小雷達散射截面積(RCS)，來降低敵方雷達對目標的發(fā)現(xiàn)概率，其中能夠實現(xiàn)雷達隱身技術重大突破的途徑主要是發(fā)展高效的雷達吸波涂料［1］。

雷達吸波涂料現(xiàn)階段廣泛使用在艦船裝備上，該涂層一般由樹脂基體(膠黏劑)、吸收劑以及各種助劑組成。其中吸收劑是主體，決定了涂層吸波性能的好壞;樹脂基體是基材，決定了吸收劑的加入量、吸收性能的強弱、涂層性能的好壞;各類助劑起輔助作用，雖然用量較小，但必不可少，它決定了涂層的質量，而且對吸收劑的加入量也有影響［2］。因為艦船用雷達吸波涂料中吸收劑大部分都是易生銹腐蝕，雖然雷達吸波涂層外有防腐蝕面漆保護，但是受艦船工作環(huán)境影響，涂層在海面上高鹽霧、高濕度的環(huán)境中表面稍有劃痕或者碰撞若不及時修補，則涂層表面會逐漸腐蝕，進一步出現(xiàn)“流黃水”的嚴重腐蝕現(xiàn)象。這樣不僅嚴重影響艦船外觀，而且重要的是破壞了艦船的隱身性能，給其本身帶來極大的危險。

目前國內外研究的防腐蝕雷達吸波涂料主要有碳黑雷達吸波涂料、鐵氧體雷達吸波涂料和納米復合雷達吸波涂料。納米復合雷達吸波涂料在國內正處于基礎研究階段，距離工程化應用還有較大差距，國內目前可以實現(xiàn)工程化應用的防腐吸收劑主要有鐵氧體和碳黑。使用碳黑做為吸收劑最大的缺點是吸波性能差，無法達到艦船裝備的要求。鐵氧體吸收劑是目前應用比較成熟的吸收劑，應用十分廣泛。其吸波性能來源于其既具有亞鐵磁性又有介電性能。其相對磁導率和相對電導率均呈復數(shù)形式(一般稱此類物質為雙復介質)，它既能產生介電損耗又能產生磁致?lián)p耗，吸波性能優(yōu)良［3～5］。但是國內外現(xiàn)階段研究的鐵氧體雷達吸波涂料的主要缺點是吸收頻段較窄，涂層面密度較重。為了達到艦船使用雷達吸波涂料實用寬頻帶吸收的要求，同時又受材料的限制雷達吸波涂層不能太薄。到目前為止，國內［6，7］在防腐蝕型雷達吸波涂料方面也有一定研究，但大都存在吸波帶寬較窄、雷達吸波涂層較厚、環(huán)境穩(wěn)定性差等問題，并且還沒有鐵氧體單獨做為吸收劑的薄層雷達吸波涂層具有寬頻吸波性能的報道。

為解決寬頻強吸收與涂層厚度的矛盾，本研究設計了雙層結構雷達吸波涂層;又由于低頻電磁波比高頻電磁波有更好的穿透性，故一般將低頻性能良好的涂層作為最底層;而表層涂料直接與空氣接觸，形成空氣與吸波介質界面。因此，設計表層材料阻抗近似于空氣阻抗(377Ω)，盡量減少表層反射。另外，采用頻率選擇界面或者半反射界面，可以拓展頻寬增強吸收，提高涂層性能［8］。

1 設計原理與試驗方法

1.1 雷達吸波涂料的吸波原理及結構設計

雷達吸波涂層的吸收效果通常是以反射率的大小來表示，反射率越小，吸波效果越好［7～9］。對于單層雷達吸波涂料，假定底板金屬是理想導體，根據(jù)傳輸線理論，空氣與雷達吸波涂料界面處的輸入阻抗及雷達吸波涂料的反射率可表示為:

式中:Zi為傳輸線的特性阻抗，μr為雷達吸波涂料的復磁導率(即μr=μ' －jμ″)，εr為雷達吸波涂料的復介電常數(shù)(即εr=ε' －jε″)，d 為雷達吸波涂料的厚度，λ 為自由空間中電磁波的波長，R 為雷達吸波涂料的反射率;Z0為空氣的特性阻抗。

由式(1)、式(2)可知，雷達吸波涂料的吸波效果與材料的復磁導率、復介電常數(shù)、厚度和電磁波的波長有關。采用單層材料很難達到寬頻高吸波的目的［10～12］。因此，可考慮使用復合吸收劑和雙層結構來解決這個問題。采用雙層結構設計后，其可變參量增多，也就更容易達到可調參數(shù)的控制，可在厚度盡可能小的情況下達到寬頻吸波的效果，隨后對幾種吸收劑進行電磁參數(shù)的測量以了解μr和εr，然后再合理進行電性能設計。

1.2 測試方法及原料

A)原材料

鐵氧體鐵粉，牌號A，B;多羥基支化聚酯，牌號MX－2325;甲苯二異氰酸酯，牌號TDI;環(huán)氧樹脂，牌號0199;助劑;有機溶劑。

B)測試方法

電磁參數(shù)測量:把吸收劑和低介電常數(shù)物質(如石蠟)混合一起應用“波導法”使用HP8722ES矢量網(wǎng)絡分析儀對吸收劑進行電磁參數(shù)測量，即得到吸收劑的電磁參數(shù)ε'，ε″，μ'和μ''。

反射率測量:把雷達吸波涂料涂敷在鋁制平板上待涂層完全固化后應用“弓形法”使用HP8757E標量網(wǎng)絡分析儀對雷達吸波涂層進行反射率測量。

面密度測量:首先在試驗前用天平稱量試板的重量，待涂層完全固化后稱量已涂敷涂料的試板重量，用兩者的質量差除以試板的面積即得到涂料的面密度。

C)反射率試樣制備方法

準備180mm ×180mm × (3 ～5)mm 的鋁制平板，根據(jù)雙層復合雷達吸波涂料各層材料與厚度的設計，將制成的雷達吸波涂料攪拌均勻，然后分別按方案設計的厚度要求涂底、面層涂料在平板上。待涂層完全固化后按照GJB 2038—1994 測試方法測量涂層反射率。

2 結果與討論

2.1 電性能設計

因為根據(jù)以上提到的材料吸波原理可知吸收劑的電磁參數(shù)ε'，ε″，μ'和μ″對材料的吸波性能起到關鍵的作用［13～16］，因此首先在電性能研究之前對A，B兩種吸收劑進行電磁參數(shù)的測量，這樣可以根據(jù)電磁參數(shù)的結果優(yōu)化選擇對電性能的設計有較大的幫助。

吸收劑的電磁參數(shù)見表1 ～表4。

表1 80% A 吸收劑電磁參數(shù)Table 1 Electromagnetic parameters of 80% A absorbent

表2 82% A 吸收劑電磁參數(shù)Table 2 Electromagnetic parameters of 82% A absorbent

表3 78% A 吸收劑電磁參數(shù)Table 3 Electromagnetic parameters of 78% A absorbent

表4 75% B 吸收劑電磁參數(shù)Table 4 75% B absorbent electromagnetic parameters

用雷達吸波涂料電設計軟件，經(jīng)過方案優(yōu)化得出設計結果見圖1 ～圖3。對應的方案見表5。

比較圖1 ～圖3 可知，當?shù)讓訛?0%A 面層為75%B 時，材料的反射率吸收頻段較寬，即在8 ～18GHz 頻率范圍內反射率均接近－10dB，性能優(yōu)于底層為82%A 和底層為78%A 的反射率，故以底層為80%A 面層為75%B 展開試驗研究。

表5 材料各層厚度設計方案Table 5 Each layer design scheme of material thickness

圖1 底層80%A 面層為75%B 時的電性能設計曲線Fig.1 Electrical properties design curve of the 80%A bottom and 75%B surface

圖2 底層82%A 面層為75%B 時的電性能設計曲線Fig.2 Electrical properties design curve of the 82%A bottom and 75%B surface

2.2 防腐蝕型雷達吸波涂料實際反射率試驗結果

通過對以上電性能設計軟件設計的優(yōu)化方案驗證得到實際的雷達吸波涂層電性能反射率曲線，試驗方案見表6，測量反射率曲線見圖4 所示。

圖3 底層78%A 面層為75%B 時的電性能設計曲線Fig.3 Electrical properties design curve of the 78%A bottom and 75%B surface

表6 雙層復合雷達吸波涂料各層材料與厚度Table 6 Materials and paint layers thick of multi-absorbing composite

圖4 雙層復合雷達吸波涂料反射率特性曲線Fig.4 Frequency characteristic curve of multi-absorbing composite coatings

當厚度為1.7mm，面密度為4.0kg/m2時，雷達波頻率在8 ～18GHz 時反射率小于－11.0dB。反射率曲線見圖4。

2.3 防腐蝕雷達吸波涂料耐環(huán)境性能試驗結果與分析

為滿足現(xiàn)實的海洋環(huán)境使用要求，防腐蝕雷達吸波涂層進行了耐高低溫、耐人造海水、耐濕熱、耐鹽霧、人工加速老化試驗。環(huán)境試驗試板表面涂覆氯化橡膠船殼漆。

耐高低溫試驗根據(jù)GJB150.5—1986 進行試驗前后對比如圖5 所示。

圖5 高低溫試驗前后涂層外觀Fig.5 The appearance of the coating before and after high and low temperature tests

耐70℃高溫48h 后材料外觀無變化，如圖5 中G20;耐－55℃低溫48h 后材料外觀無變化，如圖5中G21;70℃至－55℃溫度交變試驗，保溫時間1h，溫度轉換時間10min，循環(huán)10個周期后材料外觀無變化，如圖5 中G22(上側為試驗前，下側為試驗后);試驗前涂層的附著力為5.35MPa，試驗后涂層的附著力為5.29MPa，試驗前后的反射率見圖6。

圖6 高低溫試驗前后復合雷達吸波涂層反射率Fig.6 Composite radar absorbing coating reflectivity before and after high and low temperature tests

耐海水試驗采用青島海域實際海水。在海水中浸泡2000h 后，反射率無明顯變化，涂層表面生銹腐蝕現(xiàn)象，試驗前涂層的附著力為5.56MPa，試驗后涂層的附著力為5.41MPa，見圖7。

耐濕熱性能按GJB150.9—1986 測定，5個周期(1個周期為24h)后，外觀無變化，反射率滿足要求，試驗前涂層的附著力為4.89MPa，試驗后涂層的附著力為4.77MPa，如圖8 所示。

圖7 耐人造海水浸泡試驗前后雷達吸波涂層反射率Fig.7 Radar absorbing coating reflectivity before and after resistant artificial seawater immersion test

圖8 雷達吸波涂層濕熱試驗前后反射率Fig.8 Radar absorbing coating reflectivity before and after the hot and humid test

(4)鹽霧試驗

按GB/T1771—1991 進行耐鹽霧2000h 后，涂層不起泡、不開裂、不脫落，反射率滿足要求，試驗前涂層的附著力為5.93MPa，試驗后涂層的附著力為5.88MPa，具體的電性能如圖9 所示。

圖9 雷達吸波涂層鹽霧試驗前后反射率Fig.9 Radar absorbing coating salt spray test before and after the reflectivity

(5)人工加速老化試驗

按GB1865—1989 進行人工加速老化2000h后，涂層外觀無明顯變化，反射率滿足要求，試驗前涂層的附著力為5.16MPa，試驗后涂層的附著力為4.29MPa，具體的反射率如圖10 所示。

圖10 雷達吸波涂層人工加速老化試驗前后反射率Fig.10 The reflectivity of Radar absorbing coating before and after accelerated aging tests

3 結論

(1)通過對兩種優(yōu)良吸收劑的電磁參數(shù)ε'，ε″，μ'和μ″的測試，并利用雷達吸波涂料電設計軟件的模擬，最終優(yōu)選了底層為80%A 吸收劑面層為75%B 吸收劑的雙層復合雷達吸波涂料。

(2)該雙層復合結構設計有效展寬了雷達吸波涂層的吸收頻帶，在8 ～18GHz 頻率范圍內反射率不大于－10dB，而厚度只有1. 7mm，面密度為4.0kg/m2。

(3)研制的防腐蝕雷達吸波涂料通過高低溫、耐海水、耐濕熱等耐環(huán)境性能試驗后，涂層外觀、反射率和附著力無明顯變化，說明其耐環(huán)境性能優(yōu)良。

［1］張政權，李鐵虎，經(jīng)德齊. 雷達吸波涂料的研究現(xiàn)狀及其進展［J］.材料導報，2007，21(1):307 －309.(ZHANG Z Q，LI T H，JING D Q. Present status and perspectives of the radar absorbing material［J］. Materials Review，2007，21(1):307 －309.)

［2］王結良，黃英，梁國正，等. 雷達吸波涂層用材料的研究進展［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2003，02:28.(WANG J L，HUANG Y，LIANG G Z，et al. Progress in the study of radar absorbing coating materials ［J］. Modern Paint Finishing，2007，21(1):307 －309.)

［3］HAN SHINCHO，SUNG SOOKIN. M-Haxaferrites with plannar mangnetic anisotropy and their application to high frequency microwave absorbers. IEEE Transactions On Magnetics，1993，35(5):3151.

［4］SUGIMOTO S，OKAYAMA L，KONDO S，et al. Barium mtype ferrite as an electromaynetic microwave absorber in the GHz range［J］. Mater Trans JIM，1998，39(10):1080.

［5］NEDKOV I，PETKOVA，KAZPOV V. Microwave absorption on Sc and Co-Ni substiuted Ba-haxaferrite powders［J］.IEEE Transactions on Mangetics，1990，26(5):1483.

［6］徐國亮，羅潔，劉波，等. 碳團簇型雷達隱身涂料環(huán)境穩(wěn)定性研究［J］.原子與分子物理學報，2003，20(1):103－106.(XV G L，LUO J，LIU B，et al. The study on environmental stabilization about antiradar coating of carbon cluster-like material［J］. Journal of Atomic and Molecular Physics，2003，20(1):103 －106.

［7］何山，熊克敏.潛艇雷達隱身用雷達吸波涂料研究［J］.航空材料學報，1994，14(1):43 －48.(HE S，XIONG K M. Study on antiradar coating for the submarine stealth［J］. Journal of aeronautic al materials，1994，14(1):43 －48.

［8］周志飚，郭志猛，毛衛(wèi)民，等. 復合型雷達吸波涂料［J］.北京科技大學學報，2006，28(8):766 －769.(ZHOU Z B，GUO Z M，MAO W M，et al. A composite radar absorbing material［J］. Journal of University of Science and Technology Beijing，2006，28(8):766 －769.

［9］吳曉光. 國外微波吸收材料. 長沙:國防科技大學出版社，1992.(WU X G. Foreign microwave absorbing materials［M］.Changsha:National Defense University Press，1992.

［10］柯林，呂維堯. 微波工程基礎. 北京:人民郵電出版社，1981.(KE L，LV W R. Microwave Engineering Fundamentals［M］. Beijing:People's Posts and Telecommunications Press，1981.

［11］陳曙，史瑩冰. 磁性纖維對常規(guī)隱身材料的摻雜研究［J］. 航天電子對抗，2001，(6):46 －48.(CHEN S，SHI Y B. Magnetic fiber doping research of conventional stealth materials［J］. Aerospace Electronic Warfare，2001，(6):46 －48.

［12］朱洪立，葉智書，陳開來，等. 寬頻雷達吸波涂料研究［J］.工程塑料應用，2006，2(34):14 －16.(CHEN H L，YE Z S，CHEN K L，et al. Research on broadband radar absorbing materials［J］. Engineering Plastics Application，2006，2(34):14 －16.

［13］高正娟，曹茂盛，朱靜. 復合雷達吸波涂料等效電磁參數(shù)計算的研究進展［J］. 宇航材料工藝，2004，(4):12－15.(GAO Z J，CAO M S，ZHU J. Development in study of effective electromagnetic parameters of absorbing composite［J］. Aerospace Materials ＆ Technology，2004，(4):12 －15.

［14］彭智慧，曹茂盛，袁杰，等. 雷達吸波涂料設計理論與方法研究進展［J］. 航空材料學報，2003，23(3):58 －63.(PENG Z H，CAO M S，YUAN J，et al. Progress in design theory and methods research on radar absorbing materials［J］. Journal of aeronautic al materials，2003，23(3):58 －63.

［15］張鐵夫，曹茂盛，袁杰，等. 多薄層涂覆雷達吸波涂料計算設計方法研究［J］. 航空材料學報，2001，21(4):46－49.(ZHANG T F，CAO M S，YUAN J，et al. The experimental principle of Nano Indenter II and its applications［J］.Journal of aeronautic al materials，2001，21(4):46 －49.

［16］曹茂盛，房曉勇. 多涂層吸波體的計算機智能化設計［J］. 燕山大學學報，2001，25(1):9 －13.(CAO M S，F(xiàn)ANG X Y. Intelligent computer-aided design for muti-coating layer absorber［J］. Journal of Yanshan University，2001，25(1):9 －13.