文　摘：論述了常見的石墨、乙炔炭黑吸收劑、碳纖維和碳化硅高溫吸收劑的性能和應(yīng)用概況 ,重點(diǎn)論述了碳化硅纖維、納米碳化硅吸收劑處理方法和性能。綜述了高溫吸波材料的研究及應(yīng)用概況。
關(guān)鍵詞：高溫 ,吸收劑 ,吸波材料

 

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

    大力發(fā)展和應(yīng)用隱身技術(shù) ,提高現(xiàn)代武器系統(tǒng)的攻擊和生存能力 ,提高總體作戰(zhàn)效能 ,已成為各國(guó)軍事發(fā)展的重要組成部分。

    實(shí)現(xiàn)隱身的技術(shù)途徑主要有兩類:一是通過外形設(shè)計(jì)盡量減少雷達(dá)波散射截面,但因受到戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境條件的限制 ,進(jìn)行理想設(shè)計(jì)有相當(dāng)大的難度;二是應(yīng)用吸波材料(RAM) 。因研制吸波材料則較為容易 ,且易于實(shí)施 ,所以吸波材料研究成為隱身技術(shù)中的研究“熱點(diǎn)”。

    武器裝備需要隱身的部位按照工作溫度來劃分 ,可以分為常溫和高溫兩類。因?yàn)榻^大部分磁性吸收劑居里溫度較低 ,在高溫下失去磁性 ,從而失去吸波性能 ,因此磁性吸波材料一般只能用于武器常溫部位的隱身。武器高溫部位的隱身必須采用高溫吸波材料 ,一般為陶瓷吸波材料 ,其吸收劑為陶瓷吸收劑。由于高溫吸波材料僅僅依靠材料的電損耗來吸收電磁波 ,故其吸波效率遠(yuǎn)低于磁性吸波材料 ,這就要求高溫吸波材料具有較大的厚度。

 

2 　耐高溫吸收劑

    吸收劑是吸波材料中起關(guān)鍵作用的組成部分,吸波材料主要靠吸收劑來吸收和衰減雷達(dá)波。要制備性能優(yōu)異的吸波材料 ,首先必須研制質(zhì)輕、吸收頻帶寬、對(duì)雷達(dá)波具有強(qiáng)吸收的吸收劑 ,因此高溫吸收劑是高溫吸波材料研究的關(guān)鍵。與磁性吸收劑相比 ,介電常數(shù)控制是高溫吸收劑研究的重點(diǎn)和難點(diǎn) ,而介電常數(shù)的頻散效應(yīng)的控制則是寬頻帶吸收所必須追求的目標(biāo)。

    國(guó)內(nèi)外研究的高溫吸收劑主要有以下幾種類型。

2. 1 　石墨、乙炔炭黑吸收劑

    乙炔炭黑屬介電型吸收劑 , 由于其粒徑為納米級(jí) ,不僅能吸收電磁波 ,還能有效抑制紅外輻射;石墨在二戰(zhàn)期間就被用來充填在飛機(jī)蒙皮的夾層中吸收雷達(dá)波 ,由于其密度低 ,也常被用來充填在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中。導(dǎo)電炭黑還被用來與高分子材料復(fù)合 ,以調(diào)節(jié)高分子復(fù)合材料的導(dǎo)電率 ,達(dá)到吸波效果。石墨已經(jīng)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)吸波材料 , 美國(guó)在石墨/熱塑性樹脂基復(fù)合材料和石墨/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的研究方面取得了很大進(jìn)展 , 這些復(fù)合材料在低溫下( - 53 ℃)仍保持韌性 ,只是對(duì)高溫和高濕度環(huán)境比金屬稍微敏感 ,波音公司和洛克希德公司正在推動(dòng)石墨/熱塑性樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用 ,與石墨/環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料相比 ,這種材料具有高的韌性和損傷裕度;另外石墨和炭黑也被用在摻雜高損物吸波涂料中 ,這類吸波涂料由導(dǎo)電纖維與高損物(如炭黑、陶瓷和粘土等)和樹脂組成 ,其中導(dǎo)電纖維的長(zhǎng)度是雷達(dá)波波長(zhǎng)的一半 ,高損物的厚度最好是雷達(dá)波波長(zhǎng)1/ 4的奇數(shù)倍。石墨、乙炔炭黑作為高溫吸收劑的缺點(diǎn)是高溫抗氧化性差。

2. 2 　碳纖維吸收劑

    碳纖維電阻率較低約 10 - 2Ω· cm ,是雷達(dá)波的強(qiáng)反射體 ,只有經(jīng)過特殊處理的碳纖維才具有一定的吸波性能。通過調(diào)節(jié)碳纖維的電阻率可以使其具有吸波功能 ,調(diào)節(jié)碳纖維電阻率使其具備吸波性能的方法有多種 ,如把碳纖維橫截面做成三角形或有棱角的方形 ,對(duì)其進(jìn)行表面改性 ,在其表面涂覆含有電磁損耗物質(zhì)的樹脂 ,沉積一層微小空穴的碳粉 ,噴涂鎳或經(jīng)氟化物處理等,都能大大提高碳纖維的吸波性能。碳纖維與玻璃纖維、 SiC 纖維混合使用吸波性能較好,能在寬頻范圍內(nèi)有效衰減雷達(dá)波。碳/碳復(fù)合材料也可以制成吸波材料 ,美國(guó)威廉斯國(guó)際公司研制的碳/碳復(fù)合材料適用于高溫部位 ,能很好地抑制紅外輻射并吸收雷達(dá)波 ,還可制成機(jī)翼前緣、機(jī)頭和機(jī)尾。特殊碳纖維增強(qiáng)的碳/熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有極好的吸波性能 ,能夠使頻率為0. 1 MHz～50 GHz 的脈沖大幅度衰減 ,現(xiàn)在已用于先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī) (ATF) 的機(jī)身和機(jī)翼 ,其型號(hào)為 APC(HTX) 。另外 APC— 2 是 Calion G40— 700 碳纖維與PEEK復(fù)絲混雜紗單向增強(qiáng)的品級(jí) ,特別適宜制造直升機(jī)旋翼和導(dǎo)彈殼體 ,美國(guó)隱身直升機(jī)LHX已經(jīng)采用此種復(fù)合材料。

2. 3 　碳化硅吸收劑

    碳化硅是制作多波段高溫吸波材料的主要組分 ,很有應(yīng)用前景 ,是國(guó)外發(fā)展最快的吸波材料之一。這里對(duì)碳化硅吸收劑的研究作較為詳細(xì)的介紹。

2. 3. 1 　碳化硅的基本性質(zhì)

    碳化硅的電阻率介于金屬與半導(dǎo)體之間 ,屬雜質(zhì)型半導(dǎo)體。 α- 碳化硅單晶的電阻率為 109Ω· cm～1010Ω· cm , β- 碳化硅單晶的電阻率 > 106Ω· cm。碳化硅的導(dǎo)電類型和電阻率值可以通過B、 P、 Al、 Si、O以及退火和中子或電子輻照等方法來調(diào)整。 β-碳化硅的本征電導(dǎo)輸出開始于 900 ℃,而α- 碳化硅則開始于1 200℃。 β- 碳化硅吸波性能優(yōu)于α-碳化硅 ,作為吸收劑應(yīng)用的是β- 碳化硅。

2. 3. 2 　碳化硅吸收劑的研究

    碳化硅吸收劑具有密度小、耐高溫性能好、吸收頻帶寬的特點(diǎn) ,但吸收效率不是很高。國(guó)內(nèi)外在這方面已開展了多方面的研究 ,常規(guī)制備的碳化硅并不能作為雷達(dá)波吸收劑 ,必須對(duì)其作進(jìn)一步的處理 ,其目的就是要控制碳化硅的電導(dǎo)率 ,使其具有吸波性能,可采取以下兩種方法:提高 SiC的純度和對(duì)其進(jìn)行有控制地?fù)诫s。日本利用純度極高的原料 ,制得幾乎不含任何雜質(zhì)的 SiC 粉體 ,該 SiC 粉具有很寬的吸波頻帶和很高的吸波性能 ,該方法的缺點(diǎn)是純度極高的原料難以獲得 ,成本高。前蘇聯(lián)利用摻雜的方法研究了 SiC的吸波性能。

2. 3. 2. 1 　碳化硅纖維吸收劑

    碳化硅纖維不僅吸波特性好,而且具有耐高溫、相對(duì)密度小、韌性好、強(qiáng)度大、電阻率高等優(yōu)點(diǎn) ,是國(guó)外發(fā)展最快的吸波材料之一。但是一般的 SiC纖維的電阻率分布在 100Ω· cm～104Ω· cm 的范圍內(nèi)變化 ,SiC纖維必需經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?,調(diào)整其電阻率在101

Ω· cm～103Ω· cm 范圍內(nèi)才具備較好的吸波效果。一般采用高溫處理法[7 ]或摻雜異元素法[8 ,9 ]來調(diào)節(jié)其電阻率 ,SiC 纖維在不同熱處理溫度和時(shí)間條件下 ,通過控制工藝參數(shù) ,可以對(duì)其顯微結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)進(jìn)行控制。

    研究表明 ,Nicalon - SiC纖維中 Si、 O、 C的摩爾比為3∶ 1∶ 4 ,C有一定的過剩。三種元素以 SiO2、 SiC和C的形式存在 ,SiC約占 65 % ,SiO2 約 15 % ,其余為自由碳。由于存在 SiC 和 C ,所以碳化硅纖維具有一定的電導(dǎo)率 ,且隨著熱處理溫度的升高 ,纖維的電導(dǎo)率升高。當(dāng)碳化硅纖維的電阻率在 101Ω·cm～103Ω· cm時(shí) ,吸收雷達(dá)波的效果最好。

2. 3. 2. 2　納米 SiC粉體吸收劑的研究和發(fā)展

    單純納米 SiC并不能夠吸收雷達(dá)波 ,同樣需要對(duì)其進(jìn)行一定的摻雜 ,以提高 SiC的電導(dǎo)率 ,通常在SiC中能夠進(jìn)行摻雜的元素有B、 P、 N等。

    西北工業(yè)大學(xué)通過對(duì)納米 SiC 進(jìn)行摻雜 ,得到了納米 Si/ C/ N 吸收劑 ,具有很好的吸波性能。Si/C/ N納米吸收劑能夠吸波的主要原因是在吸收劑中形成的 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 ,每一個(gè)碳原子分別與周圍四個(gè)相鄰的硅原子以共價(jià)鍵相連接 ,同樣每一個(gè)硅原子也與周圍的四個(gè)碳原子分別形成共價(jià)鍵。當(dāng)?shù)尤〈荚舆M(jìn)入 SiC中后 ,由于N只有三價(jià) ,只能與三個(gè) Si 原子成鍵 ,而另外的一個(gè)硅原子將剩余一個(gè)不能成鍵的價(jià)電子 ,形成一個(gè)帶負(fù)電的缺陷。由于原子的熱運(yùn)動(dòng) ,這個(gè)電子可以在 N 原子周圍的四個(gè)硅原子上運(yùn)動(dòng) ,從一個(gè)硅原子上躍遷到另一個(gè)硅原子上 ,在躍遷過程中要克服一定的勢(shì)壘 ,但不能脫離這四個(gè)硅原子組成的小區(qū)域 ,因此 ,這個(gè)電子也可以稱為“準(zhǔn)自由電子”。在電磁場(chǎng)中 ,這種“準(zhǔn)自由電子”的位置隨著電磁場(chǎng)的方向而變化 ,導(dǎo)致電子位移 ,“準(zhǔn)自由電子”從一個(gè)平衡位置躍遷到另一個(gè)平衡位置 ,要克服一定的勢(shì)壘 ,從而運(yùn)動(dòng)滯后于電場(chǎng) ,出現(xiàn)強(qiáng)烈的極化弛豫 ,這種極化弛豫是損耗電磁波能量的主要原因。這種納米 Si/ C/ N 吸收劑具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)吸收劑介電性能可調(diào) ,可以控制的范圍為ε ′ :1～32 ,ε ″ :0～25 ,ε ″ /ε ′ :0～2。

(2)高溫穩(wěn)定 ,吸收劑在 700 ℃高溫下熱處理 10h ,微觀結(jié)構(gòu)和性能無任何變化。

(3)使用溫度范圍寬 ,在室溫和高溫均可使用 ,最高使用溫度可達(dá)1 000℃。

(4)高溫反射率穩(wěn)定 ,經(jīng)實(shí)際測(cè)試 ,吸波材料在300 ℃、 500 ℃、 700 ℃時(shí)的反射率曲線與室溫時(shí)的反射率曲線幾乎完全一致 ,反射率隨溫度的變化很小。

(5)吸收劑用量少 ,在基體中摻入 3 %～10 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的吸收劑即可達(dá)到好的吸波效果。

(6)介電常