高温吸波材料研究现状

 

Current Study of High Temperature Radar Absorbing Materials

Luo Fa 　　Zhou Wancheng　　 Jiao Huan　　Zhao Donglin

( 　State Key Laboratory of Solidification Processing Technology , Northwest Polytechnical University　Xi’ an　 710072　)

Abstract：Properties and applications of some common high temperature absorbers such as graphite , acetylene carbon black , carbon fiber and silicon carbide are reviewed. Treating methods and performance of silicon carbide fiber and nanometer silicon carbide absorber are presented with focus.Development and applications of high temperature radar absorbing materials are also summarized.
Key words：High temperature ,Absorber , Radar absorbing material

 

1 　引言

    大力发展和应用隐身技术 ,提高现代武器系统的攻击和生存能力 ,提高总体作战效能 ,已成为各国军事发展的重要组成部分。

    实现隐身的技术途径主要有两类:一是通过外形设计尽量减少雷达波散射截面,但因受到战术技术指标和环境条件的限制 ,进行理想设计有相当大的难度;二是应用吸波材料(RAM) 。因研制吸波材料则较为容易 ,且易于实施 ,所以吸波材料研究成为隐身技术中的研究“热点”。

    武器装备需要隐身的部位按照工作温度来划分 ,可以分为常温和高温两类。因为绝大部分磁性吸收剂居里温度较低 ,在高温下失去磁性 ,从而失去吸波性能 ,因此磁性吸波材料一般只能用于武器常温部位的隐身。武器高温部位的隐身必须采用高温吸波材料 ,一般为陶瓷吸波材料 ,其吸收剂为陶瓷吸收剂。由于高温吸波材料仅仅依靠材料的电损耗来吸收电磁波 ,故其吸波效率远低于磁性吸波材料 ,这就要求高温吸波材料具有较大的厚度。

 

2 　耐高温吸收剂

    吸收剂是吸波材料中起关键作用的组成部分,吸波材料主要靠吸收剂来吸收和衰减雷达波。要制备性能优异的吸波材料 ,首先必须研制质轻、吸收频带宽、对雷达波具有强吸收的吸收剂 ,因此高温吸收剂是高温吸波材料研究的关键。与磁性吸收剂相比 ,介电常数控制是高温吸收剂研究的重点和难点 ,而介电常数的频散效应的控制则是宽频带吸收所必须追求的目标。

    国内外研究的高温吸收剂主要有以下几种类型。

2. 1 　石墨、乙炔炭黑吸收剂

    乙炔炭黑属介电型吸收剂 , 由于其粒径为纳米级 ,不仅能吸收电磁波 ,还能有效抑制红外辐射;石墨在二战期间就被用来充填在飞机蒙皮的夹层中吸收雷达波 ,由于其密度低 ,也常被用来充填在蜂窝夹层结构中。导电炭黑还被用来与高分子材料复合 ,以调节高分子复合材料的导电率 ,达到吸波效果。石墨已经应用于结构吸波材料 , 美国在石墨/热塑性树脂基复合材料和石墨/环氧树脂基复合材料的研究方面取得了很大进展 , 这些复合材料在低温下( - 53 ℃)仍保持韧性 ,只是对高温和高湿度环境比金属稍微敏感 ,波音公司和洛克希德公司正在推动石墨/热塑性树脂基复合材料的应用 ,与石墨/环氧树脂基复合材料相比 ,这种材料具有高的韧性和损伤裕度;另外石墨和炭黑也被用在掺杂高损物吸波涂料中 ,这类吸波涂料由导电纤维与高损物(如炭黑、陶瓷和粘土等)和树脂组成 ,其中导电纤维的长度是雷达波波长的一半 ,高损物的厚度最好是雷达波波长1/ 4的奇数倍。石墨、乙炔炭黑作为高温吸收剂的缺点是高温抗氧化性差。

2. 2 　碳纤维吸收剂

    碳纤维电阻率较低约 10 - 2Ω· cm ,是雷达波的强反射体 ,只有经过特殊处理的碳纤维才具有一定的吸波性能。通过调节碳纤维的电阻率可以使其具有吸波功能 ,调节碳纤维电阻率使其具备吸波性能的方法有多种 ,如把碳纤维横截面做成三角形或有棱角的方形 ,对其进行表面改性 ,在其表面涂覆含有电磁损耗物质的树脂 ,沉积一层微小空穴的碳粉 ,喷涂镍或经氟化物处理等,都能大大提高碳纤维的吸波性能。碳纤维与玻璃纤维、 SiC 纤维混合使用吸波性能较好,能在宽频范围内有效衰减雷达波。碳/碳复合材料也可以制成吸波材料 ,美国威廉斯国际公司研制的碳/碳复合材料适用于高温部位 ,能很好地抑制红外辐射并吸收雷达波 ,还可制成机翼前缘、机头和机尾。特殊碳纤维增强的碳/热塑性树脂基复合材料具有极好的吸波性能 ,能够使频率为0. 1 MHz～50 GHz 的脉冲大幅度衰减 ,现在已用于先进战斗机 (ATF) 的机身和机翼 ,其型号为 APC(HTX) 。另外 APC— 2 是 Calion G40— 700 碳纤维与PEEK复丝混杂纱单向增强的品级 ,特别适宜制造直升机旋翼和导弹壳体 ,美国隐身直升机LHX已经采用此种复合材料。

2. 3 　碳化硅吸收剂

    碳化硅是制作多波段高温吸波材料的主要组分 ,很有应用前景 ,是国外发展最快的吸波材料之一。这里对碳化硅吸收剂的研究作较为详细的介绍。

2. 3. 1 　碳化硅的基本性质

    碳化硅的电阻率介于金属与半导体之间 ,属杂质型半导体。 α- 碳化硅单晶的电阻率为 109Ω· cm～1010Ω· cm , β- 碳化硅单晶的电阻率 > 106Ω· cm。碳化硅的导电类型和电阻率值可以通过B、 P、 Al、 Si、O以及退火和中子或电子辐照等方法来调整。 β-碳化硅的本征电导输出开始于 900 ℃,而α- 碳化硅则开始于1 200℃。 β- 碳化硅吸波性能优于α-碳化硅 ,作为吸收剂应用的是β- 碳化硅。

2. 3. 2 　碳化硅吸收剂的研究

    碳化硅吸收剂具有密度小、耐高温性能好、吸收频带宽的特点 ,但吸收效率不是很高。国内外在这方面已开展了多方面的研究 ,常规制备的碳化硅并不能作为雷达波吸收剂 ,必须对其作进一步的处理 ,其目的就是要控制碳化硅的电导率 ,使其具有吸波性能,可采取以下两种方法:提高 SiC的纯度和对其进行有控制地掺杂。日本利用纯度极高的原料 ,制得几乎不含任何杂质的 SiC 粉体 ,该 SiC 粉具有很宽的吸波频带和很高的吸波性能 ,该方法的缺点是纯度极高的原料难以获得 ,成本高。前苏联利用掺杂的方法研究了 SiC的吸波性能。

2. 3. 2. 1 　碳化硅纤维吸收剂

    碳化硅纤维不仅吸波特性好,而且具有耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高等优点 ,是国外发展最快的吸波材料之一。但是一般的 SiC纤维的电阻率分布在 100Ω· cm～104Ω· cm 的范围内变化 ,SiC纤维必需经过适当的处理 ,调整其电阻率在101

Ω· cm～103Ω· cm 范围内才具备较好的吸波效果。一般采用高温处理法[7 ]或掺杂异元素法[8 ,9 ]来调节其电阻率 ,SiC 纤维在不同热处理温度和时间条件下 ,通过控制工艺参数 ,可以对其显微结构和电磁参数进行控制。

    研究表明 ,Nicalon - SiC纤维中 Si、 O、 C的摩尔比为3∶ 1∶ 4 ,C有一定的过剩。三种元素以 SiO2、 SiC和C的形式存在 ,SiC约占 65 % ,SiO2 约 15 % ,其余为自由碳。由于存在 SiC 和 C ,所以碳化硅纤维具有一定的电导率 ,且随着热处理温度的升高 ,纤维的电导率升高。当碳化硅纤维的电阻率在 101Ω·cm～103Ω· cm时 ,吸收雷达波的效果最好。

2. 3. 2. 2　纳米 SiC粉体吸收剂的研究和发展

    单纯纳米 SiC并不能够吸收雷达波 ,同样需要对其进行一定的掺杂 ,以提高 SiC的电导率 ,通常在SiC中能够进行掺杂的元素有B、 P、 N等。

    西北工业大学通过对纳米 SiC 进行掺杂 ,得到了纳米 Si/ C/ N 吸收剂 ,具有很好的吸波性能。Si/C/ N纳米吸收剂能够吸波的主要原因是在吸收剂中形成的 SiC晶格中固溶了 N 原子 ,固溶的 N 原子在晶格中取代 C原子的位置形成晶格缺陷。在正常的 SiC晶格中 ,每一个碳原子分别与周围四个相邻的硅原子以共价键相连接 ,同样每一个硅原子也与周围的四个碳原子分别形成共价键。当氮原子取代碳原子进入 SiC中后 ,由于N只有三价 ,只能与三个 Si 原子成键 ,而另外的一个硅原子将剩余一个不能成键的价电子 ,形成一个带负电的缺陷。由于原子的热运动 ,这个电子可以在 N 原子周围的四个硅原子上运动 ,从一个硅原子上跃迁到另一个硅原子上 ,在跃迁过程中要克服一定的势垒 ,但不能脱离这四个硅原子组成的小区域 ,因此 ,这个电子也可以称为“准自由电子”。在电磁场中 ,这种“准自由电子”的位置随着电磁场的方向而变化 ,导致电子位移 ,“准自由电子”从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置 ,要克服一定的势垒 ,从而运动滞后于电场 ,出现强烈的极化弛豫 ,这种极化弛豫是损耗电磁波能量的主要原因。这种纳米 Si/ C/ N 吸收剂具有以下优点。

(1)吸收剂介电性能可调 ,可以控制的范围为ε ′ :1～32 ,ε ″ :0～25 ,ε ″ /ε ′ :0～2。

(2)高温稳定 ,吸收剂在 700 ℃高温下热处理 10h ,微观结构和性能无任何变化。

(3)使用温度范围宽 ,在室温和高温均可使用 ,最高使用温度可达1 000℃。

(4)高温反射率稳定 ,经实际测试 ,吸波材料在300 ℃、 500 ℃、 700 ℃时的反射率曲线与室温时的反射率曲线几乎完全一致 ,反射率随温度的变化很小。

(5)吸收剂用量少 ,在基体中掺入 3 %～10 %(质量分数)的吸收剂即可达到好的吸波效果。

(6)介电常