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雷达隐身塑料:达到10dB电磁屏蔽效果的材料选择

时间:2023-06-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:不同的隐身方法应选用不同的隐身材料,对雷达隐身技术而言,一般要求在30~100GHz频率范围内达到电磁屏蔽效果为10dB的水平。用其制作的吸波薄膜、涂料或复合材料,具有很强的吸波率,还可以配制宽频带吸收红外光等各种功能雷达隐身材料。

雷达隐身塑料:达到10dB电磁屏蔽效果的材料选择

雷达隐身塑料是指具有吸收雷达波,减少雷达波沿目标物表面散射截面(RCS),降低可视性(LO)和反射率功能的塑料,它可吸收雷达波并将其转换为其他能(如机械能,热能,电能)而消耗掉。

目前常用的隐身方法有如下三种:

第一种是介电型隐身法,即采用表面电抗低、导电导磁性的高分子材料复合材料作电磁屏蔽层,当射入电磁波后表面反射小,且可依靠自身的介电性(如介电常数电阻率),使电磁波在材料内部发生电导损耗、高频介电损耗和磁滞损耗,将其特化为热能而消耗掉,从而实现隐身的效果。这种方法应用较广,效果好,工艺简便,如某些宽频吸波材料可将电磁波能量衰减到12dB,吸收率达95%。

第二种方法称为谐振(干涉)型隐身法,是当电磁波射入时使其发生内部反射,且与随后射入波“对撞”互相干涉而抵消,从而降低回波的能量。

第三种方法称为衰减型隐身法,是将吸波层作成夹心或蜂窝结构层与非金属材料组成隐身层,如在PU蜂窝层中加入石墨及炭粉等吸波剂,可使部分射入电磁波被吸波剂吸收,另一部分波在蜂窝层中多次反射而衰减。

不同的隐身方法应选用不同的隐身材料,对雷达隐身技术而言,一般要求在30~100GHz频率范围内达到电磁屏蔽效果为10dB的水平。电磁屏蔽效果与诸多因素有关,如吸波材料品种、性能、组分及配比、隐身层厚度、外形结构设计、填充料与树脂匹配性、组分及配比、配制工艺及制品成型工艺、雷达波的特性及隐身物体的工作环境条件等因素都会影响电磁屏蔽效果,只有在各因素互相匹配的条件下才能取得最佳的隐身效果。一般希望隐身材料具有吸波性强、频带宽、轻质薄壁,具有适应工作环境的综合性能,如强度、耐热防潮性等。

1.雷达隐身材料常用的吸波填料

目前雷达隐身材料多数为吸波填料与高分子材料组成的复合材料,其常用吸波填料的品种及特性见表16-80。

2.几种雷达隐身塑料简介

(1)导电高分子塑料 导电高分子材料在半导体态时具有优良的吸波性,在一定导电率范围内随着电导率增大,电磁屏蔽效果也增大,而雷达波反射率变小,因此它是人们关注的一种雷达隐身材料,常用其配制成涂料或薄膜用作隐身材料。据美国试验报导,用2mm厚的聚乙炔膜,在35GHz频宽时微波吸收率可达90%。如用导电塑料与无机磁损耗材料配制成复合物,则效果更好,且可利用其特性用作特性隐身材料,如用聚苯胺/氰酸盐晶须可配制成有光学特性的高透明隐身溶液,喷涂于飞机舱盖、制导武器及巡航导弹的探测窗口可有效地降低雷达波的反射率。又如硅氧烷基聚合物,具有导电、耐高温、耐腐蚀、高介电常数等特性,故可用作耐高温介电型吸波材料。

(2)手性材料 手性是指一个物体与其镜像不存在几何对称性,且不能通过任何操作使物体与镜像相重合的性能。具有这种性能的材料具有减少电磁波反射和吸收电磁波的功能。材料的屏蔽效果用手性参数β来表示。β值决定于材料中填充的手性掺杂物的几何形状、电性能、导磁性及其分布特性。大多数材料在设计时希望β值尽可能接近

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16-80 常用吸波填料品种及特性

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式中,f是频率;μ是材料的复磁率;ε是材料的介电常数。

手性材料是目前正在研发试用的新材料,有本征手性物及结构手性物两种形式。本征手性物体是在基体材料中掺杂了具有手征特性的掺杂物,如螺旋线粒料,称其为本身几何形状即具有手征的物体。掺杂物采用金属物或非金属物,前者掺杂量<3%(体积分数),后者掺杂量<20%(体积分数)。非金属物可用陶瓷、高相对分子质量聚合物(相对分子质量>20万)或其他介电材料。掺杂物与基体材料的介电常数必须明显不同,且尺寸与微波长相适应。但掺杂量过大会导致电磁波反射增大。

结构手性物是由多层增强纤维组成的。纤维可采用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等。每层纤维同方向铺置,且按铺置方向为轴向,下一层纤维的轴向与上层轴向错开一个角度铺叠,如此层间以角度渐变的方式叠合而成的材料称为结构型手性材料。

由上述可知,手性材料实际上是人工组成的掺杂填充和纤维增强材料。这种材料有以下优点:

1)对频率变化敏感性小,容易制作宽频吸波和低反射率的材料。

2)吸波性可设计性强,调节β值即可设计不同效果的吸波材料。

(3)宽频带吸波塑料 导磁性塑料吸收频带窄,密度大,因此各国竞相开发新型材料,如席夫碱基盐类和多晶铁纤维类等磁性吸波材料等。它们密度小,席夫碱基盐类的密度仅为铁氧体密度的10%;用多晶铁纤维涂层质量可减轻40%~60%,且可在很宽频率范围内保持高吸波率,可实现雷达吸收材料薄、轻、宽频带的要求。

(4)纳米隐身塑料 纳米改性塑料具有许多奇异的特性,所以颇受人们的关注,用其开发了各种特种功能的隐身塑料。用其制作的吸波薄膜、涂料或复合材料,具有很强的吸波率(高达99%),还可以配制宽频带吸收红外光等各种功能雷达隐身材料。常见的纳米材料及基材见表16-81~表16-82。(www.xing528.com)

16-81 纳米隐身塑料品种及特性

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16-82 常用的吸波材料及其基体材料

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(续)

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(5)智能隐身塑料 智能隐身塑料是一种集感知、判断和执行功能于一身的自适应性塑料。在高度活性材料中配制了传感器、控制器和执行器等即可组成智能隐身塑料,它们对雷达波、可见光红外线声波都可具有隐身效果。如在聚氨酯分子中嵌入高活性丁二炔链段,聚合成聚丁二炔生成带有自由电子的共轭结构,且在材料中加入传感器和控制器,即可识别环境的波长。光强度、温度等各类因素。如当受雷达波刺激后,材料会发生某种状态的变化,传感器可将感觉转化为信息传递给控制器,控制器处理信息后与预设的程序进行识别,数据处理后发出适应屏蔽射入雷达波指令,使活性材料改变形态达到最佳的隐身效果。又如喷涂在坦克表面的智能材料层可自动检测并改变其表面温度控制红外辐射强度,降低红外辐射,使其具有自检、自控、自校正和自适应功能。

3.雷达隐身层的结构形式

隐身层的结构形式是决定屏蔽效果好坏的关键因素之一,屏蔽层结构必须与材料、屏蔽指标、使用条件等诸多因素相适应,不同的结构形式有不同的屏蔽效果。隐身层的结构形式可分为涂覆型及结构型两种。涂覆型包括涂料、贴片及涂覆结构型(如单层、双层、多层等)。结构型隐身层是指由隐身复合材料组成不同夹层结构,如波纹板夹层结构、夹层填充结构、多层板结构等,它们既具有隐身功能,又可作结构件。

(1)涂覆型隐身结构 主要用吸波性填料与树脂或结构型功能塑料配制成涂料、薄膜(片)材、粘结剂等,覆盖于目标物上作隐身层。其常用材料见表16-83。

涂层结构可分单层、双层、多层等。单层结构一般用导电纤维、树脂及损耗介质混合均匀后直接热压成型或喷涂成型,其频带窄,吸波性调节范围小,是早期的隐身结构,现在还用于高楼、桥梁等建筑物上作吸波材料。双层及多层结构具有较好的吸波性,频带宽,调节范围大,且具有综合性能,如用金属纤维、芳纶纤维和聚丙烯组成的复合料为面层,用聚酯纤维层和双面镀铝塑料膜组成复合料为底层,两者组成结构型涂覆层可起到二次吸波作用。此外,还可按吸波机理设计吸收型、干涉型等各种涂覆结构,它们各有不同特性和用途,品种繁多。

16-83 涂覆型隐身材料

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(2)结构型隐身结构结构 型隐身层的结构形式很多,一般为夹层式,即上下是蒙皮,中间为夹层结构,彼此用粘接、焊接或机械结构方式连接成整体。最常用的夹层结构为蜂窝结构,即夹层由垂直铺置的六方形中空洞穴连接成层。结构型隐身层的厚度控制在雷达波长的一半(按最低频率计算)。如果一种结构形式难以达到完全隐身,可采用多种结构综合组合形式,或多层结构。

结构型隐身层结构(RAS)需进行电磁学力学、电学等专业设计与计算,所用的材料也需专业处理,如采用三角形或有棱角截面的纤维材料;在树脂中要添加吸波剂填料等,均为专业技术,需要了解的读者可参考有关专业资料。

结构型隐身结构所用的材料是一种多功能增强材料,可作承载结构件,其质轻,强度高,又可吸收电磁波。其常用材料及几种结构形式见表16-84~表16-85。

16-84 结构型隐身件用吸波材料

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16-85 结构型隐身件的结构形式

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