深彈發射裝置高溫抗腐蝕隱身涂層研究

梁昱晨，李旺昌，斯王祥

（國營第四四五廠，浙江 杭州 310024）

0 引言

隨著現代化軍事探測技術的飛速發展，軍事設施及武器裝備的隱蔽變得日益困難，因此隱身技術的應用越來越多。隱身概念和技術源于二戰，最早因在航空裝備上的應用而聞名。它是指通過研究利用各種不同的技術手段來改變己方目標的可探測性信息特征，最大程度地降低對方探測系統發現的概率，使己方的武器裝備不被敵方的探測系統發現和探測到[1-2]。隱形技術使偽裝技術由防御性走向了進攻，由消極被動變成了積極主動，增強我方的生存能力，提高對敵人的威脅力。通常采用外形隱身與吸波材料隱身相結合的手段實現較好的隱身效果。

吸波材料是由吸收劑、粘結劑及各種助劑構成，其吸波性能主要由吸波材料的電磁參數和厚度決定[3]。吸波材料是指涂在裝備或建筑表面的一類材料，通過能量轉換耗散掉電磁波或使電磁波因干涉而消失。吸波材料的分類方法有多種，根據電磁波的損耗機制，吸波材料分為電阻型、電介質型和磁損耗型；根據成型工藝和承載能力，分為涂覆型和結構型；根據吸波原理，分為吸收型和干涉型[4]。

受制于火箭發射時產生的高溫尾焰，采用傳統涂層吸波的隱身方法受限，發射裝置隱身效果不佳。因此，需要研制一種耐高溫沖蝕的隱身材料，以適應發射裝置高溫尾焰工作環境。

1 高溫吸波材料研究

由于大多數磁性吸收劑居里溫度低，通常情況下只能應用于武器裝備的常溫部位的隱身，在高溫環境下容易因氧化失效而失去吸波性能。因此，在高溫環境下武器裝備的隱身需要采用高溫吸波材料。

碳化硅（SiC）作為高溫吸波材料的主要成分，有密度小、耐高溫和化學穩定性好等特點，因而在高溫吸波材料中具有良好的應用前景。但常規制備的碳化硅的吸波性比較差，可通過提高碳化硅的純度和可控摻雜來改善碳化硅的吸波性能。日本的研究人員通過提高碳化硅的純度方法，制備出高純度的碳化硅粉體并具有優異的吸波效果，但缺點是難以獲得制備碳化硅粉體的高純度原料，且生產成本較高，所以這種方法不適合用于大規模生產。

通過對SiC有控制的摻雜來有效調控SiC的電導率，是提高SiC在高溫下吸波性能的主要方法。DOU等[5]對SiC微粉進行N元素的摻雜，在N元素的摻雜下使材料的介電常數虛部隨溫度的升高變化趨勢加快，在高溫環境下具有較大的介電損耗能力，因而該材料在高溫下具有較強的吸波性能。CHEN等[6]把B摻雜在SiC納米線上，發現其電導率升高進而提高吸波性能，并且拓寬吸波材料的吸收頻帶。也有研究人員通過對 SiC材料進行Fe元素摻雜，改善SiC納米線的介電損耗能力和吸波性能，同時因為摻雜Fe元素使SiC具有一定量的磁性，增加了材料的磁損耗進而提高了材料的吸波性能。

當前，一些研究人員也采用其他的技術制備出耐高溫吸波材料，并取得很好的成果。PING等[7]采用靜電紡絲方法制出聚脲硅氮烷/聚苯乙烯（PUS/PS）復合納米纖維，發現包含多級納米結構的碳化硅纖維具有良好的吸波性能。

2 吸波涂層理論研究

隱身材料是一種色散介質，其電磁參數ε和μ隨著頻率變化而變化。

介電常數的實部和虛部存在一定的內在關系Kramers–Kroning 關系：

式中：ω'為復頻率；ω為ω'的某一實正值。

Kramers–Kroning關系指出了色散介質（ε'與頻率有關）一定有損耗，其介電常數的實部和虛部又相互制約。根據Kramers–Kroning關系，只有理想的真空狀態才是無耗介質。隱身涂層的電磁參數隨著頻率的變化而變化，因此這是一種典型的色散介質。由此，在2～18 GHz的寬頻內，電磁波會發生色散效應[3]。

在鐵磁性物質中，由于Snoek’s原則使得磁導率和頻率相互限制。對于一定的材料，式子右邊是常量。在一定的頻率范圍內，右邊的值越大，材料的磁導率虛部越大。由此，要使得在一定頻率范圍內磁導率虛部較大的話，就要求材料有較高的飽和磁化強度，Snoek’s 原則如下式：

對于吸波材料而言，磁導率虛部代表了磁損耗性能。由上式可知，材料的飽和磁化強度越大，磁導率虛部越大[8]。

吸波復合材料的介電常數和磁導率通常表達了復合材料的電磁性能。為了進一步研究納米粒子的本征電磁性能，根據 Bruggman有效媒質理論，由下式可得納米粒子的本征介電常數εi和磁導率μi。

式中：ε、μ為石蠟基復合材料的介電常數和磁導率；εm、μm為樹脂基體的介電常數和磁導率，其數值分別為2和1[9-10]。

3 仿真理論模型

建立單層吸波涂層模型（圖1），分析電磁波在涂層中的衰減。由于涂層的厚度遠小于雷達波波長，所以可以用傳輸線理論對其阻抗和反射率進行理論分析預測。

圖1 單層吸波材料示意圖Fig.1 Schematic diagram of monolayer wave-absorbing materials

利用網絡矢量分析儀測定吸波材料的動態相對介電常數εr和磁導率μr。根據傳輸線理論，計算得到涂層的阻抗Z。

涂層的傳輸系數γ為

由此得到涂層的阻抗為

由涂層的阻抗值可得到涂層的反射率：

涂層的衰減因子如下：

式中c表示真空中的光速。

衰減因子是依賴于材料的復介電常數和磁導率的參數，其表示電磁波在涂層中的衰減。

為了滿足最小的反射率，在設計涂層時要盡量達到匹配條件：

4 仿真計算結果

在研究過程中，選用高磁導率納米金屬吸波材料和高頻金屬氧化物磁性吸波材料作為 2種典型的吸波隱身材料。根據以上的傳輸線理論通過計算機模擬得到耐高溫吸波材料的反射率。采用CST軟件和MATLAB語言編寫程序模擬得到吸波涂層的反射率圖。以涂層的厚度和電磁波的頻率為變量，研究吸波涂層厚度在1～2 mm時對1～18 GHz雷達波的反射率變化。在反射率圖中，反射率越小代表材料對雷達波的吸收和損耗越大，其吸波性能也越好。

圖2 納米金屬吸波材料反射率仿真圖Fig.2 Simulation diagram of nanometer metal wave-absorbing materials reflectivity

5 結束語

針對深彈發射裝置既滿足熱流沖蝕的耐高溫，又滿足在高頻的隱身要求。采用經典的納米金屬和納米金屬氧化物吸波劑，采取熱等離子噴涂的方法做吸波涂層。通過仿真研究發現，納米金屬吸波材料在1～2 mm區間，吸收頻段主要集中在3～8 GHz，而納米金屬氧化物的吸收頻段主要集中在10～18 GHz，可以通過厚度的變化調控吸收頻率。由于等離子噴涂的涂層表面和結構都很均一，因此其對電磁波的散射都較均勻，不存在極化方向的問題。