雷达吸波材料

雷达吸波结构复合材料随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场、机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院、移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。电磁辐射通过热效应、非热效应、累积效应对人体造成直接和间接的伤害。研究证实，铁氧体吸波材料性能最佳，它具有吸收频段高、吸收率高、匹配厚度薄等特点。将这种材料应用于电子设备中可吸收泄露的电磁辐射，能达到消除电磁干扰的目的。根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律，利用高磁导率铁氧体引导电磁波，通过共振，大量吸收电磁波的辐射能量，再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。吸波材料的损耗机制大致可以分为以下几类：其一，电阻型损耗，此类吸收机制和材料的导电率有关的电阻性损耗，即导电率越大，载流子引起的宏观电流（包括电场变化引起的电流以及磁场变化引起的涡流）越大，从而有利于电磁能转化成为热能。其二，电介质损耗，它是一类和电极有关的介质损耗吸收机制，即通过介质反复极化产生的“摩擦”作用将电磁能转化成热能耗散掉。电介质极化过程包括：电子云位移极化，极性介质电矩转向极化，电铁体电畴转向极化以及壁位移等。其三，磁损耗，此类吸收机制是一类和铁磁性介质的动态磁化过程有关的磁损耗，此类损耗可以细化为：磁滞损耗，旋磁涡流、阻尼损耗以及磁后效效应等，其主要来源是和磁滞机制相似的磁畴转向、磁畴壁位移以及磁畴自然共振等。此外，最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点。雷达吸波结构复合材料主要指纤维增强吸波复合材料和夹层结构吸波复合材料。纤维增强吸波复合材料一般由玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等增强，树脂基体中填充吸收剂或直接由本身吸收雷达波性能好的纤维与树脂构成。夹层结构吸波复合材料是用透波性能好、强度高的复合材料做成面板，其夹芯制成蜂窝、波纹或角锥结构，在夹芯壁上涂覆吸波涂层或在夹芯中填充轻质泡沫型吸收材料，构成夹层结构吸波材料。1、吸波复合材料的优点吸波复合材料不仅具有一般复合材料比重低、比强度高、比模量高的力学优点，同时还能有效地吸收和衰减雷达波，使反射信号显著降低这种特点就决定了吸波复合材料在有效吸收衰减雷达波使飞机隐身的同时，本身还是一种结构料，起着承载和减重的作用。减重对隐身飞机来讲有着更为特殊的意义。因为隐身飞机外涂的吸波材料如铁氧体等，一般不能承载且增加重量；若能通过采用吸波复合材料抵消吸波涂料增加的重量，则可获得更好的吸波效果且不会影响飞机的其他性能。复合材料从制造工艺上能够实现复杂外形结构的大面积精确整体成型，从而更好地保证飞机的气动外形。如号称“飞翼”的B-2，高度的翼身融合，外形曲面极其复杂，若采用金属结构，将极为困难；但采用复合材料结构，则只要模具能制造出来，成型就不成问题，从而使制造工艺上的难题迎刃而解。2、目前应用的主要吸波复合材料（1）碳-碳复合材料美国威廉斯国际公司研制的碳-碳复合材料适用于高温部位，能很好地抑制红外辐射并吸收雷达波。在发动机部位用致密炭泡沫层来吸收发动机排气的热辐射，还可制成机翼前缘、机头及机尾。（2）含铁氧体的玻璃钢材料这种材料质轻、强度和刚度高，日本已将它装备在空对舰导弹(ASM-1)的尾翼上，其弹翼也将使用这种材料改装，使其隐身性能大为提高。（3）充填石墨的复合材料美国在石墨-热塑性复合材料和石墨-环氧树脂复合材料的研制方面取得很大进展，这些材料在低温下仍保持韧性。（4）玻塑材料这种由美国道尔化学公司研制的材料型号为Fibalog，是在塑料中加入玻璃纤维而制成的，据报道，这种材料较坚硬，可作为飞机蒙皮和一些内部构件，而无需加金属加强筋，并具有较好的吸收雷达波特性。（5）碳纤维复合材料美国空军材料实验室研制的碳纤维复合材料能吸收辐射热，而不反射辐射热，既能降低雷达波特性，又能降低红外线特征，用它可制作发动机舱蒙皮、机翼前缘以及机身前段。（6）碳化硅纤维、碳化硅-碳纤维复合材料碳化硅纤维中含硅，不仅吸波特性好，能减弱发动机红外信号，而且具有耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高等优点，是国外发展很快的吸波材料之一，但仍存在一些问题，如电阻率太高等。将碳、碳化硅以不同比例，通过人工设计的方法，控制其电阻率，便可制成耐高温、抗氧化、具有优异力学性能和良好吸波性能的SiC-C复合纤维。SiC-C复合纤维与环氧树脂制成的复合材料，由SiC-C纤维和接枝酰亚胺基团与环氧树脂共聚改性为基体组成的结构材料，吸波性能都很优异。（7）混杂纤维增强复合材料混杂纤维复合材料是指两种或两种以上的纤维增强同一种基体得到的复合材料。在力学性能上，混杂纤维复合材料不仅能保留单一纤维复合材料的优点，还可做到不同纤维间性能取长补短、匹配协调，使之具有优异的综合性能。根据不同部位、不同结构的不同要求，隐身飞机上可能较多地采用了混杂复合材料，以增加吸波效果、拓宽吸波频带。玻璃纤维、芳纶、碳纤维等可混杂使用，即可层内混杂或层间混杂。目前已能制造出吸波性能很好的混杂纤维增强复合材料，广泛用于飞机制造中。（8）特殊碳纤维增强的碳-热塑性树脂基复合材料与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有耐高温、韧性好、损伤容限能力强、便于大面积整体成型和再加工等一系列优点，是国外正在发展的一种新型的复合材料。如PEEK、PEK和PPS等树脂都具有比较好的雷达传输和介电透射特性，当雷达波透射到这些树脂基复合材料时，不容易形成爬行的电磁波。这种材料具有极好的吸波性能，能使频率为0.1MHz～50GHz的脉冲大幅度衰减，现在已用于先进战斗机（ATF）的机身和机翼，其型号为APC（HTX）。另外APC-2是CelionG40-700碳纤维与PEEK复丝混杂纱单向增强的品级，特别适宜制造直升机旋翼和导弹壳体，美国隐身直升机LHX已经采用此种复合材料。（9）结构手征复合材料手征材料特征是指物体与其镜像不存在几何对称性，而且不能使用任何方法使物体与镜像相重合。手征材料的研究是当前吸波材料的一个热门领域，它与普通材料相比，有两个优势：一是调整手征参数比调节介电参数和磁导率容易，大多数材料的介电参数和磁导率很难在较宽的频带上满足反射要求；二是手征材料的频率敏感性比介电参数和磁导率小，容易实现宽频吸波。在实际应用中主要有本征手征物体及结构手征物体两类，本征手征物体本身的几何形状如螺旋线等，使其成为手征物体，结构手征物体各向异性的不同部分与其它成分成一角度关系，从而产生手征行为，结构手征材料可由多层纤维增强材料构成，其中纤维可以是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维等，可将每层的纤维方向看作该层的轴线，将各层纤维材料以角度渐变的方式叠合时，构成结构手征复合材料。