為了提高國(guó)防體系中地面軍事目標(biāo)的生存能力與武器系統(tǒng)的突防能力和縱深打擊能力,發(fā)展和應(yīng)用雷達(dá)隱身技術(shù)已成為國(guó)防體系發(fā)展的重要方向.雷達(dá)隱身技術(shù)是通過(guò)減弱、抑制、偏轉(zhuǎn)目標(biāo)的雷達(dá)回波強(qiáng)度或減少雷達(dá)散射面積(RCS),來(lái)降低敵方對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率,其中,能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)隱身技術(shù)重大突破的途徑主要是發(fā)展高效的雷達(dá)吸波材料.良好的吸波材料必須具備兩個(gè)條件:①是當(dāng)電磁波傳播、入射到材料表面(表層)時(shí),能夠最大限度地使電磁波進(jìn)入到材料內(nèi)部,以減少電磁波的直接反射;②是當(dāng)電磁波一旦進(jìn)入材料內(nèi)部,應(yīng)能夠?qū)θ肷潆姶挪ㄟM(jìn)行有效地吸收或衰減[1, 2].由于單層電磁波吸收體設(shè)計(jì)可變參量少,難以滿足以上兩個(gè)條件而獲得良好的吸波效果,因此,雙層吸波材料的研制勢(shì)在必行.在已報(bào)道的相關(guān)文獻(xiàn)中,雙層吸波體中匹配層多選用玻璃纖維或其他種類(lèi)的透波材料,吸收層多選用鐵氧體或其他種類(lèi)的透波材料磁性粉體,制備成本高、比重較大且成型工藝復(fù)雜,限制了其實(shí)用性[3-5].二氧化錳的體積電導(dǎo)率在10-6(Ω-1·cm-1)數(shù)量級(jí)[6],其導(dǎo)電性能并不好,但其在微波輻照作用下的升溫速度可以達(dá)到10·80 K/s,在100 s內(nèi)溫度由室溫298 K上升到1378 K[7],表明二氧化錳具有較好的微波吸收性能,對(duì)電磁波有一定的損耗作用;管洪濤等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)二氧化錳屬于一種介電損耗介質(zhì),并將二氧化錳應(yīng)用于石英復(fù)合材料中,在低頻下取得了較好的吸波性能.段玉平等[8]發(fā)現(xiàn)二氧化錳的加入能有效提高二氧化錳/炭黑的電磁波吸收性能.本文依據(jù)阻抗匹配原理和電磁波傳播規(guī)律設(shè)計(jì)了雙層復(fù)合吸波材料,在匹配層中引入二氧化錳或炭黑作為填料,吸收層采用介電常數(shù)較高的炭黑作為吸波劑,以期能對(duì)吸收劑的復(fù)合使用有更多的了解,并實(shí)現(xiàn)其工程上的應(yīng)用.

1·實(shí)　驗(yàn)

1·1　實(shí)驗(yàn)材料

N234炭黑,粒徑20~30 nm,遼寧撫順東信化工有限公司生產(chǎn);二氧化錳,粒徑約為110~150 nm,湖南科源科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn);E-44環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑低分子聚酰胺,無(wú)錫樹(shù)脂廠生產(chǎn);稀釋劑為無(wú)水乙醇,沈陽(yáng)試劑廠生產(chǎn).

1·2　主要設(shè)備及儀器

MG250/390球磨機(jī); XSJ200型行星式雙軸攪拌機(jī);HP8720B網(wǎng)絡(luò)分析儀.

1·3　試樣制備

將炭黑在球磨機(jī)中球磨5 h,使炭黑顆粒達(dá)到納米量級(jí).由于炭黑表面存在某些化學(xué)基團(tuán)和有機(jī)物成分,會(huì)影響其導(dǎo)電性能,因此,在使用前需要對(duì)炭黑進(jìn)行表面預(yù)處理.首先將炭黑用10%HCl溶液浸漬,過(guò)濾,烘干.然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下,在700℃下加熱30 min,以除去表面的有機(jī)物,同時(shí)達(dá)到活化炭黑的目的.

將處理后的炭黑與環(huán)氧樹(shù)脂、稀釋劑以及固化劑混合,然后在攪拌機(jī)中攪拌均勻后注模,試樣截面大小為200 mm×200 mm,常溫固化成型.當(dāng)?shù)讓庸袒?面層(匹配層)是一定配比的炭黑或二氧化錳與環(huán)氧樹(shù)脂、稀釋劑、固化劑均勻混合物,將混和物攪拌均勻后澆鋪在底層上,面層與底層緊密粘結(jié)常溫固化成型.針對(duì)工程用吸波材料要求輕、薄的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了1#~9#試樣.具體成分配比如表1所示.

1·4　測(cè)試方法

炭黑和二氧化錳粉體的電磁參數(shù)采用同軸法蘭法在北京航空材料研究總院進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試頻段為2~18 GHz.

炭黑、二氧化錳表面形貌采用JEM2100CX-Ⅱ型高分辨率透鏡進(jìn)行測(cè)試.

 

復(fù)合材料的吸波性能采用弓形反射法按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB2038-94的規(guī)定在微波暗室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試,所用設(shè)備為HP8320B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(集成信號(hào)源,動(dòng)態(tài)范圍95 dB),測(cè)試頻率為8~18 GHz.

2·結(jié)果與討論

2·1　二氧化錳和炭黑介電性能的研究

炭黑和二氧化錳粉體的電磁參數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖1所示.二氧化錳屬于一種介電型吸波劑,主要通過(guò)介電損耗衰減電磁波.從二氧化錳的微觀結(jié)構(gòu)上看,二氧化錳的基本單元是由1個(gè)錳原子和6個(gè)氧原子構(gòu)成的密堆積結(jié)構(gòu),是以錳原子為中心構(gòu)成八面體.二氧化錳晶體中含有大量的隧道和空穴[9],這種隧道和空穴結(jié)構(gòu)一方面可以接納其他的離子或分子,另一方面在電磁場(chǎng)作用下正負(fù)電荷容易向兩極移動(dòng),最后聚集在界面處產(chǎn)生界面極化和空間電荷極化,這種極化是造成二氧化錳材料對(duì)電磁波介電損耗的重要原因之一.目前,對(duì)二氧化錳摻雜金屬氧化物的電磁性能研究已經(jīng)充分證明了這一點(diǎn)[10].在電磁場(chǎng)作用下,二氧化錳結(jié)構(gòu)中的載流子引起局域化堆積,從而造成空間電荷極化,由于空間電荷載流子的堆積需要一定的時(shí)間,以使得載流子的軸向與外加電磁場(chǎng)的方向相同,因此,在不同頻率下具有不同的極化強(qiáng)度,由此造成二氧化錳粒子的頻散特性.隨著頻率的增加,載流子的變化落后于外加電磁場(chǎng)的變化,造成介電常數(shù)的降低,所以二氧化錳的介電常數(shù)對(duì)頻率的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì).

從圖1可以看到,二氧化錳的介電常數(shù)較炭黑的介電常數(shù)要小得多.因此,用二氧化錳作為面層填料,炭黑作為吸波層填料是可行的.

2·2　透射電鏡結(jié)果表征

對(duì)炭黑形貌的分析如圖2所示,可見(jiàn)炭黑顆粒呈20~30 nm的球狀,且構(gòu)成葡萄狀的二次結(jié)構(gòu).根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知,炭黑是一種電損耗介質(zhì),吸波機(jī)制為:①偶極子的作用,導(dǎo)電粉末相當(dāng)于一偶極子,其振動(dòng)是阻尼振動(dòng),從而造成電磁波的衰減;②多重反射造成損耗;③導(dǎo)體粉末之間的漏電導(dǎo)效應(yīng).

由圖2MnO2顆粒形貌的TEM測(cè)試照片可以看出,MnO2具有不規(guī)則的片狀和條狀等結(jié)構(gòu),顆粒尺寸約為100~150 nm.由于顆粒的粒徑很小,表面積非常大,表面活性高,而且粒子數(shù)目多,在電磁場(chǎng)作用下,將有更多的粒子發(fā)生極化.同時(shí),納米顆粒具有更大的反射和散射截面,對(duì)入射電磁波的多次反射和散射作用更強(qiáng),因此,通常納米粒子的電磁損耗性能要比大顆粒體系強(qiáng)一些.另一方面,片狀和條狀粒子,具有更大的比表面積,在電磁場(chǎng)作用下能產(chǎn)生更大的吸收和散射截面[12].

　　2·3　雙層復(fù)合材料微波吸波特性

　　1#~9#試樣的反射率測(cè)試結(jié)果如圖3所示,

吸收峰值對(duì)比和優(yōu)于-10dB的頻寬如表2所示,測(cè)試頻段為8~18 GHz.由圖3可以看出:在吸收層厚度、炭黑含量相同,匹配層二氧化錳含量相同的情況下,隨著匹配層厚度的增加,雙層吸波材料的吸收峰值逐漸向高頻漂移; 1#試樣的吸波性能優(yōu)于4#試樣, 2#試樣的吸波性能與5#試樣的吸波性能相近, 3#試樣的吸波性能優(yōu)于6#試樣.這說(shuō)明:在吸波厚度、炭黑含量相同,匹配層厚度相同的情況下,匹配層中二氧化錳的填充量將直接影響到雙層吸波體的吸波效果.但是當(dāng)匹配層二氧化錳含量由10%增加到20%時(shí),雙層復(fù)合材料的吸波效果反而降低,這可能是由于匹配層面密度的增大導(dǎo)致雙層吸波體表面與空氣界面的阻抗匹配程度的降低,不利于電磁波進(jìn)入吸波體,所以會(huì)出現(xiàn)吸波效果降低的情況.因此,應(yīng)進(jìn)一步通過(guò)確定匹配層中MnO2的含量來(lái)改善材料的吸波效果.從表2也可以看出,二氧化錳作為匹配層時(shí),其吸收峰值和吸收帶寬得到普遍提高,當(dāng)匹配層吸收劑為10%的二氧化錳,吸收層吸收劑為30%的炭黑時(shí),雙層復(fù)合材料的電磁波吸收性能為最佳,特別是當(dāng)匹配層的厚度為2 mm時(shí),其吸收性能在8~18 GHz測(cè)試頻段內(nèi)的16·8 GHz達(dá)到-27·48 dB,優(yōu)于-10 dB的頻帶達(dá)8·6 GHz.從C/C復(fù)合材料到MnO2/C復(fù)合材料,吸波效果有了很大的改善,這也是本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用MnO2作為匹配層填充劑的一個(gè)意義所在.

3　結(jié)　論

1)匹配層為10% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的二氧化錳,吸收層為30% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的炭黑,且匹配層的厚度為2 mm時(shí),雙層復(fù)合吸波材料的吸收性能在8~18 GHz達(dá)到最優(yōu).

2)在吸收層厚度和炭黑含量相同的情況下,通過(guò)改變匹配層中炭黑、二氧化錳填充量和匹配層厚度來(lái)調(diào)整雙層吸波體電磁參數(shù)以達(dá)到雙層吸波體表面與空氣界面的波阻抗匹配是十分必要的.