李處森，秦家勇，林立海*，許衛(wèi)剛，杜春林，張勁松

（1.中國科學(xué)院 金屬研究所，沈陽 110016； 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

近年來，隨著我國導(dǎo)航系統(tǒng)和空間站的加速建設(shè)，以及探月和行星探測等深空探索工程的逐步推進(jìn)，針對航天器天線及通信系統(tǒng)在空間模擬環(huán)境下的驗(yàn)證考核的重要性更加突出。該驗(yàn)證考核需要使用極低電磁雜波反射的熱真空吸波箱裝置，而研制適用于該裝置高真空和高低溫循環(huán)運(yùn)行環(huán)境的輕質(zhì)、高效結(jié)構(gòu)吸波材料尤為必要。

常規(guī)結(jié)構(gòu)吸波材料主要采用各種顆?；蚨汤w維類吸波劑，包括超細(xì)碳粉[1]、碳納米管[2]、石墨烯[3]、短切碳纖維、碳化硅粉、短切碳化硅纖維、羰基鐵粉、片狀鐵硅鋁粉、鋇鐵氧體粉和鍶鐵氧體粉等；通常以各種樹脂、橡膠等高分子材料作為基體，將各種吸波劑與助劑分散于基體中，固化成形為不同結(jié)構(gòu)、不同電磁特性的結(jié)構(gòu)吸波材料[4-8]。以高分子材料作為基體的常規(guī)結(jié)構(gòu)吸波材料具有易于加工成形、力學(xué)性能好、電磁調(diào)控自由度高、吸收頻帶寬的優(yōu)勢，得以在軍民兩用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[9-10]；但高分子材料作為基體不利于材料傳熱與散熱、不利于材料耐受超低溫、高溫差和高真空環(huán)境，不利于實(shí)現(xiàn)輕載化，這使得常規(guī)結(jié)構(gòu)吸波材料應(yīng)用于熱真空吸波箱有一定局限性。

為解決結(jié)構(gòu)吸波材料在熱真空吸波箱環(huán)境中適用性問題，應(yīng)避開高分子材料作為基體，而是選用無機(jī)吸波材料。目前已經(jīng)使用碳化硅基吸波材料作為熱真空吸波箱用暗室材料，雖然該材料能夠滿足空間熱真空模擬環(huán)境要求[11-12]，但其電磁頻響差、損耗能力低，不得不采取很高的尖錐尺度才能滿足吸波性能要求；并且該材料比重較大（3.2 g/cm3）致使吸波箱很重，極大增加了衛(wèi)星通信考核的操作危險(xiǎn)性，因此急需研發(fā)新的無機(jī)吸波材料加以替代。

21 世紀(jì)初，中國科學(xué)院金屬研究所科研團(tuán)隊(duì)采用前驅(qū)體法、通過熱解工藝制備了以熱解碳為基體的三維連通泡沫結(jié)構(gòu)吸波材料，系統(tǒng)研究了該材料電導(dǎo)率、孔徑大小和體積分?jǐn)?shù)與電磁性能的相關(guān)性[13]，并在微波器件中得以應(yīng)用。作為一種無機(jī)吸波材料，熱解碳基泡沫吸波材料比重小，介電損耗大，有望替代碳化硅基吸波材料應(yīng)用于熱真空吸波箱。

本文將從熱解碳基泡沫吸波材料的制備、熱真空環(huán)境適應(yīng)性考核、電磁特性分析和吸波結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)幾方面闡述該材料在熱真空吸波箱的應(yīng)用技術(shù)研究工作。

1 材料的制備與試驗(yàn)測試項(xiàng)目

1.1 材料制備

將氨酚醛樹脂、碳化硅粉、對甲苯磺酸和無水乙醇按100:20:6:100 的比例倒入混料球磨機(jī)中，以200 r/min 混料20 min 配制漿料，然后以聚氨酯泡沫為前驅(qū)體，重復(fù)浸掛漿料→離心→固化步驟，直到樣品的比重達(dá)到0.5 g/cm3的要求。

將完成前驅(qū)體掛料的樣品放入熱分解爐中，通氮?dú)獗Ｗo(hù)氣，按1 ℃/min 升溫速度升至650 ℃，保溫1 h 后停止加熱，自然降溫至室溫后取出樣品，完成熱解碳基泡沫吸波材料制備。

熱解碳基泡沫吸波材料形貌見圖1，其為三維連通一體化開孔泡沫結(jié)構(gòu)，三維連接的筋表面致密，無斷裂。該材料比重0.45 g/cm3，為輕質(zhì)吸波材料，有利于實(shí)現(xiàn)吸波箱的輕載化應(yīng)用。

圖1 熱解碳基泡沫吸波材料形貌Fig.1 Morphology of pyrolytic carbon-based foam absorbing material

1.2 材料性能測試項(xiàng)目

1）超低溫-高溫循環(huán)試驗(yàn)

將熱解碳基泡沫吸波材料放入100 ℃烘箱中保溫1 h，然后取出迅速放入-196 ℃的液氮中，1 h后取出，再放入100 ℃烘箱中；循環(huán)5 次后，觀察試驗(yàn)前后材料形貌變化。

2）電磁仿真試驗(yàn)

采用商業(yè)仿真軟件，基于熱解碳基泡沫吸波材料不同溫度的介電常數(shù)，仿真計(jì)算材料相應(yīng)溫度的吸波性能，迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)吸波結(jié)構(gòu)。

3）換熱性能測試

在中國航天科技集團(tuán)公司航天器環(huán)境可靠性試驗(yàn)中心，依據(jù)GJB 9001B—2009 測試標(biāo)準(zhǔn)，分別采用IR/Solar Reflectometer TESA2000 紅外發(fā)射率測量儀和Hot Disk 熱常數(shù)測試儀進(jìn)行熱解碳基泡沫吸波材料的半球紅外發(fā)射率及熱導(dǎo)率測試。

4）真空質(zhì)損測試

評價(jià)材料在熱真空環(huán)境下排氣情況的兩個(gè)重要參數(shù)分別是材料的總質(zhì)量損失（TML）和收集的揮發(fā)性可凝結(jié)物（CVCM）[14-15]。在中國航天科技集團(tuán)公司航天器環(huán)境可靠性試驗(yàn)中心，采用恒溫恒濕試驗(yàn)箱（H-SH-241）和電子天平（XP205）對熱解碳基泡沫吸波材料的總質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)物進(jìn)行了測試。

5）介電常數(shù)測試

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5230A PNA-L 和附帶的材料電磁參數(shù)測量軟件，采用波導(dǎo)法測試熱解碳基泡沫吸波材料室溫下的寬頻介電常數(shù)。

通過控制液氮流量實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)制冷控溫[16]，并通入高純氬氣避免波導(dǎo)腔內(nèi)水蒸氣結(jié)霜或凝露，測試熱解碳基泡沫吸波材料-100 ℃低溫介電常數(shù)。通過硅油加熱循環(huán)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)制熱控溫，測試熱解碳基泡沫吸波材料100 ℃高溫介電常數(shù)。

6）吸波性能測試

熱解碳基泡沫吸波材料的吸波性能測試在北京無線電測量研究所進(jìn)行，采用國軍標(biāo)GJB 2038A—2011 中的RCS 法測試材料的電磁波反射率。

2 材料的熱真空環(huán)境適應(yīng)性及電磁特性

2.1 熱真空環(huán)境適應(yīng)性

2.1.1 溫度適用性

超低溫-高溫循環(huán)試驗(yàn)前后熱解碳基泡沫吸波材料的形貌如圖2 所示，可以看出，試驗(yàn)后材料沒有明顯的損傷。熱真空吸波箱的高低溫冷熱循環(huán)過程不如超低溫-高溫循環(huán)試驗(yàn)?zāi)菢觿×?，因此該材料在熱真空吸波箱中使用可以保持結(jié)構(gòu)完整性。

圖2 熱解碳基泡沫吸波材料高低溫循環(huán)試驗(yàn)前后形貌Fig.2 Morphology of pyrolytic carbon-based foam absorbing material before and after high and low temperature cycling

為滿足高低溫循環(huán)中吸波箱體內(nèi)外的精確溫控要求，吸波材料需要具備優(yōu)異的換熱性能。高真空環(huán)境下沒有對流換熱，只需要考慮材料的熱輻射和導(dǎo)熱能力，其重要評價(jià)指標(biāo)分別是紅外發(fā)射率和熱導(dǎo)率。測得熱解碳基泡沫吸波材料的半球紅外發(fā)射率為0.896，導(dǎo)熱系數(shù)為0.453 W/(K·m)。盡管該材料導(dǎo)熱性能一般，但其具有高熱輻射能力，可實(shí)現(xiàn)在吸波箱內(nèi)的高效換熱。

2.1.2 真空適用性

熱解碳基泡沫吸波材料在真空條件下的揮發(fā)性測試結(jié)果為總質(zhì)量損失1.1%、可凝揮發(fā)物0.01%。這是因?yàn)樵摬牧辖?jīng)高溫?zé)峤夤に囍苽涠?，殘余的可凝揮發(fā)物已極少，低可凝揮發(fā)物含量確保其在真空下的低揮發(fā)性?？傎|(zhì)量損失相對較大是因?yàn)樵摬牧暇哂幸欢ǖ挠H水性，吸收空氣中水分所致，可采取前期真空升溫除水處理，不影響PIM 暗室箱正常使用。

綜上，熱解碳基泡沫吸波材料能夠適用于熱真空吸波箱環(huán)境。

2.2 電磁特性

2.2.1 寬頻帶電磁特性

熱解碳基泡沫吸波材料為介電損耗型吸波材料。圖3(a)為該材料寬頻介電常數(shù)變化曲線，可見：其介電常數(shù)實(shí)部（ε′）與虛部（ε′′）值均隨頻率改變；具有1.5～18 GHz 寬帶頻響電磁特性，因而具備實(shí)現(xiàn)寬頻高效吸波的能力，可適用于不同波段的吸波箱。該材料還具有高介電損耗（損耗角正切值ε′′/ε′在0.6 以上，見圖3(b)）的電磁特性，通過材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可更有利于其充分發(fā)揮高介電損耗電磁特性的優(yōu)勢。

圖3 熱解碳基泡沫吸波材料的寬頻帶介電常數(shù)Fig.3 Wide frequency band permittivity of pyrolytic carbonbased foam absorbing material

尖錐吸波結(jié)構(gòu)是暗室吸波材料的經(jīng)典結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在電磁波進(jìn)入材料過程中該吸波結(jié)構(gòu)能高效兼顧阻抗匹配和強(qiáng)損耗，大幅提高吸波能力。熱解碳基泡沫吸波材料不僅比重小而且其寬帶頻響和高介電損耗電磁特性也顯著優(yōu)于碳化硅基吸波材料，具備研發(fā)尖錐結(jié)構(gòu)寬頻帶暗室材料的優(yōu)勢[17]。

2.2.2 寬溫域電磁特性

針對高低溫循環(huán)變化的熱真空吸波箱使用環(huán)境，有必要掌握熱解碳基泡沫吸波材料在不同溫度下的介電常數(shù)，圖4(a)為該材料分別在-100 ℃、室溫和100 ℃下的介電常數(shù)隨頻率（1.8～2.5 GHz）的變化曲線。相比室溫，-100 ℃下該材料的介電常數(shù)實(shí)部與虛部均明顯下降，虛部下降幅度更大；100 ℃下該材料的介電常數(shù)實(shí)部與虛部均明顯升高，虛部升高幅度更大。如圖4(b)所示，盡管熱解碳基泡沫吸波材料的介電常數(shù)隨溫度改變而改變，但在-100～100 ℃的寬溫域范圍內(nèi)仍能保持高介電損耗能力（損耗角正切值ε′′/ε′不低于0.8）。這說明該材料仍適合于具有高效吸波能力的尖錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)必須兼顧寬溫域吸波性能。

圖4 熱解碳基泡沫吸波材料的寬溫域介電常數(shù)Fig.4 Wide temperature range permittivity of pyrolytic carbon-based foam absorbing material

綜上，熱解碳基泡沫吸波材料具有寬頻帶、寬溫域（-100～100 ℃）高介電損耗的電磁特性，具有研發(fā)多種波段熱真空吸波箱用尖錐結(jié)構(gòu)暗室材料的優(yōu)勢；而該材料的介電常數(shù)隨頻率和溫度改變而改變，在進(jìn)行吸波箱內(nèi)尖錐結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)時(shí)需要全面考慮。

3 熱解碳基泡沫吸波材料在熱真空吸波箱中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以無源互調(diào)（passive intermodulation, PIM）[18-19]吸波箱的研制為例。PIM 作為一種非線性電磁干擾現(xiàn)象，是衛(wèi)星通信設(shè)計(jì)時(shí)面臨的共性問題。為了從整星角度系統(tǒng)解決無源互調(diào)問題[20]，迫切需要研制PIM 吸波箱，要求其中的結(jié)構(gòu)吸波材料能在高低溫循環(huán)、高真空的熱真空環(huán)境下高效吸收衛(wèi)星天線發(fā)射出的雙載波電磁信號，進(jìn)而大幅弱化雙載波電磁信號之間的耦合作用，實(shí)現(xiàn)低PIM 的等效空間電磁暗室環(huán)境，以保證準(zhǔn)確評價(jià)衛(wèi)星整體載荷設(shè)計(jì)產(chǎn)生的PIM 問題[21]。

通過兩天線收發(fā)信號進(jìn)行吸波箱低PIM 性能考核，其中：天線1 發(fā)射在中心頻率約2.1 GHz 時(shí)無PIM 信號的2×70 W（48.45 dBm）雙載波；天線2接收PIM 信號。PIM 信號功率小于-150 dBm 即可滿足吸波箱的低PIM 使用要求。依據(jù)發(fā)射天線輸出電磁波的功率、接收天線所關(guān)注的高階數(shù)PIM信號的階數(shù)就可以計(jì)算出所產(chǎn)生PIM 信號的功率值[22-23]，進(jìn)而得出箱內(nèi)結(jié)構(gòu)吸波材料對天線1 發(fā)射電磁波的損耗吸收，只要保證從天線1 到天線2 的電磁信號反射率＜-25 dB，就能滿足耦合疊加產(chǎn)生的高階數(shù)PIM 信號＜-150 dBm 的性能要求。

目前，國軍標(biāo)GJB 2038A—2011 是國內(nèi)第三方測試考核結(jié)構(gòu)材料吸波性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)中以遠(yuǎn)場平面波照射材料的反射率來表征吸波性能。然而，一方面吸波箱中天線發(fā)射的電磁波不能大面積展開，不能以遠(yuǎn)場平面波方式而是以近場球面波方式照射吸波材料，平面波與球面波分別照射同一目標(biāo)時(shí)的反射信號大小和頻響特性是有差異的；另一方面吸波箱的結(jié)構(gòu)吸波材料涉及寬溫域吸波問題，不僅僅局限于室溫吸波：因此，僅通過國軍標(biāo)中室溫遠(yuǎn)場平面波照射材料的反射率來表征材料在吸波箱內(nèi)的寬溫域吸波性能是不全面的。

為此，開展熱解碳基泡沫吸波材料在熱真空吸波箱中吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作應(yīng)兼顧兩個(gè)方面：1）針對電磁波室溫遠(yuǎn)場平面波照射目標(biāo)的國軍標(biāo)測試方法，建立平面波照射材料仿真模型，基于材料室溫介電常數(shù)開展電磁仿真計(jì)算；2）建立吸波箱仿真模型，基于材料的寬溫域介電常數(shù)開展電磁仿真計(jì)算。綜合考慮這兩方面仿真結(jié)果，確定既保證吸波箱內(nèi)的近場吸波性能達(dá)到使用要求，又滿足第三方遠(yuǎn)場實(shí)測（依國軍標(biāo)測試）性能考核要求的熱解碳泡沫吸波結(jié)構(gòu)。

3.1 遠(yuǎn)場吸波結(jié)構(gòu)仿真

基于有限元法采用商業(yè)軟件建立遠(yuǎn)場仿真模型（如圖5 所示）。

圖5 熱解碳基泡沫吸波結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場仿真Fig.5 Far-field simulation of pyrolytic carbon-based foam absorbing structure

模型側(cè)面建立周期邊界條件，頂部設(shè)定平面波激勵(lì)，材料屬性中引入熱解碳基泡沫吸波材料的室溫介電常數(shù)，仿真頻段為1.8～2.5 GHz。從實(shí)現(xiàn)高效吸波和避免產(chǎn)生新的PIM 問題兩方面考慮，采用泡沫尖錐+底板的一體化吸波結(jié)構(gòu)：前置泡沫吸波材料尖錐結(jié)構(gòu)有利于把電磁波高效引進(jìn)來并消耗掉；后置泡沫底板一方面要與泡沫尖錐形成很好阻抗匹配，有利于低頻電磁波的吸收損耗，另一方面要有效阻止電磁波與吸波箱金屬框架接觸，避免產(chǎn)生新的PIM 問題。模型中設(shè)置熱解碳基泡沫吸波材料底板厚度變量，尖錐高度變量和上底、下底邊長變量，以反射率值＜-25 dB 為目標(biāo)，盡量減小尖錐+底板結(jié)構(gòu)總高度，不斷調(diào)整這些變量數(shù)值，開展遠(yuǎn)場模型迭代仿真計(jì)算。

3.2 近場吸波結(jié)構(gòu)仿真

采用商業(yè)仿真軟件建立與實(shí)物尺寸一致的吸波箱仿真模型如圖6(a)所示：由內(nèi)腔底部尺寸700 mm×700 mm、高1100 mm 鋁板圍成吸波箱箱體，內(nèi)腔壁上裝配尖錐+底板一體化結(jié)構(gòu)的熱解碳基泡沫吸波材料；在吸波箱外側(cè)建立輻射邊界條件；在箱口放置2 個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸一樣的螺旋天線，天線模型中設(shè)置了收發(fā)電磁波信號的集中端口激勵(lì)和理想導(dǎo)體地平面邊界條件，螺旋天線1 為發(fā)射天線，螺旋天線2 為接收天線，兩螺旋天線底部與箱口齊平，中心相距250 mm，對稱于箱口中心放置；兩天線適用于1.8～2.5 GHz 頻段，中心發(fā)射頻率為2.1 GHz（S11 參數(shù)曲線見圖6(b)）。

圖6 吸波箱近場仿真模型Fig.6 Near-field simulation model of the absorbing box

材料屬性中引入熱解碳基泡沫吸波材料-100 ℃、室溫和100 ℃下的介電常數(shù)，開展吸波箱內(nèi)1.8～2.5 GHz 頻段電磁波近場仿真計(jì)算。同樣采用泡沫尖錐+底板的一體化吸波結(jié)構(gòu)，模型中設(shè)置熱解碳基泡沫吸波材料底板厚度變量，尖錐高度變量和上底、下底邊長變量，以從螺旋天線1 到螺旋天線2 的反射率值＜-25 dB 為目標(biāo)，盡量減小尖錐+底板結(jié)構(gòu)總高度，不斷調(diào)整這些變量數(shù)值，開展近場模型迭代仿真計(jì)算。

3.3 仿真結(jié)果與驗(yàn)證

綜合考慮遠(yuǎn)場吸波結(jié)構(gòu)和近場吸波結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果，最終明確了滿足高效吸波性能要求的熱解碳基泡沫吸波材料尖錐+底板一體化結(jié)構(gòu)具體尺寸：泡沫底板14 mm 厚，泡沫尖錐70 mm 高，錐頂尺寸5 mm×5 mm，錐底尺寸50 mm×50 mm。該泡沫吸波材料尖錐+底板結(jié)構(gòu)總高度84 mm，面密度＜20 kg/m2。遠(yuǎn)場仿真得到該吸波結(jié)構(gòu)1.8～2.5 GHz頻段的反射率值＜-25 dB（見圖7(a)）；近場仿真得到該吸波結(jié)構(gòu)在-100 ℃、室溫和100 ℃三個(gè)溫度點(diǎn)從天線1 到天線2 的反射率（S21）曲線相近，曲線大部分在-55～-38 dB 之間（見圖7(b)），這能夠保證-100～100 ℃寬溫區(qū)內(nèi)耦合疊加產(chǎn)生的高階數(shù)PIM 信號＜-150 dBm 的性能要求。

圖7 吸波性能仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of absorbing performance

依據(jù)仿真結(jié)果加工制備了尺寸500 mm×500 mm的尖錐+底板一體化結(jié)構(gòu)熱解碳基泡沫吸波材料板（見圖8(a)），其面密度＜20 kg/m2。在第三方依照GJB 2038A—2011 中RCS 遠(yuǎn)場法[24]實(shí)測了其吸波性能，如圖8(b)所示，實(shí)測結(jié)果滿足1.8～2.5 GHz頻段反射率值＜-25 dB 吸波性能考核要求，并且實(shí)測與仿真的吸波性能曲線整體接近；略有不同之處在于2 GHz 以下實(shí)測吸波性能略差于仿真結(jié)果，而2 GHz 以上實(shí)測吸波性能略優(yōu)于仿真結(jié)果。究其原因可能是：在圖5 的仿真模型中碳泡沫被等效為相同介電常數(shù)的均質(zhì)材料，而實(shí)測中碳泡沫試樣需要通過機(jī)加工完成制備，機(jī)加工過程中碳泡沫錐尖“材料欠缺”不可避免，材料欠缺的泡沫尖錐實(shí)際大小尺寸小于仿真模型中的均質(zhì)材料，這有利于改善阻抗匹配，使得2 GHz 以上高頻區(qū)實(shí)測吸波性能略優(yōu)于仿真結(jié)果，同時(shí)材料欠缺也會導(dǎo)致諧振峰向高頻頻漂；而材料欠缺雖然可改善阻抗匹配，但也會降低電磁損耗吸收能力，而后者對低頻電磁波影響更大，使得2 GHz 以下低頻區(qū)實(shí)測吸波性能略差于仿真結(jié)果。

圖8 依照國軍標(biāo)考核要求尖錐+底板結(jié)構(gòu)熱解碳基泡沫吸波性能的實(shí)測結(jié)果Fig.8 Measured results of absorbing performance of pyrolytic carbon-based foam with sharp cone + bottom plate structure according to the assessment requirements of the national military standard of China

4 結(jié)論及建議

本文針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)考核用熱真空吸波箱對結(jié)構(gòu)吸波材料的需求，制備了熱解碳基輕質(zhì)泡沫吸波材料，開展了其熱真空環(huán)境適應(yīng)性和寬頻帶、寬溫域電磁性能研究，以及電磁仿真結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)測驗(yàn)證工作，得出如下結(jié)論：

1）熱解碳基輕質(zhì)泡沫吸波材料能夠適應(yīng)高真空和高低溫循環(huán)的熱真空環(huán)境，具有寬頻帶、寬溫域高介電損耗的電磁特性，適合尖錐型高效吸波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適用于熱真空吸波箱的暗室材料。

2）熱解碳基泡沫吸波材料在熱真空吸波箱中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要滿足依照國軍標(biāo)進(jìn)行的基于電磁波遠(yuǎn)場平面波照射方式的實(shí)測性能考核要求，也要根據(jù)實(shí)際使用情況保證該材料吸波結(jié)構(gòu)在吸波箱內(nèi)的近場吸波性能滿足使用要求。

3）在保障吸波性能的前提下，熱解碳基泡沫吸波材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要兼顧可應(yīng)用性，包括利于導(dǎo)熱、方便裝配、易于維修、輕載化和低成本等。

后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化和細(xì)化吸波箱內(nèi)近場吸波仿真過程，并開展熱真空吸波箱PIM 性能實(shí)測驗(yàn)證。