新型吸波材料研究动态

第10卷第2期 2002年6月 材料科学与工艺 MATERIALSSCIENCE＆TECHNOLOGY VoLl0No．2 J¨n2002 新型吸波材料研究动态 赵九蓬1，李矗2，吴佩莲3 (1．哈尔湃工业大学应用化学系，黑龙江哈尔滨150001；2．哈尔滨工业大学复合材料研究所，黑龙江哈尔滨150001 3哈尔滨工业大学 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 测试中一“黑龙江哈尔滨150001) 摘要：综述了目前国内外新型吸渡材料的研究动态．介绍了吸渡材料的吸渡原理和新型吸波材料．包括吸渡涂层材料 如铁氧体、纳米吸波材料、手性材料、雷达红外兼容吸渡材料、等离子体吸波材料及结构型吸滤材料的最新研究现状． 关t词：吸渡材料；吸波涂层；结构型 中田分类号：TB34文黛标识珥：A文童■号：1005-．0299f2002)02_0：219-0b Recentdevelopmentsofstudiesonnewelectromagnetic waveabsorbingmaterials ZHAOJiu-pen91．LIYa02，WUPei-lian3 (i．Dapt．ofAppliedChemisty。HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001．China；2．CenterforCompositeMaterials，Harbin InstituteofTechnoMgy,Harbin150001，China；3．AnalysisandMeasurementcemer．HarbinInstituteofTeehnoJogy，Harbin 150001，China) Abstract：Recentdevelopmentsinthestudyoilnewmicrowaveabsorbingmaterialsissummarized．The principlesofwareabsorptionandsomenewabsorbingmaterials，includingabsorbingcoating，ferritematerials nanomaterials，chiralmaterial，radarandinfraredabsorbingmaterials，plasmamaterialandstructural absorbingmaterialsaMintroduced． Keywords：electromagneticabsorbingmaterials；absorbingcoating；structuralabsorbingmaterials 吸渡材料是能吸收投射到它表面的电磁渡能 量，并通过材料的损耗转变为热能的一类材料．工 程应用上除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波 具有高的吸收率外，尚要求材料具有重量轻、耐 温、耐湿、抗腐蚀等性能．早在二次世界大战期间， 美、英、德等国出于军事目的，针对雷达电子侦察 和反侦察，开始对电磁波吸波材料进行了大量的 探索工作．美国于609代开始把吸渡材料应用于 空军的F一14、F-15和F一18等几种战斗机上”l，即 “隐形”飞机技术．80年代美国政府投资25亿美元 从事这一课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 研究．由于海湾战争中F117隐形飞 收藕日期：2001-03-16 基童项且：略尔滨工业大学校基金(HIT．200043)，黑龙江省自 然科学基金和航天科技创新基盒项目资眦哽目． 作者筒介：赵九蓬(1973一)，女．博士，讲师． 机成功的轰动效应，世界各国投巨资加大对吸渡 材料研究的力度．现在，吸波材料的应用已远远超 出军事隐形和反隐形、对抗和反对抗范围，更广泛 地应用在人体安全防护、微波暗室消除设备、通讯 及导航系统的电磁干扰、安全信息保密、改善整机 性能、提高信噪比、电磁兼容，以及波导或同轴吸 收元件等许多方面”． 目前，电磁波吸收材料依其成型工艺和承载 能力可分为涂层型和结构型吸波材料两大类．涂 层型吸波材料因其工艺简单，使用方便，容易调节 而受到重视卜”；结构型吸波材料具有承载和减小 电磁波反射双重功能，已得到广泛应用⋯。∞． 1吸波材料的吸波原理 对于单层吸渡涂层，假定底板金属是理想导 万方数据 材料科学与工艺 第10卷 体，根据传输线理论，空气与涂层界面处的输入阻 抗为⋯1 z=叩th(yd)． 式中：”=、／等=、／岂专够：、／等= 、／器_1a喊=卅一⋯6。=p"’分别 是涂层介质的电损耗和磁损耗的正切；y是电磁 波在涂层中的传播常数，且有 3／=d+j卢_j山、厂五■F／c． 式中：Ⅱ为衰减常数，卢为相位常数，m为角频率， c为光速，肛，s为涂层的磁导率和介电常数． 根据传输线碑!论，在窀气与涂层的界面上，当 电磁波由空气向涂层作垂直入射时，它的电压反 射系数由下式表示： 止篪=料， (1) Z=ziz* 式中：Z0为空气的特性阻抗，五为涂层的归一化输 入阻抗以分91表示的功率反射率为 R=2019JTl． (2) 要使吸波涂层获得所希望的宽带，采用较薄 的单层材料是很难实现的．为了使入射波尽可能 多地进入涂层和电磁能尽可能多地转化为热能， 设计了多层吸波涂层 假定金属是理想导体，对于垂直入射的电磁 波，第F／,层人射面输入阻抗为 五1+1。th(Ynd．) ““叩。+互一．th("Yno 式中：田。为第n层吸收层的特性阻抗，／／,为层数 (n=l，2，3⋯)；7。为第n层的传播常数；d．为第n 层的厚度；2二，为第n一1层人射面的输人阻抗．且有 "、／譬辫 旧孚Ⅵ刀面而碉 式中√为频率． 金属底板的输入阻抗为0，最外层的输入阻抗 可“通过叠代得出，这样就可以由公式(1)、(2) 算出多层吸波涂层的电压反射系数和以分贝为单 位的功率反射率． 2吸波材料的研究动态 近年来．国内外学者在研究并改进传统吸波 材料的同时，进行了卓有成效的新材料的探索，重 点研究和应用吸波材料主要集中在以下几个方面． 2．1吸波涂层材料 吸波涂层作为最有效的雷达隐身手段之一， 越来越受到重视．对实用吸波涂层的要求是薄、 轻、宽”5‘”．薄即厚度薄，轻即质量轻，宽即吸收频 带宽．吸波涂层的作用是吸收入射的电磁波，并将 电磁能转换成热能损耗掉．对于雷达吸波涂层．在 使用I：常要求吸波材料在一定频率范围内(如8～ 18GHz)对雷达波强烈的吸收，理想的情况是全 吸收，即反射系数为零．涂层型吸波材料可以分为 下面几类． 2．11铁氧体吸波材料 铁氧体吸波材料是研究较多而且比较成熟的 吸波材料，由于在高频下有较高的磁导率，而且电 阻率也较大，电磁波易于进入并快速衰减，被广泛 地应用在雷达吸波材料领域中9”1． 与磁性金属粉相比，铁氧体材料具有较好的 频率特性，其相对磁导率较大，且相对介电常数较 小，适合制作匹配层，在低频拓宽频带方面具有良 好的应用前景．主要缺点是密度较大、温度稳定性 较差．为此．各国研究人员期望通过调整材料本身 的化学组成、粒径及其分布、粒子形貌及分散技术 等提高损耗特性和降低密度． 铁氧体吸波材料通常分为尖晶石型铁氧体与 六角晶系铁氧体两种类型，其中尖晶石型铁氧体 应用的历史很长，但尖晶石型铁氧体的电磁参数 (介电常数和磁导率)都比较小，而且难以满足相 对介电常数和相对磁导率尽可能接近的原则，因 此单一铁氧体材料难以满足吸收频带宽、厚度薄 和面密度小的要求．但把铁氧体粉末分散到磁性 微粒中而制成的复合铁氧体材料，可通过铁氧体 粉体的粒径、组成等来控制其电磁参数． 近期的研究工作更多的集中在六角晶系铁氧 体材料”“．目前对钡系M、W型六角晶系铁氧体 材料的研究开展较多．国内铁氧体吸波材料的水 平在8-18GH濒率范围内，全频段吸收率为10dB， 面密度约5kg／m2，厚度约2mm．日本在研制铁氧 体吸波材料方面处于世界领先地位，研制出一种 F“阻抗变换层和低阻抗谐振层组成的双层结构宽 频高效吸波涂料，可吸收1-2GHz的雷达波+吸收 率为20dB，这是迄今为止最好的吸波涂料． 212纳米吸波涂层材料 纳米材料具有极好的吸波特性，同时具有宽 频带、兼容性好、质量好和厚度薄等特点，美、俄、 法、德、日等国都把纳米材料作为新一代吸波材料 加以研究和探索‘”9． 由于纳米材料的特殊结构引起的量子尺寸效 万方数据 第2期 赵九蓬．等：新型吸渡材料研究动态 应和隧道效应等，导致它产生许多不同于常规材 料的特异性能．一方面，巾于纳米微粒尺寸为l～ 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粗粉大 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，被探测物发射的红外光和雷 达发射的电磁渡被纳米粒子吸收，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—1o。eV)，从而导致新的吸波通道． 纳米材料对电磁波的透射率及吸收率比微米 级粉体要大得多．美国研制出的“超黑粉”纳米吸 波材料，对雷达波的吸收率大于99％．磁性纳米颗 粒、纳米颗粒膜和多层膜是纳米材料用作隐身材 料的主要形式．法国科学家最近研制出纳米CoNi 超微吸波材料，在1-8GHz频率范围内磁导率的 实部(／x7)和虚部(p“)均大于6，大大超过金属 微粉磁导率理论极值3的限制． 2．1．3多晶铁纤维吸波涂料 新型的多晶铁纤维吸收剂是一种质轻的磁性 雷达波吸收剂。一，这种多晶铁纤维为羰基铁单 丝，直径为l一5pm，长度为50-500pITI，纤维密 度低．结构为各向同性或各向异性．研究表明：多 晶铁纤维吸波材料具有吸收频带宽、密度小、吸收 性能高等优点．中国正大力开展多晶铁纤维吸波 材料的研究，即将磁性纤维用于雷达吸波材料中 这种材料是通过涡流损耗等多种机制损耗电磁波 能量，因而可以实现宽频带高吸收，而且可比一般 吸波涂料减重40％--60％，克服r大多数磁性吸收 剂存在的严重缺点． 2．1．4手性吸波涂料 手性是指一种物质与其镜像不存在几何对称 性．且不能通过任何操作使其与镜像重合手性吸 波涂料是近年来开发的新型吸波材料．自1987年 美国宾州大学研究人员首次提出“手征性具有用 于宽频带吸波材料的可能性”以来，手性吸波材 料在国外受到广泛重视[40—403．90年代初国内将手 性吸波材料附于金属表面的试验结果表明：它与 一般吸波材料相比，具有吸波频率高、吸收频带宽 的优点，并可通过调节旋波参量来改善吸波特性． 在提高吸收性能、扩展吸波带宽方面具有很大潜 能．美国、法国和俄罗斯非常重视手性材料的研 究，在微观机理研究方面取得较大进展，并通过实 验证实了旋波特性． 2．1．5导电高聚物吸波涂料 这类吸波材料利用某些高聚物具有共轭电子 的线形或平面形构型与高分子电荷转移给络合物 的作用，设计高聚物的导电结构，实现阻抗匹配和 电磁损耗．目前，研究具有微波电、磁损耗性能的 有机高聚物越来越引起世界各国的重视 法国 LanYent、Olmedo等人研究的聚吡咯、聚苯胺、聚一 3一辛基噻吩在3crfl波段内均有8dB以上的吸收 率美国Carnegie—Mellon大学用视黄基席夫碱 (RetimylShifflasSalts)制成的吸波涂层可使目标 的RCS减缩80％，而比重只有铁氧体的10％M．罔 内研制出一种透明吸波材料，就是一种能导电的 高分子聚合物苯胺和氰酸盐晶须的混合物，悬浮 在聚胺脂或其他聚合物基体中，这种材料可以喷 涂，也可以与复合材料组成层台材料．这种涂层的 特点是吸波剂在涂层内分布均匀，改变了传统吸 波材料涂层组分分布不均匀的缺点，因此不必增 加厚度来提高频带宽度，并且工艺简单，只要采 用改进的喷枪就可以在飞机任何部位(包括机 头、尾翼以及铆钉、接缝等处)实施喷涂，特别适 合对老飞机的隐身改装，此外这种吸波涂层是光 学透明的，适合座舱盖及夜视红外装置电磁窗r丁 的隐藏． 2．1．6可见光、红外及雷达兼容吸波材料 随着雷达隐身问题的逐步解决，可见光及红 外隐身的问题逐渐突出，雷达波、红外波、可见光 是处于不同波段的电磁波，如何使涂层在几个波 段彼此兼容，将是今后研究的主要方向之一， 国外先进的多功能隐身材料在可见光、近红 外、远红外、8min和3mm五波段一体化方面取得 较大进展”“1美国研制的多功能吸波涂层在毫 米波30-100kHz的吸收率为10-15dB．中红外 3～5pin辐射率为0．6-0．95，可见光的光谱特性与 背景基本一致．德国研制的半导体多功能隐身材 料在可见光范围有低反射率，在红外波段有低辐 射率，在毫米波段有高吸收率．这种涂层可同时对 抗可见光、近红外线、激光、热红外和雷达的威胁． 兼容型的吸波材料现均为多层结构Deisenroth提 出的一种由反热红外探测的面漆加反雷达探测的 底漆构成的隐身材料就是一个简单而典型示范的 例子．国外还有一种形式类似但结构更为复杂的7 层复合材料．研制这类多频段兼容隐身材料的关 万方数据 材料科学与1：艺 第10卷 键是使表层材料具有良好的频率选择特性．在雷 达吸波材料的上面涂敷一层红外涂料，在一定的 厚度范围内，可以同时兼顾两种性能，且雷达波吸 收性能基本保持不变，只是随红外涂层厚度增加， 谐振峰向低频平移，同时也能保证原涂层的红外 辐射性能不变． 目前国内在积极地进行红外隐身涂料的研 究．有资料透露，在雷达隐身材料上用阴极雾化法 沉积上一层几个到几千微米厚的陶瓷金属，可使 3～5／．tm及8-12肛m的红外发射系数小于0．4．为 最大限度降低雷达隐身材料的红外发射率．还可 采用二维光栅，它是一种厚度极小的金属膜，红外 发射系数小于0．2．这种二维光栅可以引入复合材 料结构中，以确保机体既有高的吸波水平，又有相 当低的红外发射系数． 21．7等离子体隐身技术 等离子体隐身技术是60年代就开始探索，近 几年才有新的发展的新兴隐身手段，它是通过一 些技术途径在飞行器表面形成等离子体，利用等 离子体对雷达渡的吸收、损耗作用来达到减少飞 行器RCS的目的．这种技术具有很多优点：吸波频 带宽、吸收率高、隐身效果好、使用简便、使用时间 长、价格便宜等[52-561． 图l为飞机等离子体涂料隐身的示意图．涂料 以钋一210、锔一242、锶-90等放射性同位素为原 料，在飞行器飞行过程中放射出强射线，高能粒子 促使空气电离形成等离子体层，其吸收性能在1— 20GHz范围内衰减可达17dB． 俄罗斯克尔德什研究中心专家研制出的新 的飞机等离子体隐身技术在不需要改变飞机外形 进气口 雷达渡束 图1飞机等离子体涂料隐身示意图 Fig1 Schematicdiagramofplasmastealthcoatingofairplane 结构的情况下，可使飞机被雷达发现的概率几乎 为零．这种技术完全不同于美国“降低识别特 征”的隐形技术，能够确保被保护目标完全隐蔽， 而且价格相当便宜． 2．2结构型吸波材料 结构型吸波材料是在先进复合材料基础上发 展起来的双功能复合材料，它既能吸波，又能承 载，具有频带宽、效率高、不增加消极重量等优点， 是吸波材料研究和应用的主要方向．目前结构型 吸波材料主要有两大类：层压平板型结构吸波复 合材料和蜂窝夹层(芯)型结构吸波复合材料”． 美、俄、法等国已经将结构吸波材料用于作战 飞机、导弹和舰艇．如在B-2和F-22飞机上采用了 结构型吸波材料．它由具有不同电磁特性和力学 性能的树脂基体、增强纤维、吸收剂和特种蜂窝芯 材所组成．该结构的最外层具有良好的透波性能， 而底层为全反射层，以阻止雷达波束进入机(弹) 体内部，中间层即为经过精心的阻抗匹配设计的 吸收损耗层，包括特种蜂窝芯材，在蜂窝孔格中可 以填充吸波材料，对雷达波起到“透”、“吸”、 “散”的作用．该结构型吸波材料能吸收较宽频带 的雷达波，同时具有良好的力学性能，是一种多功 能材料．结构吸波材料正向着红外与雷达隐身兼 容及多功能、宽频带方向发展． 由于结构型吸波材料兼备结构和吸波的功 能，其原材料筛选、结构设计、性能保证都有较大 难度．此外，智能吸波材料与结构也逐渐得到重视 和发展． 3结语 综上所述，国内外在吸波材料的研究方面目 前，还存在频带窄、效率低、密度大等缺点，应用范 围受到一定限制．发展兼容型吸波材料，即能兼容 米波、厘米波、毫米波及红外激光等多波段的吸波 材料，拓宽吸波波段，是今后研究的方向之一．结 构型吸波材料既能承载、又能吸波，并具有宽频 带，高效率的优点，是今后研究的重点．原材料的 筛选、材料力学性能、电磁特性的选择和协调、吸 波结构的设计和制作工艺、结构型吸波材料的力 学高性能和吸波性能的优化也是今后研究的重要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ． 参考文献： fl】张卫东，冯晓云，盂秀兰．国外隐身材料研究进展【J】字 航材料工艺，2000(3)：1一． 12J钟华．李自力．隐身技术叫】．北京：国防工业出版社， 1999．26--30． 【3】TADAYOSHl1，OSAMUH．FDTDanaIysjsforprotecting 万方数据 第2期 赵九蓬，等：新型吸渡材料研究动态 223 humanbodyfromelectromagneticwaveusingthinresistive aheet[J]ElectronicsandCommunicationsinJapan,2000， 83(9)：86-92． 【4】U㈣RW'叫ARIBD}LRONALDW置Electromagnetic radiationsuppressioncovedPI．USPatent．：4814546．1989 [51HdliIr山Y8HnKuriharaHirD蛀HIi肿Ofiha-Ke扎Practical investigationonfen-lteabsorbingpanelforTVghoat suppression[A】．Proe．IEEE]ntematinnalSympasiumon ElectromagneticCompatibility[C]．Tokyo：lEEEPublication， 1989．788—791． [61Kotsuka,Y删i．C2mraderisticsofabroadbandandthinfertite 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