石墨烯在艦船雷達透波防護材料中的應用

康新征 盧碩 于冰

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的呈蜂巢晶格狀六角型的平面二維碳納米材料，具有優良的導電、導熱、疏水、疏油性能和巨大的比表面積，因此使得石墨烯在防腐領域有著廣泛的應用前景。將石墨烯以顏料形式應用于艦船雷達天線透波涂料中，借助石墨烯良好的導電性能和物理屏蔽性能，可大幅度改善艦船雷達天線防護涂料的使用性能，延長涂料使用壽命，保障雷達天線在惡略海洋環境下的裝備可靠性，具有重大的軍事意義和戰略價值。同時為石墨烯在軍事裝備應用領域提供了一個新思路，為國內石墨烯產業化的發展開拓了一個新方向。

1 前言

艦載雷達天線罩（又稱“天線罩”“雷達罩”）是保護艦載雷達天線系統免受外部海洋環境影響的結構設備，一般由玻璃鋼等復合材料制成。艦船雷達透波防護材料是涂裝在雷達罩表面，保護其免受環境影響的功能性防護涂料。

在惡劣的海洋環境下，艦船各型雷達面臨嚴酷的腐蝕問題。如何降低材料腐蝕而造成的設備失效問題，使船舶電子設備時刻處于良好的防護狀態，最大限度地延長雷達天線的使用壽命，是海軍艦船維修保障的重要課題。石墨烯——作為一種新型的碳納米材料，具有獨特的二維分子結構和良好的導電性能，為研發新型艦船雷達防護涂層提供了新的思路。石墨烯具有的雙疏性能（疏水、疏油）、單原子層結構及分子不可滲透性，可以良好地屏蔽氯離子、水和氧等腐蝕介質的侵入，石墨烯是被公認為最薄的防護材料；石墨烯穩定的分子結構，可以降低紫外線造成的高分子材料老化問題；而石墨烯優異的導電性能，克服了有機涂層電阻率高的問題，因此石墨烯在艦船雷達透波防護領域具有廣闊的應用前景。

2 國軍標、海軍標對艦船雷達透波防護涂層的性能要求

與航載雷達相比，艦載雷達常年暴露于高溫、潮濕和日光老化等海洋腐蝕環境（ISO 12944規定的C5—M腐蝕環境），保養和涂裝困難，而惡劣的使用環境會造成涂層失效，導致天線罩表面靜電荷積累，干擾雷達正常使用效能。因此艦載雷達專用涂層的防護期限和防護效果遠遠高于航載雷達；同時艦載雷達的有效涂裝面積遠超航載雷達，導致所需的透波防護涂料用量遠大于航載雷達。近年來，隨著海軍服役艦艇噸位的穩步提升，軍方對透波防護涂料的用量也急劇增長。因此，雷達天線透波涂料具有穩定的市場需求，非常符合石墨烯這種高附加值納米材料的使用。目前，海軍艦船雷達專用透波防護涂層為海軍某研究院研制，而對涂層的性能要求主要集中在涂料基礎性能、涂層機械性能、環境適應性能和電氣性能這幾個主要方面，其中涂層的機械性能和環境適應性能應滿足海軍標HJB 284a的要求，涂層的電氣性能應滿足國軍標GJB 3531a的要求。目前，常見的雷達罩透波涂料配套體系見表1、表2，涂料涂層的常規性能見表3。

3 石墨烯材料的透波原理

艦艇雷達天線通過電磁波搜索、識別、判斷目標物的位置和狀態。雷達天線發射的電磁波傳播過程中遇到不同介質時，在電磁波的入射面會發生反射和透射現象。當相鄰介質的電磁波阻抗不匹配時，就會發生波反射現象，兩物質波阻抗越不匹配，反射的電磁波就越多。一般雷達罩防護材料的透波性能主要由防護材料內部的阻抗匹配性和衰減性兩方面條件決定，雷達天線罩防護涂層在設計時應兼顧涂層的環境防護性能和防護材料的波阻抗匹配性能，并且在長時間的服役環境下，必須保持防護材料的波阻抗的穩定性和匹配性，才能達到對天線罩的最佳防護效能。

當石墨烯應用于雷達透波防護材料時，石墨烯與涂層中的功能顏料通過復合協同效應，對涂層內部的電磁參數形成影響，同時利用石墨烯的高比表面積和優異的導電性能以及石墨烯與復相陶瓷粒子復合所帶來的特殊界面極化、電子弛豫極化和偶極子極化等協同效應來透射電磁波，從而提高傳統透波防護材料的電器性能，獲得長效、寬頻、質輕的透波防護涂層。

4 石墨烯防護涂層的研制

4.1 原料

改性聚氨酯樹脂來自煙臺萬華聚氨酯股份有限公司；固化劑來自德國拜耳；云母、硅粘土來自北京利國偉業粉體有限公司；二氧化硅/（氮化硅/氮化硼）[SiO2/（Si3N4+BN）]復相陶瓷來自北京航空材料研究院；助劑來自德謙（上海）化學有限公司；石墨烯粉體和分散劑來自青島華高墨烯科技股份有限公司。

4.2 涂料及樣板的制備

依據涂料配方（見表4）依次加入各種原料，球磨分散儀低速分散均勻后，添加石墨烯粉體材料和分散劑，超高速分散儀高速分散30min，靜置24h后過濾，檢測涂料樣品細度，如果細度不達標，再低速分散2h。

4.3 涂層性能測試

4.3.1 表面電阻率的測試

用細砂紙將100mm×150mm×3mm規格的玻璃鋼試板打磨均勻，平均粗糙度為15μm，用丙酮將試板表面清洗干凈，待完全干燥后按涂料配套要求噴涂防護涂層，室溫干燥7d，用由兆歐表和2個銅電極組成的表面電阻測量儀測量涂層面電阻。平行測試3塊試板，取平均值，即為該涂料的表面電阻率。

4.3.2 漆膜透波率的測試

規格為610mm×610mm×0.3mm的玻璃鋼試板，表面處理和施工工藝同電阻率測試相同。將空白玻璃鋼試板和制好的試板輪流置于發射天線和接收天線之間，測定不同頻率的電磁微波透射功率T20和T2τ，兩者比值即為該頻率下的涂層透波率。

4.3.3 涂層機械性能和環境適應性測試

涂層的機械性能和環境適應性按照國標和國軍標規定的方法進行。

4.4 聚氨酯石墨烯防靜電涂料與現有防護涂料的比較

將新研制的聚氨酯石墨烯透波涂料與現有的雷達透波防護涂料制作試板后進行常規環境適應性、電氣性能和人工加速老化后電氣性能進行比較（測試數據見表5、表6），從測試數據可以看出，石墨烯可以大幅度延長涂層的防護效果，有效提高涂層的電導率和透波率，并且經過長時間老化后，涂層仍保持良好的透波效果，防護效果明顯。

5 結語

通過系統的研究和實船測試，新研制的聚氨酯石墨烯透波涂料配套產品，較好地滿足了我國常規雷達罩的防護需求，與傳統透波涂料相比可以大幅度延長雷達罩的防護期限，保障雷達天線的正常使用。通過實驗研究工作，可以歸納出以下幾點結論：

第一，石墨烯作為良好的防腐材料和優異的導電材料，通過和傳統的雷達罩涂料進行復合，可以大幅度提高原有涂料的防護效果，延長雷達天線罩的涂裝間隔，降低艦船電子裝備的維護頻率，提高艦載雷達的環境可靠性，從而節約艦船的維護成本，軍事和經濟價值顯著。

第二，研究工作為石墨烯在透磁方面的應用積累了寶貴的經驗和數據，為石墨在軍用領域的應用打開了一扇窗口。

第三，由于缺少微觀檢測設備，本文只能從宏觀角度進行試驗和數據分析，針對石墨烯材料在涂料中的分散狀態和微觀結構特征對電磁波的影響，缺少必要的理論研究，相關內容還有待行業專家進一步探討研究。

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