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吸波材料要实现良好的吸波性能必须具备两个条件: (1) 入射的电磁波要尽可能地进入吸波材料内部而不在其前表面被反射,即具有材料的阻抗匹配特性; (2) 材料要能将进入的电磁波迅速地吸收衰减掉,即材料还要具有对电磁波强吸收的特性。对单一组元的吸收体,阻抗匹配和强吸收两个要求常常会相互矛盾[ 1 ] ,而具有阻抗渐变结构的多层吸波体,通过阻抗匹配层的匹配作用,使空间入射来的电磁波尽可能多地进入吸波材料而被损耗吸收[ 2 ]采用多层结构设计可以使入射电磁波尽可能多地进入吸波涂层而被损耗吸收以改善吸波效果和展宽频带[ 3 ] 。在此之前国防科技大学采用在磁性金属微粉的雷达吸波涂层中引入导电纤维层,并且导电纤维层位于表层采用三层结构设计,在8～18GHz频率范围内反射率不大于- 10dB 的带宽达7GHz,本研究的雷达吸波涂料能够达到6～18GHz频率范围内反射率不大于- 10dB,采用的技术设想是使用多层结构设计,多层设计又分为阻抗渐变形和阻抗更迭结构,后者通常称为“陷阱”型。对于薄层材料设计多采用“陷阱”型结构,即在高介电常数、高磁导率的损耗层之间加入无损耗的低介电常数层,在损耗层之间形成多次反射和多次吸收,从而提高吸收率和展宽频带。本研究采用“陷阱”型结构进行电性能配方研究,首先选定几种吸收剂对其电磁参数进行测量,然后对测量效果较好的吸收剂使用电设计软件进行电性能设计,最终选定吸收剂进行电性能配方试验,同时对吸波涂料也进行了物理性能和耐环境试验。
1 试验过程
1. 1 测试方法及原料
(1)原材料
羰基铁粉,牌号A, B; 多羟基支化聚酯,牌号MX22325;甲苯二异氰酸酯,牌号TD I;环氧树脂,牌号0199;空心玻璃微球,牌号K1;助剂;有机溶剂。
(2)测试方法
电磁参数测量:把吸收剂和低介电常数物质掺和一起应用“波导法”使用HP8722ES矢量网络分析仪对吸收剂进行电磁参数测量。反射率测量:把吸波涂料涂敷在铝制平板上待涂层完全固化后,应用“弓形法”使用HP8757E标量网络分析仪对吸波涂层进行反射率测量。面密度测量:首先在试验前用天平称量试板的重量,待涂层完全固化后称量已涂敷涂料的试板重量,用两者的重量差除以试板的面积即得到涂料的面密度。
(3)反射率试样制备方法
准备180mm ×180mm ×(3～5)mm的铝制平板,根据多层复合吸波涂料各层材料与厚度的设计,将制成的吸波涂料搅拌均匀,然后分别按方案设计的厚度要求涂底、中、面层涂料在平板上。待涂层完全固化后按照GJB 2038 – 1994测试方法测量涂层反射率。
1. 2 吸波材料的吸波原理及结构设计
吸波涂层的吸收效果通常是以反射率的大小来表示,反射率越小,吸波效果越好[ 4～6 ] 。对于单层吸波材料,假定底板金属是理想导体,根据传输线理论,空气与吸波材料界面处的输入阻抗及吸波材料
的反射率可表示为:
式中, Zi —传输线的特性阻抗;μr —吸波材料的复磁导率; r—吸波材料的复介电常数; d—吸波材料的厚度;λ—自由空间中电磁波的波长; R —吸波材料的反射率; Z0 —空气的特性阻抗。
由式(1) 、式(2)可知,吸波材料的吸波效果与材料的复磁导率、复介电常数、厚度和电磁波的波长有关。采用单层材料很难达到宽频高吸波的目的[ 7 ] 。因此,我们考虑使用复合吸收剂和多层结构来解决这个问题。采用多层结构设计后,其可变参量增多,也就更容易达到可调参数的控制,可在厚度尽可能小的情况下达到宽频吸波的效果,接下来我们先测量几种吸收剂的电磁参数,了解μr 和εr ,然
后再合理进行电性能设计。
2 结果与讨论
2. 1 电性能设计
根据以上提到的材料吸波原理可知,吸收剂的电磁参数ε′,ε″,μ′和μ″对材料的吸波性能起到关键的作用,因此首先在电性能研究之前对A,B两种吸收剂以及K1玻璃微球进行电磁参数的测量,这样可以根据电磁参数的结果优化选择对电性能的设计有较大的帮助。吸收剂的电磁参数见表1～表4。
用吸波材料电设计软件,经过方案优化得出设计结果见图1。对应的方案见表5。
表5 材料各层厚度设计方案
由图1比较可见,底层为89%B时,性能优于底层为88%B 的反射率,材料厚度小于2. 2mm, 6 ～18GHz频率范围内反射率小于- 10dB,所以以底层为89%B展开试验研究。
经过试验验证配方后,发现确实底层为89%B时,性能优于底层为88%B 的反射率,反射率曲线如图2所示。
2. 2 底层厚度对电性能的影响
根据理论设计的吸波材料基本结构,多层复合吸波涂料分三层,底层设计为89%B,中间层选用15%的K1微球,面层用81%A。底层厚度分别为0. 6mm, 0. 8mm,中间层均为1. 1mm进行反射率试验,各层厚度见表6,反射率曲线见图3。由图3 可见底层厚度增加低频性能稍好,但反射率曲线中间段上升,底层厚度为0. 6mm的反射率和厚度均达到了良好的效果。
表6 底层变化试验多层复合吸波涂料各层厚度
2. 3 中间层厚度对电性能的影响
底层厚度为0. 6mm,适当增加中间层厚度进行反射率试验,方案见表7。试验结果见图4。由图4可见,适当增加中厚度反射率有提高,但总厚度会增加。
表7 中间层厚度变化试验各层厚度
图4 中间层厚度变化吸波涂层反射率
2. 4 面层厚度对电性能的影响
在先前确定底层厚度和中间层厚度的基础上,设计两个面层厚度0. 45mm和0. 55mm试验,反射率曲线如图5所示,从图5可知面层厚度变厚涂层的高频性能较差。
2. 5 三层复合吸波涂料反射率试验结果
以上讨论了底、中、面层厚度不同时对吸波涂层反射率的影响,根据上面的研究得到各层厚度的最佳匹配,试验方案见表8,测量反射率曲线见图6所示。
当厚度为2. 15mm,面密度为4. 5kg/m2 时反射率在6～18GHz频率范围内,小于- 10. 0dB。反射率曲线见图6。
表8 多层复合吸波涂料各层材料与厚度
2. 6 多层复合吸波涂料耐环境性能试验
为满足现实的海洋环境使用要求,对多层复合吸波涂层进行了耐高低温、耐人造海水、耐湿热、耐盐雾、人工加速老化试验。环境试验试板表面涂覆氯化橡胶船壳漆。
(1)高低温试验
按GJB 150. 5—1986测试高低温试验。在70℃高温保持48h,外观无变化;在- 55℃低温保持48h外观无变化;进行70℃至- 55℃温度交变试验,保温时间1h,温度转换时间10min,循环10个周期,外观无
变化,试验前涂层的附着力为7. 62MPa,试验后涂层的附着力为7. 19MPa,试验前后的反射率见图7。
(2) 耐海水试验
根据ASTM D1141—1998的配方配制人造海水进行耐海水试验。在人造海水中浸泡2000h后,反射率无明显变化,试验前涂层的附着力为5. 56MPa,试验后涂层的附着力为5. 41MPa,见图8。
(3)湿热试验
耐湿热性能按GJB 150. 9—1986 测定, 5 个周期(1个周期为24h)后,外观无变化,反射率满足要求,试验前涂层的附着力为4. 89MPa,试验后涂层的附着力为4. 77MPa,如图9所示。
(4)盐雾试验
按GB /T 1771—1991进行耐盐雾2000h后,涂层不起泡、不开裂、不脱落,反射率满足要求,试验前涂层的附着力为5. 93MPa,试验后涂层的附着力为5. 88MPa,具体的电性能如图10所示。
(5)人工加速老化试验
按GB /T 1865—1989进行人工加速老化2000h后,涂层外观无明显变化,反射率满足要求,试验前涂层的附着力为5. 16MPa,试验后涂层的附着力为4. 29MPa,具体的反射率如图11所示。
3 结 论
(1)本研究采用三层“陷阱”结构设计有效展宽吸波涂层的吸收频带,在6～18GHz频率范围内反射率不大于- 10dB,而厚度只有2. 15mm,面密度为4. 5kg/m2。
(2)研制的吸波涂料通过高低温、耐海水、耐湿热等耐环境性能试验,结果表明其耐环境性能优良,涂层在进行环境前后外观、反射率、和附着力无明显变化。
