一種多層膠板雷達吸波材料

何　山，　李業華，　周　淳

(北京航空材料研究院， 北京 100095)

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一種多層膠板雷達吸波材料

何山，李業華，周淳

(北京航空材料研究院， 北京 100095)

依據阻抗匹配原理，設計了具有“陷阱”結構的多層吸波材料。通過方案優化，設計出五層結構的吸波材料，該材料在2～18 GHz頻段內具有雙吸收峰的寬帶吸收特性。改變第五層的厚度，可以調整高頻吸收峰的位置，而對低頻吸收峰影響不大。應用阻抗圓圖，直觀顯示了三種設計方案的阻抗變換情況。研制的JB-5多層吸波材料，在6～17 GHz頻段內，反射率≤-12 dB，材料厚度小于5.0 mm，并有良好的耐環境性能。該吸波材料可在實驗室制作，根據需要裁剪成一定形狀，用專用黏結劑粘貼在目標體表面，能有效降低目標對雷達波的反射。

阻抗匹配；陷阱結構；寬帶吸收；阻抗圓圖；

雷達探測具有探測距離遠、精度高等優點，新型雷達的發展對武器裝備產生的威脅越來越大，為此各國都在努力發展雷達隱身技術[1]。雷達隱身技術包括外形隱身技術和雷達吸波材料隱身技術[2-3]，對于已經定型的武器裝備而言外形已很難改進，雷達吸波材料成為必選的隱身措施。

結構型吸波材料具有吸波頻帶寬、可設計性強的特點，并且具有承重和吸波雙重功能[4-8]。涂覆型吸波材料可涂覆于目標體表面，具有成本低、施工方便、適應于復雜外形等特點[9-12]。我國現役的武器裝備在研發設計時多無隱身考慮，難以采用外形隱身技術和使用結構型吸波材料來降低雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)，因此在裝備表面涂覆高吸收性能的吸波材料可以降低RCS，提升防御能力[13]。

隱身材料要求吸波能力強、吸波頻帶寬、質量輕、厚度薄[14]，對于單層吸波材料阻抗匹配和寬帶高效吸收兩個要求常常會相互矛盾，采用多層設計可以改善吸收效果和展寬頻帶。本研究選用磁損耗大的鐵粉吸收劑[15]，依據阻抗匹配原理，采用陷阱結構設計多層匹配，并用阻抗圓圖選出設計方案，研制了一種五層膠板雷達吸波材料JB-5，在2～18 GHz波段實現了寬帶吸收，并具有良好的耐環境性能和力學性能，吸波材料可在實驗室內通過涂刷成膜，根據需求裁剪成不同的形狀粘貼在目標表面。

1　吸波材料設計與選材

1.1基本原理

雷達吸波材料設計遵循微波傳輸線理論，要實現良好的吸波性能需要具備兩個條件：(1)吸波材料表面與空氣有良好的無反射阻抗匹配，使入射到表面的電磁波盡量多地進入材料內部而不在表面發生反射；(2)吸波材料內部對電磁波實現高效吸收衰減，以減少電磁波在底面的反射[16-17]。

均勻傳輸線上的輸入阻抗由式(1)表示

(1)

(2)

反射率為

ΓdB=20lg│Γ│

(3)

在多層吸波材料設計中，第一層的輸入阻抗作為第二層的負載阻抗，依次類推得出多層材料的輸入阻抗為[18]

(4)

對于確定的頻段，多層吸波材料可以通過改變各層的厚度、相對復介電常數的實部、虛部及相對復磁導率的實部、虛部來調整整體的輸入阻抗，使輸入阻抗在吸收頻帶內有盡可能多的頻率達到或接近空氣阻抗，并使內層吸波材料有高的電損耗或磁損耗正切角，對電磁波實現寬帶匹配和高效吸收。多層設計分為阻抗漸變型和阻抗更迭型，后者通常稱為“陷阱”型。對于厚度較薄的多層吸波材料設計多采用“陷阱”型結構，即在高介電常數、高磁導率的損耗層之間加入低損耗、低介電常數層，在損耗層之間形成多次反射和多次吸收，從而提高吸收率和展寬頻帶。本研究中采用的是“陷阱”型結構。

1.2實驗選材

吸波材料在應用中要求厚度≤5 mm、面密度≤7.5 kg/m2。考慮這種約束條件，在吸波材料設計中對吸收劑、基體材料以及吸波材料結構需要同時兼顧。設計中選用磁損耗大的鐵粉類吸收劑A。如圖1所示，吸收劑A屬于片狀顆粒，粒徑約40～100 μm，厚度約0.5 μm。片狀鐵粉自然共振峰值可超過1 GHz，可以調節吸收劑含量及厚度將吸收峰值調整到所需頻段。

圖1　吸收劑A的掃描電鏡圖Fig.1　SEM of absorber A

根據阻抗匹配原理，吸波材料在電磁波的入射面介電常數越低越好，考慮在吸波材料中加入低密度的空心玻璃微球降低電磁參數，同時可降低吸波材料的面密度[19]。本研究中選用合成橡膠B作為吸收劑A和空心玻璃微球的基體材料，合成橡膠具有良好的耐候性、耐臭氧、耐腐蝕、耐磨及阻燃等多種優異性能，可以提高吸波材料的耐環境性能。

使用合成橡膠作為吸收劑A和空心玻璃微球的載體，調節吸收劑A的含量，制成吸收劑A質量比分別為70%和81%的兩種膠膜C和D，調節空心玻璃微球質量比為17%制成膠膜E，組成配比如表1,2所示，測量膠膜C,D,E的電磁參數如圖2,3,4所示。

表1　膠膜C和D的組成及比例(質量分數/%)

表2　膠膜E的組成及比例(質量分數/%)

圖2　膠膜C的電磁參數Fig.2　Electromagnetic parameters of film C

圖3　膠膜D的電磁參數Fig.3　Electromagnetic parameters of film D

圖4　膠膜E的電磁參數Fig.4　Electromagnetic parameters of film E

由圖2，3可見，膠膜C,D的磁導率虛部與實部相當，表明膠膜有較大的磁損耗，介電常數實部在20～50之間。由圖4可見，在2～18 GHz膠膜E的介電常數實部和虛部都很低，可實現良好透波。

1.3結構設計

根據測量的電磁參數進行吸波材料設計，結構示意圖如圖5所示。提出的3種設計方案如表3所示，應用公式(1)、(2)、(3)計算相應的反射率，得到的理論曲線如圖6所示。

圖5　五層吸波材料結構示意圖Fig.5　Diagram of absorbing material with 5 layers

SequenceoflayersMaterialThicknessofeachlayer/mmScheme1Scheme2Scheme3FirstA(81%)0.70.70.7SecondGlassmicroballoonparticles(17%)0.80.80.8ThirdA(70%)0.20.20.2ForthGlassmicroballoonparticles(17%)0.33.03.0FifthA(70%)0.10.050

圖6　五層吸波材料反射率理論曲線Fig.6　　　　Theoretical reflectivity graph of absorbing material with 5 layers

由圖6可見，三種設計方案將吸收劑A進行多次阻抗更迭設計，均使吸波材料在2～18 GHz出現兩個吸收峰，改變第5層的厚度，可以明顯改變高頻吸收峰的位置，而且對低頻吸收峰的位置影響不大。

吸波材料的反射率以及吸收峰值是吸波材料與空氣匹配效果的反映，為準確分析三種設計方案吸波材料的阻抗匹配效果，可將輸入阻抗繪制在阻抗圓圖中。阻抗圓圖由兩組圓構成，兩組圓方程分別為[22]

(5)

(6)

將三種設計方案每層材料的厚度以及電磁參數代入公式(4)得到吸波材料的輸入阻抗，繪制成阻抗圓圖如圖7所示。

圖7　五層吸波材料的阻抗圓圖Fig.7　Impedance chart of absorbing material with 5 layers

輸入阻抗曲線經過阻抗圓圖中的(1，0)點時，實現阻抗匹配Γ=0，入射到材料表面的電磁波被全部吸收，沒有反射，這是阻抗匹配的最佳效果。吸波材料的輸入阻抗隨著頻率變化，在一個頻段內不能實現全部頻點的匹配時，輸入阻抗離(1，0)點越近匹配效果越好[23]。從圖7可見，方案2離(1，0)點近的輸入阻抗點更多且集中，因此方案2的整體匹配效果更好。本研究采用方案2制作吸波材料，命名為JB-5，在6～17 GHz頻段整體性能更好，同時兼顧2～6 GHz頻段的性能，反射率可以達到指標要求。

2　結果與討論

2.1JB-5吸波材料電性能

JB-5雷達吸波材料采用涂刷工藝在實驗室進行制備，通過控制每層材料的重量來控制吸波材料的厚度。根據理論設計的吸波材料基本結構，經過多次試驗，研制出達到電性能指標要求的JB-5吸波材料，基本性能為：厚度5.0 mm；面密度7.0 kg/m2；反射率在3～6 GHz時≤-3 dB，在6～17 GHz時≤-12 dB；典型的JB-5吸波材料反射率曲線見圖8。

圖8　JB-5吸波材料反射率曲線Fig.8　Reflectivity graph of JB-5 absorbing material

2.2JB-5吸波材料力學性能

按照GB5210—1985《涂層附著力測定法—拉開法》測試標準，將JB-5吸波材料用801膠黏劑粘接測試附著力可達1.5 MPa，破壞形式為90%內聚破壞。按照GB/T1731—1993 《漆膜柔韌性測定法》測試標準，用圓柱體進行柔韌性試驗，經測定JB-5吸波材料柔韌性不大于40 mm。

2.3JB-5吸波材料耐環境實驗結果

用801膠黏劑將JB-5吸波材料粘貼在金屬板上，采用HM108B密封劑封邊，吸波材料按照GJB50《軍用裝備實驗室環境試驗方法》進行耐濕熱試驗、耐鹽霧及耐海水試驗，測試結果見表4。JB-5吸波材料耐環境試驗后，涂層表面無生銹，無脫落，附著力大于1.5 MPa，電性能無明顯變化。反射率測試結果見圖9～11。

表4　JB-5吸波材料耐環境試驗結果

圖9　JB-5吸波材料耐海水前后反射率Fig.9　　　　Reflectivity of JB-5 absorbing material before and after resisting sea water

圖10　JB-5吸波材料濕熱試驗前后反射率Fig.10　　　　Reflectivity of JB-5 absorbing material before and after resisting humidity

圖11　JB-5吸波材料鹽霧試驗前后反射率Fig.11　　　　Reflectivity of JB-5 absorbing material before and after resisting salt fog

2.4吸收性能結果討論

由實驗結果(圖8)與理論計算結果(圖6)比較可見，實驗結果與理論計算結果有較好的一致性。計算機輔助設計指明了采用的結構和可能達到的吸收性能，較好地指導了材料試驗工作，特別是多層吸波材料研究，大大減少了實驗工作量。本研究成功地利用了雙吸收峰展寬了吸收頻帶。由圖6計算結果可見，第5層厚度變化，高頻吸收峰可在一定范圍內變化，而低頻吸收峰的位置基本不變。第5層厚度減小，高頻吸收峰向高頻偏移；第5層厚度增加，高頻吸收峰向低頻偏移。可見，JB-5吸波材料的高頻吸收峰，主要由高頻點入射波與多次反射的出射波相位相反引起的干涉作用產生。關于低頻吸收峰，由圖2、圖3可見，吸收層材料的共振吸收峰，即μ″的最大值在5 GHz左右，與JB-5吸波材料的低頻吸收峰的位置吻合。由此可見，低頻吸收峰主要由材料的固有特性共振吸收產生。磁性材料對電磁波的衰減，主要由磁偶極子共振的磁滯效應產生，在共振峰即μ＂的最大值處，磁損耗達到最大值。而干涉作用是吸波材料采用的基本吸收原理。

3　結　論

(1)采用多層“陷阱”式結構的五層吸波材料通過反射率計算得出，在2～18 GHz內具有雙峰吸收特性。

(2)采用涂刷工藝控制每層的厚度，制作的JB-5吸波材料在3～6 GHz頻率范圍內，反射率 ≤-3 dB;6～17 GHz頻率范圍內，反射率 ≤-12 dB，具有突出的寬帶吸收特性。

(3)JB-5吸波材料附著力可達1.5 MPa；柔韌性不大于40 mm；經過耐環境試驗吸波材料表面無生銹及脫落現象，反射率無明顯變化，具有良好的耐環境性能。

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A Multilayer Rubber Board Radar Absorbing Material

HE Shan，LI Yehua，ZHOU Chun

(Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095, China)

Based on the theory of impedance matching, a multilayer absorbing material with the “pitfall” structure was designed. The multilayer absorbing material with 5 layers was obtained by optimization of the schemes, and the material shows 2 absorbing peaks in the broadband of 2～18 GHz frequencies. The peak in high frequencies can be adjusted with no effect on the peak in low frequencies through changing the thickness of the fifth layer. The changes of input impedances were displayed by analyzing the impedance chart. The prepared multilayer absorbing material was named JB-5, which processes the reflectivity no more than -12 dB in 6～17 GHz with the thickness no more than 5 mm and a good performance of standing the environment. The absorbing material can be produced in laboratory and pasted on surfaces of target with special adhesive by trimmed into required shapes so as to reduce the reflection of electromagnetic waves effectively.

impedance matching;pitfall structure;broadband absorbing;impedance chart

(責任編輯：張崢)

2016-04-15；

2016-06-20

航空科學基金(20143121003)

何山(1963—)，男，高級工程師，主要從事吸波材料及吸波材料測試技術研究，(E-mail)biamhs333@sina.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.4.006

A

1005-5053(2016)04-0041-06