吸波涂料在雷達隱身領(lǐng)域的應用

胡嘉龍，卞美琴，崔 炎，范夢恒，喬鵬翔，張 帥

（中國船舶集團有限公司第七二四研究所，江蘇 南京 211153）

雷達能夠通過不同頻段的電磁波散射來實現(xiàn)對目標的空間定位，如何利用有效的偽裝手段來最大限度地弱化電磁波的反射、發(fā)射和特征，從而提升雷達隱身能力，已成為眾多研究者關(guān)注的課題［1-2］。判定目標的隱身性能可通過目標的雷達散射面積（Radar Cross Section，RCS）來衡量［3］。RCS是目標大小、形狀和制造材料的一種屬性，是入射和反射功率的比率。通過計算可以直觀得出RCS對于雷達探測能力的影響，對于同一部雷達而言雷達探測威力與雷達1/4散射面積呈正比［4］。

減少RCS的方法主要包括：吸波整形、主動加載、被動加載和分布式加載。吸波整形是通過改變裝備結(jié)構(gòu)，以減少反射電磁波的方法，其通過鏡面反射重新定向輻射，因此增加了雙站雷達的探測概率。主動和被動裝載的目的是針對熱點區(qū)域的散射減弱。主動材料設計的依據(jù)是檢測入射輻射，并發(fā)射同等幅度和相反相位的信號來抵消信號，而設計被動材料的目的是為了改變表面阻抗，以抵消散射信號。分布式裝載則是依靠吸波涂料覆蓋在裝備外結(jié)構(gòu)，這種材料與輻射的電場或磁場特性耦合，能夠產(chǎn)生諧振效應從而消除、減弱或進行能量轉(zhuǎn)化，從而降低裝備的RCS，以實現(xiàn)雷達隱身效果［5］。吸波涂料成分復雜，各類選材、搭配、工藝對吸波效能的影響規(guī)律需要進一步研究，本文概述了吸波涂料的工作機理和主要組成，并總結(jié)歸納了目前新型吸波涂料研究進展，指出了吸波涂料未來主要發(fā)展方向。

1 吸波涂料的作用機理

吸波涂料主要由黏結(jié)劑、吸收劑組成［6］，黏結(jié)劑作為基體為吸波涂料提供結(jié)構(gòu)強度、環(huán)境穩(wěn)定性和耐久性，通常為有機聚合物或無機膠黏劑；吸收劑受基體黏結(jié)并起到吸收、減弱電磁波的作用［7］，一般為短纖維、手性物質(zhì)或部分具有吸波能力的粉末。由于武器裝備在追求隱身性能的同時，還必須兼顧剛度、散熱性、環(huán)境耐受性等能力，因此要求吸波材料在密度和厚度都受到嚴格控制情況下，面對多入射角多頻段的電磁波，盡可能降低其反射能量。吸收效能衡量一般以有效吸波帶寬Δf和最小反射損耗體現(xiàn)，有效吸波帶寬Δf為反射損耗超過-10 dB的區(qū)域，Δf越大意味著涂料能夠在更多的頻率上實現(xiàn)有效吸波；而最小反射損耗決定了涂料針對該頻率電磁波的吸收能力。

常見的基體包括氯磺化聚乙烯、環(huán)氧樹脂和聚氨酯。良好的基體應當弱化在吸波涂料中的比重，具備一定結(jié)構(gòu)強度、環(huán)境耐受性以及與吸收劑相匹配的介電常數(shù)，并能夠納入盡可能多的吸收劑。

圖1 吸波效能關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of absorption efficiency

2 主要吸收劑種類

2.1 磁損耗型吸收劑

磁損耗型吸收劑以鐵氧體吸收劑、羰基鐵吸收劑為主。鐵氧體是一大類具有顯著磁性的氧化物，是從赤鐵礦（Fe2O3）或磁鐵礦（Fe3O4）中提煉而得。鐵氧體應用范圍包括從毫米波集成電路到功率處理、簡單的永磁體和磁記錄等各種應用。這些應用基于鐵氧體的基本特性：顯著的飽和磁化、高電阻率、低電損耗和良好的化學穩(wěn)定性。民用領(lǐng)域電腦的電源線及信號線上，用鐵氧體制作的磁珠，可以避免高頻的電磁噪聲（電磁干擾）進入設備或從設備中傳出。鐵氧體顆粒可作為隱形飛機使用的雷達波吸收涂層，用來吸收電磁波，避免反射。鐵氧體在米波至厘米波范圍內(nèi)反射損耗可達-20 dB，是通過磁滯效應、渦流效應、磁后效損耗（低頻段）、自然共振損耗、疇壁共振損耗、尺寸共振損耗（高頻段）等來實現(xiàn)吸波特性［8］。

羰基鐵即金屬鐵和一氧化碳反應生成氣態(tài)羰基鐵，再經(jīng)分解生成的金屬鐵粉體［9］，羰基鐵吸收劑是目前最為常用的雷達波吸收劑之一，它是一種典型的磁損耗型吸收劑，電磁損耗可達40 dB左右，與高分子黏結(jié)劑復合成的吸波涂料具有吸收能力強、應用方便等優(yōu)點［10］。

2.2 電損耗型吸收劑

電損耗型吸收劑包含陶瓷類吸收劑、導電聚合物吸收劑等。此類材料具有高復介電常數(shù)和介電損耗角，通過介質(zhì)的電子極化和界面衰減來吸收電磁波［11］。陶瓷類吸收劑主要有SiC、Ti3SiC2等，其中SiC憑借其優(yōu)異的抗氧化性、高溫強度保持性、高耐磨性、高熱傳導性和良好的抗熱震性等優(yōu)點，被認為是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有廣闊的應用前景。國防科技大學研制的隱身/承載/防熱一體化功能的SiCf/SiC陶瓷基吸波材料，能夠在6.5～16.0GHz實現(xiàn)有效吸收［12］。

導電聚合物是一種具導電性的高分子聚合物，又稱導電塑料。最簡單的例子是聚乙炔。這樣的化合物可以具有金屬導電性或者可以是半導體，導電聚合物的共軛大π體系使得可通過摻雜改變其導電率來減少電磁波的反射［13］。導電聚合物通常不是熱塑性塑料，但是，與絕緣聚合物一樣，它們是有機材料，其最大的優(yōu)點是可加工性。

3 吸波材料研究狀況

隨著材料科技水平的發(fā)展，涌現(xiàn)出更多種類的新型吸波材料，如手性吸收劑和納米吸收劑。手性吸波材料具有吸波頻帶更寬，且手性參數(shù)可根據(jù)實際需求進行調(diào)整的優(yōu)勢，使得吸波效果更具有針對性，但手性材料現(xiàn)階段推廣成本相對較高。納米材料是由直徑在1~100 nm的超細顆粒組成的固體材料［14］，納米吸收劑能夠轉(zhuǎn)化電磁能量，以起到減弱反射的作用。其中碳納米管（CNTs）吸收劑受到熱門關(guān)注，其質(zhì)量輕、有效頻帶寬，屬于磁損耗型［15］，但是其應用需要與其他材料進行復合才能達到實際要求［16］。

采用不同吸收劑的吸波涂料在有效吸收帶寬、吸波性、結(jié)構(gòu)強度、重量、環(huán)境耐受性、經(jīng)濟性上各有優(yōu)勢。想要進一步提升吸波效能，做到優(yōu)勢互補，還需要通過結(jié)構(gòu)整合、比例調(diào)配、多材料組合等手段開展復合吸波涂料的研究。

納米陶瓷吸收劑是利用納米材料對現(xiàn)有陶瓷類吸收劑進行優(yōu)化而制備的一類吸收劑。Xu J等［17］通過在碳化硅纖維上復合CNTs，實現(xiàn)在CNTs 0.72 wt.%、填充劑20 %的比例下，4 mm厚的CNTs/SiCf復合涂料最小反射損耗達到了-62.5 dB，有效吸收帶寬達到了8.8 GHz，此外，可通過改變CNT的占比和厚度來調(diào)整涂料的吸波性能，具備了更強的應用靈活性。Ma L等［18］在聚偏氟乙烯（PVDF）基體中開發(fā)了碳化硅-納米線（SiCnw）/MXene的異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)。二維MXene納米片和一維SiCnw的協(xié)同作用與結(jié)構(gòu)中的許多堆疊斷層在聚合物基體中產(chǎn)生了許多異質(zhì)界面，聚合物基體中獨特的納米結(jié)構(gòu)帶來了卓越的電磁波吸收性能。經(jīng)實驗對比，在SiCnw/MXene比例為7∶1且濃度為20 wt.%、材料厚度為1.45~1.50 mm時，能夠?qū)崿F(xiàn)Ku波段5.0 GHz的有效吸收帶寬，最小反射損耗為-75.8 dB。

除納米陶瓷吸收劑外，CNTs、碳納米纖維（CNFs）等納米材料與其他類型吸收劑復合也能產(chǎn)生良好的吸波效能，Huang B等［19］對功能化的CNFs在微波吸收方面的應用進行了研究。采用了直流磁控濺射的方法，研究了新復合材料FeCo/CNFs的微觀結(jié)構(gòu)、磁性能和電磁波吸收能力。對于厚度為4 mm的樣品，可以觀察到位于3.81~4.36 GHz和14.03~16.35 GHz范圍內(nèi)的兩個吸收峰。最小反射損耗在14.88 GHz為-24.05 dB，與原始CNFs相比，F(xiàn)eCo/CNFs表現(xiàn)出更強的吸收和更寬的吸收帶，這是因為涂料中引入了FeCo涂層以及FeCo和CNFs之間存在破壞性干擾，該方法將為開發(fā)基于CNF的電磁波吸收材料鋪平一條新路。Fu X等［20］通過凍干技術(shù)制造出三維碳納米管/尼龍66（3D CNT/PA66），其中CNT被涂在PA66上。同時，CNT/PA66氣凝膠可以在低CNTs負載下形成一個連續(xù)的導電網(wǎng)。因此，CNT/PA66氣凝膠具有良好的電磁波吸收特性，在13.9 GHz時最小反射損耗為-44.3 dB，有效吸收帶寬為3.5 GHz。Zhao J等［21］通過水熱法、熱處理和溶液澆注法獲得了二氧化錫和多壁碳納米管（MWCNT）復合的SnO2@MWCNT/硅橡膠吸波復合吸收劑。實驗分析得出，當SnO2@MWCNT的質(zhì)量分數(shù)為7.5 wt.%，樣品厚度為2.6 mm時，SnO2@MWCNT/硅橡膠吸波復合材料的最小反射損耗為-56.9 dB，有效吸收帶寬為3.1 GHz。之后，Zhao J等［22］將二氧化錫和無定形碳同時引入到MWCNT的表面，然后進行熱處理，最終得到具有三元異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-SnO2-MWCNT吸收劑。隨后，制備了C-SnO2-MWCNT/硅橡膠吸波復合材料。實驗表明：當C-SnO2-MWCNT的質(zhì)量分數(shù)為30 wt.%，厚度為2.65 mm時，其最小反射損耗和有效吸收帶寬可以分別達到-53.5 dB和3.16 GHz。

考慮到部分納米吸收劑環(huán)境耐受性不足，例如石墨烯在高溫和氧氣環(huán)境下容易被氧化，Luo C等［23］通過聚合物先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷（PDC）法制造出石墨烯@Fe3O4/碳氮化硅硼（SiBCN）納米復合物，該復合物具有分層的A/B/C結(jié)構(gòu)，其中SiBCN作為“盾牌”保護石墨烯@Fe3O4免受高溫氧化。這些納米復合物即使在1100~1400 ℃的氬氣或空氣環(huán)境中也很穩(wěn)定。它們的最小反射損耗和有效吸收帶寬在環(huán)境溫度下分別為-43.78 dB和3.4 GHz。在600 ℃氧化后，它們表現(xiàn)出更好的電磁波吸收性能，在600 ℃的高溫下，其有效吸收帶寬為3.93 GHz，覆蓋了X波段的93.6 %的范圍。與以前的石墨烯工作能力相比，這些納米復合物的有效吸收帶寬或最小反射損耗在高溫和氧化下都很出色。這種新型的納米材料技術(shù)將有助于提升吸波涂料在惡劣環(huán)境下的工作能力。

當然，非納米材料的復合也依然具備研究潛力，Wei D等［24］通過一鍋水熱法合成了具有電磁波吸收功能的C/ZnO復合涂料。結(jié)果表明，在乙酸鋅與葡萄糖的摩爾比為1∶8，樣品厚度為1.16 mm時，電磁波的有效吸收帶寬可達3.52 GHz，最小反射損耗在15.77 GHz時達到-50.43 dB。

復合涂料的另一大優(yōu)勢是可以通過調(diào)節(jié)涂層厚度、濃度比例來實現(xiàn)多波段吸收效果。Guan Z J等［25］設計了納米組裝的CoFe-CoFe2O4@C復合顆粒，這種獨特的材料在不同的頻段上表現(xiàn)出優(yōu)異的分段電磁特性。在3.4 mm涂層中，觀察到4.78 GHz的最小反射損耗為-71.73 dB。當涂層厚度縮減至1.56 mm，則觀察到13 GHz的最小反射損耗也超過了-60 dB，這一現(xiàn)象為設計多波段吸收提供了新的途徑。Feng A等［26］合成了一種新型的CF@NiFe2O4與植酸摻雜的聚苯胺復合涂料CF@NiFe2O4@p-PANI。首先，通過溶劑熱法得到CF@NiFe2O4復合材料，然后在CF@NiFe2O4復合材料的表面原位生長植酸摻雜的聚苯胺。分析得出當樣品厚度為2.9 mm時，其最小反射損耗為-46 dB，而當樣品厚度為1.5 mm時，其有效吸收帶寬為5 GHz。

結(jié)合研究成果，從最小反射損耗和有效吸收帶寬這兩大核心指標進行分析，可以發(fā)現(xiàn)納米吸波涂料在最小反射損耗上相較于其他材料具有明顯優(yōu)勢，以C/ZnO和SiCnw/MXene為例，在相近的最佳吸波頻率，SiCnw/MXene的最小反射損耗明顯優(yōu)于C/ZnO。有效吸收帶寬方面也是納米復合涂料CNTs/SiCf覆蓋頻段更多，達到了8.8 GHz。值得一提的是，F(xiàn)eCo/CNFs材料具有非連續(xù)雙頻段吸收峰，也為吸波涂料的多頻段兼顧性研究開辟了新的思路。

4 結(jié) 語

在科技發(fā)展、裝備升級的時代背景下，吸波涂料作為降低裝備RCS、提升裝備隱身能力的有效手段，必將受到更多關(guān)注。通過對目前吸波材料存在的問題進行分析，其未來發(fā)展方向主要有以下幾個方面：

（1）提升環(huán)境耐受性；面對高溫/極寒、高濕/干燥等極端復雜環(huán)境，吸波涂料由于長期與空氣接觸，需要具備良好的化學穩(wěn)定性、耐熱性、高黏附性和韌性，其環(huán)境耐受性將直接影響裝備可靠性。

（2）加強輕量化研究；在保證涂料結(jié)構(gòu)強度的前提下，采取優(yōu)化結(jié)構(gòu)、精細化處理、多材料復合等手段進行輕量化設計，有助于提升裝備的適裝性、控制穩(wěn)定性和機動效能。

（3）拓展多頻兼容能力；隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，多頻段綜合射頻系統(tǒng)得到了廣泛的應用，隱身裝備需要應對更為復雜的電磁環(huán)境，吸波涂料的有效吸收帶寬將直接決定裝備的戰(zhàn)場生存能力。

（4）引入新型材料技術(shù)；納米吸收劑具有反射損耗大、有效帶寬覆蓋廣等優(yōu)勢，是未來主流發(fā)展方向，但其環(huán)境耐受性和經(jīng)濟性上還有待提升，在后續(xù)工程化應用中，還應加強相關(guān)研究和實驗。