复合材料吸波隐身材料

作者:磁晶吸波材料来源:www.magtronics.com.cn日期:2019-4-30 16:40:07人气:142
    实现目标隐身技术的方法主要是外形隐身技术和材料隐身技术。材料隐身技术因具有简单易行等优点,在隐身技术中占有重要的地位。隐身材料按其应用形式可分为结构型隐身材料和涂敷型隐身材料。

    吸波复合材料一般要求具备以下特性:

    (1)厚度薄要求在隐身的电磁波频带内,使入射电磁波在尽可能薄的吸波复合材料中被快速损耗吸收。材料损耗吸收的高低一般由材料的磁损耗和电损耗决定。因此,研究中多从阻抗匹配和提高材料电磁参数两方面提高材料的吸收率,减薄涂层厚度。

    (2)频带宽要求衰减量≤10dB的频带尽可能宽。在足够宽的工作频带中,要求材料与空气有良好的匹配,使空气与材料界面间的总反射很小。这就要求材料有较好的频率特性,通过合理的设计,充分利用材料的性能。

    (3)质量轻要求单位面积吸波复合材料的面密度小、重量轻。

    (4)功能强要求吸波复合材料可以作吸波材料,又可以作结构材料,有高的力学性能及良好的环境适应性和理化性能。

    吸波复合材料按材料成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型。涂敷型吸波复合材料是将吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波复合涂层;而结构型吸波复合材料则通常是将吸收剂分散在由特种纤维(如石英纤维、玻璃纤维等)增强的复合材料中所形成的吸波性结构复合材料,它具备承载和吸收雷达波双重功能。

    作为目标特征信号控制用的吸波复合材料主要由吸收剂、基体(粘结剂)和助剂等组成。其中吸收剂的数量、性能及匹配是吸波材料中的重要环节,它提供吸波复合材料所需要的吸波性能;基体在吸波复合材料中起骨架作用,它提供吸收剂赖以起作用的载体;助剂则可以改进生产工艺,改善施工条件,提高产品质量,赋予吸波复合材料特殊功能。

    1.碳纤维吸波复合材料

    碳纤维结构吸波复合材料是一类多功能复合材料,具有承载和减小雷达反射截面的双重功能。碳纤维吸波复合材料具有高强度、高模量和质量轻的优点,不仅广泛应用于一般飞行器和导弹,在隐身兵器中也日益显露头角。美国已在B-2、F-117A等隐身飞机上大量采用了碳纤维结构吸波复合材料。

    高性能碳纤维的出现真正提供了可替代金属作为主承力构件的结构材料,也迎来了结构吸波材料迅速发展与应用的新时代。高性能碳纤维电阻率较低,约10-2Ω. Cm,是雷达波的强反射体。经高温处理的碳纤维的电导率,适合作为吸波材料的导电性反射材料和增强体。只有经过特殊处理的碳纤维才能吸收雷达波,调节碳纤维的电阻率,可以使其具有吸波功能。1982年日本专利报道了一种层压平板吸波复合材料,由50 %(体积分数)碳纤维和环氧树脂组成,厚度为3mm,密度为0.7g/crr13,背面为1mm的金属板,在8~12GHz范围内,反射衰减大于15dB。该技术的关键是采用一种吸波型特种碳纤维。有许多方法可以使碳纤维具有吸收雷达波的适宜的电阻率。降低碳纤维的碳化温度,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,在其表面涂敷有电磁损耗物质的树脂,沉积一层微小孔穴的碳粉,喷涂镍或经氮化物处理都能大大提高碳纤维的吸波性能。

    常见的碳纤维吸波复合材料有以下几种:①碳/碳吸波复合材料(简记为C/C)是一种优良的耐高温吸波材料,它由碳纤维骨架和碳基体组成,具有气化温度高、高温下线膨胀系数低、导热性好和强度随温度的升高而增大等特点,目前C/C吸波复合材料已用于远程导弹、火箭喷管及头锥和航天飞机机冀前线,能很好抑制红外辐射并吸收雷达波;②碳/热塑性树脂吸波复合材料具有极好的吸波性能,能使频率为0.1MHz~ 50GHz的脉冲大幅度衰减,碳纤维复合材料能吸收辐射热,而不反射辐射热,既能降低雷达波特征,又能降低红外线特征,用它可以制作发动机舱蒙皮、机翼前线以至机身前段;③碳纤维混杂吸波复合材料,是通过纤维之间一定的混杂比例和结构设计形式制造而成的满足特殊性能要求或综合性能较好的吸波复合材料。碳纤维的电阻率很低,SiC纤维的电阻率较高,吸波效果均不佳。将碳纤维和SiC纤维以不同比例,通过人工设计的方法,控制其电阻率,可制成耐高温、抗氧化,具有优异力学性能和良好吸波性能的复合材料。


    2.碳化硅纤维吸波复合材料

    碳化硅(SiC)系列纤维具有高强度.高模量、低热膨胀系数、电阻率可调节等特性和耐高温、直径小、易于编织等待点,是高性能复合材料的理想增强剂。SiC纤维既作为吸波剂,又可作为增强材料。由它与树脂基体制成复合成的电磁波吸收体,不仅具有很好的强度、耐热性、耐化学腐蚀性,而且更重要的是在8~ 16GHz频率范围内具有优良的电磁波吸收能力,克服了以往材料难以克服的缺点。由于目前军用雷达所用的频率通常为6~ 16GHz,因此这种电磁波吸收体应用于军用飞机或其他空中目标具有独特的隐身作用。


    3.纳米吸波复合材料

    纳米材料的特殊结构引起的量子尺寸效应和隧道效应等,导致它产生许多不同于常规材料的特殊性能。一方面,纳米微粒尺寸为1~ 100nm,远小于雷达发射的电磁波波长,因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多,这就大大减少了波的反射率,使得雷达接受到的反射信号变得很微弱,从而达到隐身的作用;另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规微粒大3~4个数量级,对电磁波和红外光波的吸收率也比常规材料大得多,探测物发射的红外光和雷达发射的电磁波被纳米粒子吸收,使得红外探测器和雷达很难探测到被探测目标。此外,随着颗粒的细化,颗粒的表面效应和量子尺寸效应变得突出,颗粒的界面极化和多重散射可成为重要的吸波机制,量子尺寸效应使纳米颗粒的电子能级发生分裂,其间隔正处于微波能量范围(10-2~ 10-5eV),从而形成新的吸波通道。纳米技术的迅速发展和纳米微粉优良的电磁吸波性能,使得纳米吸波复合材料成为国内外吸波复合材料研究的热点,纳米吸波复合材料已成为吸波复合材料研究发展中的一个重要新领域。
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