不銹鋼纖維填充塑料內層羰基鐵粉外層雷體

高振儒，趙惠昌，方 向，劉 君，張衛平

（1.南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094；2.解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引言

現代地雷大都采用電子引信技術，包括近炸引信和時間引信，內部結構精密復雜，在復雜的戰場電磁環境下易受電磁干擾，無法正常工作，造成失效、誤觸發，甚至被毀壞。高功率微波掃雷新技術的成功運用，可有效掃除塑料殼體電子引信地雷。美軍已出現機載雷場探測與偵察系統（AMIDARS）和遠距離探測系統（REMIDS），大面積可撒布雷場很容易被遠距離雷達探測系統所發現［1-2］。因此，在信息化戰爭條件下現代地雷的作戰效能和戰場生存能力受到嚴重挑戰。

地雷近炸引信主要采用復合探測體制和相應的信號處理技術具有一定的抗干擾效果，但不能滿足現代戰場地雷引信抗強電磁干擾和HPM 毀傷掃除的要求。現有地雷殼體材料主要有金屬和塑料等非金屬兩類，金屬殼體是良好的電磁屏蔽材料，但質量大對戰場勤務保障要求高，且對電磁波反射性強易被探測。塑料殼體對于快速機動布雷、戰場勤務保障和防探測是非常有利的，是目前許多地雷殼體材料的首選，但對于抗強電磁毀傷卻非常不利，易被HPM 掃雷裝置掃除。本文針對此問題，提出了用不銹鋼纖維內層、羰基鐵粉外層制備地雷殼體的方法。

1 電磁屏蔽和吸收材料

1.1 屏蔽材料

填充復合型導電工程塑料是電磁屏蔽材料的一個重要發展方向，其屏蔽效能不僅與導電填料和基體的性質、形態有關，還與導電填料在聚合物基體中的填充量和分散程度及復合工藝密切相關。目前采用的導電填料主要有碳纖維、銅纖維和SSF，SSF的直徑一般為6～11μm，填加7%～12%就可以組成三維導電網絡結構，電磁波衰減吸收能力強，二次輻射小。此外，不銹鋼纖維具有良好的導電性能和加工性能，在高溫加工過程中不易產生表面氧化，對塑料基體的物理、機械力學性能影響小［3］。根據地雷的殼體功能、布設方式以及使用環境，屏蔽材料地雷殼體應具有良好的屏蔽效能，不影響地雷引信正常工作，且具有一定的厚度滿足強度要求等。因此，選用SSF 填充工程塑料作為地雷殼體的電磁屏蔽材料。

1.2 吸收材料

雷達遠距離探雷依靠地雷目標與其所處背景的雷達回波強度差來識別目標，采用吸波材料衰減入射雷達波，減弱地雷的后向散射，以降低被探測發現的概率［4］。吸波材料是隱身技術的重要支撐，目前在高頻段具有較好性能的吸波材料已日益成熟，但還存在頻帶窄、效率低、密度大等缺點，應用范圍受到一定限制［5］。根據地雷殼體的結構和強度等功能要求，選用常用的羰基鐵粉作為地雷殼體的吸收材料進行實驗研究。

2 殼體構成和性能

2.1 屏蔽效能測試

影響SSF填充導電工程塑料屏蔽效能的主要因素是SSF含量、SSF之間的相互搭接程度與分散性。為了改善SSF 在樹脂基體中的分散性與均勻性，提高復合材料的力學和加工性能，選用經偶聯劑對SSF表面改性制備的ABS／SSF 粒料，選擇聚酰胺（Polyamide，PA）為基體材料，采用注塑工藝加工成平板材料，尺寸為300×300×3 mm3，SSF 含量15%。依據國家標準GB12190-2006《電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法》，參考美國軍用標準Mil-DTL-83528C，采用屏蔽盒測試法對平板材料的屏蔽效能進行測試［6］。測試結果見表1。屏蔽效能計算方法：

式中：SE— 屏蔽效能，dB；P0— 無屏蔽材料時的接收功率，W；P1— 有屏蔽材料時的接收功率，W。

表1 屏蔽效能測量值Tab.1 Measuring datum of the shield efficiency dB

由表1可以看出，材料的屏蔽效能達到了20 dB以上，在高頻段其屏蔽性能與鋼板接近，說明具有較強的電磁屏蔽性能。采用SSF和PA 樹脂、PP樹脂經注塑工藝加工平板材料，SSF 含量和尺寸同前，圖1是利用微波RCS綜合測試系統測得的PA平板、PP平板和金屬平板分別在8～12GHz和12～18GHz的反射曲線。

圖1 微波RCS反射曲線Fig.1 Curves of the RCS reflectivity

從圖1可以看出，兩種材料的反射率與金屬板類似，僅比金屬板反射功率小1dB 左右，考慮測試系統的誤差，可以認為兩種材料的表面反射率與金屬接近。

2.2 吸收性能測試

以羰基鐵為微波吸收劑，制作微波吸收材料樣品。選用丙烯酸樹脂作為基料，將吸收劑粉末放入其中攪拌，使吸收劑均勻分布，然后放在模版中晾干固化，制成18cm×18cm 的薄片型吸波材料［7］。吸收劑和基料的質量比為2∶1，樣品厚度為2mm。采用弓形框法測量材料的微波吸收率。

圖2是微波吸收材料樣品和標準金屬板在相同測試條件下的反射率衰減曲線，可看出羰基鐵粉吸波材料在高頻段性能較好。

圖2 反射率衰減曲線Fig.2 Curves of reflectivity attenuation

3 實驗驗證

3.1 UWB-EMP輻照效應實驗

3.1.1 地雷殼體樣品加工

參考某種撒布反坦克地雷，首先采用注塑工藝加工SSF填充PA 電磁屏蔽復合材料地雷殼體樣品1，高H 為130 mm，半徑R 為53 mm，厚度3mm，不銹鋼纖維質量占比15%。頂蓋與下部筒體采用螺紋旋接，密封性良好。在樣品1的基礎上再用注塑工藝加工外層的吸波材料殼體，厚度2mm，羰基鐵粉質量占比60%，這樣制成了雙層復合的地雷殼體樣品2。

3.1.2 實驗方法

為驗證采用新型電磁材料殼體的地雷抗UWBEMP毀傷能力，選用聲-磁、動-磁兩種地雷引信，引信的發火輸出端改接電引火頭，同時使引信處于戰斗狀態，將引信置入樣品1，采用輻照法進行試驗。脈沖源主開關電壓為280kV，峰值功率1GW，輸出脈沖寬度為2.5ns，TEM 天線主軸方向輻射效率為35%。目標置于微波源前一定距離處，經一定時間（60s）的輻射后，關閉脈沖源，從暗室中取出引信電路板。觀察連接的電引火頭是否被引燃，再用裝定器檢測引信電路的邏輯狀態和引信電路的損壞情況，通過對比說明殼體的電磁屏蔽性能。改變脈沖源重復頻率、天線與目標的距離、在殼體上開孔等，重復實驗。

3.1.3 實驗結果

脈沖源重復頻率為20Hz，殼體上無孔，使引信失效的電場閾值為2.5kV／cm 左右，在入射脈沖峰值功率為1GW 條件下，殼體放置在天線前的距離大于0.5m 時，內部引信能正常工作。文獻［1，8］中相關數據為0.5～1kV／cm，可見電磁屏蔽材料殼體可顯著提高電子引信地雷抗強電磁脈沖毀傷能力。

對一組3 個殼體樣品在底部鉆孔，孔直徑為3.0mm、5.0mm、10.0mm，距離為0.5m、脈沖重復頻率為20Hz時，引信狀態均保持完好。同樣對樣品2進行重復實驗，結果一致。

3.2 SAR模擬探雷實驗

3.2.1 實驗方法

對地雷殼體樣品1和2，進行SAR 模擬探雷實驗。采樣交叉圓極化阿基米德螺旋天線（1～2GHz）和垂直極化加脊喇叭天線（2～18GHz）實現目標全頻帶特性測試；為抑制柵泄漏，行車方位采樣間隔不大于0.01m；劃分子頻帶并實現對目標的二維成像，其中阿基米德螺旋天線總帶寬1GHz，劃分1個子頻帶，帶寬1GHz；加脊喇叭天線總帶寬16GHz，劃分8個子頻帶，帶寬2GHz［9］。

測試目標共6個，分為3組，每組的兩個目標保持相同的雷達照射姿態，組與組之間的照射姿態不同，對比其散射特性。實驗中雷達三種入射角分別為：0°（目標5、6，頂部入射），90°（目標3、4，側面入射）和75°（目標1、2，斜入射），目標設置實驗場景如圖3。

圖3 實驗場景Fig.3 Experimentation scene

3.2.2 實驗結果分析

圖4給出了目標3、4部分子頻帶的成像結果，其中左側的目標3為屏蔽材料殼體樣品1，右側的目標4為雙層復合殼體樣品2。圖5為90°側面入射時目標3與目標4反射強度差值曲線。

圖4 成像切片圖Fig.4 Imaging slice

圖5 反射強度差值曲線Fig.5 The difference curves of reflected intensity

通過實驗測試分析，可得到如下結論：

1）吸收材料殼體在2～18GHz范圍內與屏蔽材料殼體相比，微波散射衰減了5dB 以上，在8～12GHz范圍內散射衰減接近10dB，有較好的微波吸收效果。

2）微波吸收殼體沒有平板微波吸收材料的微波衰減值高，有明顯的降低。主要原因是殼體的RCS不僅與材質相關，而且與殼體的形狀結構有關，比如殼體存在較強的棱邊散射效應，因此要進一步有效降低殼體散射，還需對殼體進行隱身外形設計，才能進一步降低散射。

3）當電磁波以75°斜入射照射目標時（目標5、6），兩種殼體的RCS均較小，且微波散射沒有明顯的差別。主要原因是棱邊散射效應占據主導地位，而面散射居次要地位，此時的RCS值比頂部垂直入射時（目標1、2）的散射值弱15～20dB。

4）微波吸收材料殼體在雷達成像探測時，當其處于不利的姿態角時（目標3、4），由于吸波材料的衰減作用，可顯著減小其雷達暴露特征；當其處于有利的姿態角時（目標5、6），由于其散射較弱，在背景地物雜波的干擾影響下難以被雷達遠距離偵察發現，因而減小了目標被探測的概率和探測距離。

3.3 磁模擬實驗

電子引信地雷主要有聲、振、磁、定時等引信體制，從物理機理來看，電磁殼體對聲、振、定時引信沒有影響。磁引信地雷主要是識別坦克目標的低頻磁場信號，電磁材料殼體可能對磁引信有一定的影響，通過實驗分析其影響程度。以一種磁-觸桿地雷引信為目標，引信的發火輸出端改接電引火頭，使引信處于戰斗狀態，將引信分別置入塑料、加工的電磁屏蔽殼體樣品1和雙層復合殼體樣品2中，監測模擬低頻磁場中引信電路放大器輸出端的電壓值和狀態。磁場方向垂直和線圈感應方向水平時的實驗結果如表2，可以看出，電磁復合材料殼體對低頻磁信號影響甚微，不影響磁引信的正常工作。改變磁場強度和線圈感應方向，結果相同。

表2 實驗結果Tab.2 The experimental result

3.4 可探測性試驗

國際《地雷議定書》關于地雷可探測性標準，要求對于殺傷人員地雷在正常探測器材條件下能夠產生相當于一整塊8g鐵的探測信號。該標準主要針對難于探測的塑料殼體防步兵地雷，要求在引信觸發機構或附件中增加金屬部件含量，滿足可探測性要求。本文提出采用不銹鋼纖維填充塑料內層羰基鐵粉外層的地雷殼體，其金屬含量隨殼體尺寸而不同，而且電子引信中也含有金屬器件，理論上符合地雷可探測性標準。對加工的地雷殼體樣品1和樣品2（未置入引信電路）以及單獨的頂蓋，利用單兵金屬探雷器在正常條件下進行探測試驗，探雷器信號反應正常，說明該地雷殼體滿足可探測性要求。

4 結論

本文設計了兼具電磁屏蔽與電磁隱身功能的新型復合材料地雷殼體，該雷體采用注塑工藝，將SSF作為PA 樹脂的導電填料，SSF 填充量為15%質量比，制備3mm 厚的電磁屏蔽內層地雷殼體；利用羰基鐵粉吸收劑，質量占比60%，制備2 mm 厚的電磁吸波地雷殼體外層。通過UWB-EMP輻照效應、SAR 模擬探雷和磁模擬等實驗表明；該雷體具有較好的電磁屏蔽與電磁隱身性能，不影響地雷引信正常工作，能有效提高地雷抗電磁干擾毀傷和防遠距離雷達探測等戰場生存能力。下一步將重點進行多層復合材料加工工藝、材料理化特性、雷體連接孔縫等研究，為新型地雷殼體工程化研制提供依據。

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