1、高温雷达吸波材料研究现状与展望,报告人：龙华倩,期刊：无机材料学报 2014年5月 第29卷第5期：461-469作者：丁东海，罗发，周万成，史毅敏，周亮,目录,1. 研究背景2. 高温吸波材料设计准则3. C、SiC、ZnO 高温吸收剂研究现状4. 涂覆型与结构型高温吸波材料,研究背景,1）吸波材料：可以将电磁波能量转化为热能而衰减雷达波， 是实现雷达隐身的重要手段。2）吸波材料必须具备的条件： 厚度薄、质量轻、吸收频率宽、吸收能力强 耐高温 抗氧化 高强度 高韧性 低密度,吸波基本原理,吸波材料能吸收或衰减入射的电磁波，使其因干涉而消失或其电磁能转换为其他形式的能量。其基本原理包括干涉作用
2、和吸收作用。,1. 干涉作用 干涉作用是将入射的电磁波分成两部分，一部分从吸波层表面反射，另一部分透过吸波层后经底层反射后再穿过吸波层射出来。若经底层反射的波与吸波层表面反射的波相位正好相反，两段波便可发生干涉而减弱。,2. 吸收作用 材料对电磁波产生吸收作用有两个条件：电磁波入射到材料上时能最大限度地进入到材料内部， 即电磁匹配要好(匹配特性)；(2)进入材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉，即电磁损 耗要大(衰减特性)。,吸波基本原理,衰减特性：电磁波在材料内产生电损耗或磁损耗，使电磁 波的电磁性能转为其他形式的能量散失掉，达 到减少反射的目的。,吸波基本原理,电损耗机理：依靠电介质的极化机理
3、吸收、衰减电磁波。 极化的基本形式包括位移式极化和松弛极化。,弹性，瞬时完成，其极化过程不消耗能量，一般发生在物质结构紧密、规则的地方。,与热运动有关，非弹性，需一定时间，需消耗一定的能量。,电损耗介质的吸波机理主要是松弛极化。松弛极化与电场作用和热运动有关。热运动的作用力图使材料中的质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最终结果是使质点按电场规律分布，然而在质点移动过程中克服了一定的势垒，时间较长，需吸收一定能量。,高温吸波材料设计准则,1）自由空间与材料表面的阻抗匹配以减少电磁波的反射, 要 求材料的复介电常数与复磁导率接近；2）进入材料内部的电磁波可以被尽可能多的损耗, 要求
4、材料 有足够大的电损耗或者磁损耗, 即足够高的复介电常数或 者复磁导率。,吸波能力方程,(1),(2),RL表示反射率；Zin表示入射波在自由空间与材料界面处的阻抗；Z0 为入射波在自由空间的阻抗；r 与 r 分别表示材料相对复磁导率与复介电常数；c 为光速；t 为材料厚度；f 为电磁波频率。,吸波能力方程,常温下, 吸波材料 RL 是 r 、 r 、 f 、 t 的函数。,材料电磁参数与环境温度密切相关, 高温下材料失去磁性, 复磁导率等于 1, 复介电常数随温度不同而变化。高温下, 吸波材料 RL 是 r(T) 、f 、t 、T的函数 。,高温吸收剂,高温吸波材料的传统设计思路是将高温吸收
5、剂填入陶瓷或者玻璃基体, 通过调整吸收剂种类、含量、尺寸、形貌、分布状态等实现材料吸波性能的优化。因此, 制备综合性能优良的吸收剂是高温吸波材料研制首要解决的问题。密度较大的磁性吸收剂在居里温度以上转变为顺磁体, 失去磁性, 不适合作为高温吸收剂。高温吸收剂以电损耗为主, 研究较多的主要是 C、SiC、ZnO 吸收剂。,高温吸收剂,C 吸收剂,SiC 吸收剂,ZnO 吸收剂,密度低(质轻)惰性气氛耐高温电性能可调来源广泛电导率较高高温易氧化,高温稳定性优越介电性能可调纯ZnO介电损耗较低,高温稳定性优越介电性能可调纯SiC介电损耗较低,碳吸收剂,Disadvantage:,One,Two,热解
6、工艺优化,碳材料的电性能主要决定于石墨化程度, 如果石墨化程度过低, 损耗能力较弱; 如果石墨化程度过高, 则电导率较高, 阻抗匹配变差。因此, 可以通过优化碳材料制备工艺, 控制石墨化度, 改善阻抗匹配特性。,图1 苯分子的离域键,中空多孔炭纤维吸收剂,(a)1/min(b)2/min(c)3/min(d)4/min,图2 不同预氧化升温速率、同一碳化条件下获得的HPCFs截面SEM形貌图,图3 HPCFs体电导率随预氧化升温速率的变化关系曲线,中空多孔炭纤维吸收剂,图4 HPCFs体电导率随碳化升温速率的变化关系曲线,中空多孔炭纤维吸收剂,小结,1. 升温速率 ,不利于HPCFs微孔的形成
7、与保持,2. 热处理升温速率 ,体电导率 ,介电常数 ,注意：预氧化升温速率较炭化升温速率变化幅度大！,表面涂覆,在碳吸收剂表面制备电导率较低的陶瓷涂层, 不仅可以改善阻抗匹配特性, 减少电磁波的反射, 而且可以提高其抗氧化性能。,SiO2 壳层,BN,C/SiO21、方法：静电纺丝2、厚度：20nm,介电常数与介电损耗都较低，起始氧化温度超过800, 可以形成致密的B2O3保护膜,Disadvantage: Low dielectric loss,SiC absorber,How to improve the ability of dielectric loss？,On the one ha
8、nd，Lattice doped ；On the other hand，,SiC fiber absorbent。,1、控制自由碳含量及石墨化度；2、引入异质金属元素；3、改变纤维截面形状。,Change the fiber cross section shape,(a) Swirl shape,(b) “T” shape,Fig.2 Microwave absorbing silicon carbide fibers with non-circular section,(c) “C” shape,(d) Cross shape,Disadvantage: Pure ZnO have low
9、Electrical conductivity,How to enhance the Electrical conductivity？,On the one hand，Lattice doped ；On the other hand，,Morphology control。,ZnO absorber,涂覆型吸波材料,添加剂性质填充比例涂层厚度,提高磁导率,添加剂和吸波剂设计,提高吸波性能,提高吸波性能,阻抗匹配,吸波涂层一般由吸波剂和粘结剂组成；吸波剂是涂层的关键，决定了吸波涂层对入射电磁波的损耗能力；粘结剂是涂层的成膜物质，可以使涂层牢固附着于被涂敷物体表面，形成连续膜。粘结剂必须是透波材料
10、。,优点：吸波涂层对目标的外形适应能力强； 对装备的改动比较小，特别适用于现有装备的隐身； 吸波涂层施工方便，对武器装备的机动、火力等影响较小。缺点：频段窄，一般只适用于某一固定频段； 粘结性差，易脱落，受外界环境因素影响大； 密度大，影响飞机、导弹等的飞行性能。,涂覆型吸波材料,F-35全称“联合攻击战斗机(JSF)”代号“Lightning” ，2006年12月首飞，成本1.2亿美元，采用波音公司的“幽灵工厂”生产的隐身涂层,美国F-35隐身战斗机,美国F-22隐身战斗机,F-22沿用了F-35使用的隐身涂层材料，但改善了材料的耐久性能，节约了维护时间和成本。,吸波涂层,Advantage
11、,隐形战机歼10b,高温吸波涂层,基体：环氧改性有机硅树脂,无机填料：云母粉和玻璃粉,吸收剂：短切碳纤维,涂层可在600短时间使用,传统热压法可以在金属表面制备结合强度高、抗热应力性能好的玻璃或者陶瓷基吸波涂层, 但是该工艺仅能应用于平板金属, 不适用于异型表面。热喷涂可以利用热源将陶瓷粒子加热到熔融或半熔融状态, 同时借助火焰或者高速气体, 将其喷射到金属表面, 沉积成涂层。由于喷涂过程中, 陶瓷粒子具有较高的动能与热能, 使得涂层与基体或粒子之间形成较强结合, 涂层厚度可控, 并且喷涂受构件形状限制较小, 适于制备高温吸波涂层。,结构吸波材料,结构吸波材料具有承载和隐身的双重功能；具备复合材料质轻、高强的优点；一般使用于仅靠吸波涂层难以得到隐身效果的部位。优点：可以根据需要设计成所需结构，隐身效果好； 受环境影响小，适应环境能力强； 集吸波、承载及防热于一体。缺点：应用于高温部件仍存在内应力大、 抗热冲击性能差、 施工维护困难 。,2018/6/6,The End Thank you for attention!,
