電磁波隱身功能梯度材料
電磁波吸收體是為了取得最佳電磁波吸收效果而結(jié)構(gòu)化的電磁波吸收材料,它的研究是以吸收材料的研究為基礎(chǔ),目前已獲得實(shí)用化的吸收體結(jié)構(gòu)有:(1) 單層結(jié)構(gòu):表現(xiàn)為復(fù)合材料的單涂層和單層吸收體。(2) 多層結(jié)構(gòu):由透波層、阻抗匹配層、吸收層以及反射背襯等組成。其中用得最廣泛的是多層結(jié)構(gòu)吸波材料,它主要有兩種:一種是阻抗?jié)u變梯度吸波材料,例如電阻漸變型吸波材料,即Jaumann吸收體,它是一種多層電阻片型吸波材料,其典型結(jié)構(gòu)如圖1。為了獲得最佳吸收效果,電阻片的電阻從前至后逐漸變小。吸收體的帶寬與所采用的電阻片個數(shù)有關(guān)。通過改變各層片阻抗,能夠“調(diào)節(jié)”整個設(shè)計,這些單獨(dú)的層片通常用蜂窩夾芯或塑料隔離。另外一種形式是漸變介質(zhì)吸收體,即Dallenbach結(jié)構(gòu)體,同Jaumann吸收體通過電阻片電阻的縮減來減少反射一樣,它可用來實(shí)現(xiàn)真空與理想導(dǎo)體間的阻抗匹配,其典型結(jié)構(gòu)如圖2。
漸變介質(zhì)吸收體和電阻片型吸收體均是拓寬吸收頻帶的有效方法,原理上它們都是沿厚度方向電阻逐漸減小的多層吸收體,只是電阻的變化規(guī)律及結(jié)構(gòu)形式有差異,可根據(jù)不同的部位選擇不同的結(jié)構(gòu)形式。
美、日、西歐一些在電磁波吸收體研究方面處于世界領(lǐng)先地位的國家,他們大量使用了Dallenbach和Jaumann梯度多層吸波結(jié)構(gòu)。譬如目前最先進(jìn)的吸收體結(jié)構(gòu)——美國軍用隱身飛機(jī)上的電磁波吸收體結(jié)構(gòu),可以在較寬的頻帶內(nèi)使雷達(dá)波的反射降低7~l0dB。他們在探索先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)ATF計劃(F222)的結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)材料時發(fā)現(xiàn),熱塑性樹脂單復(fù)絲與一些特殊纖維(碳纖維、玻璃纖維、Kevlar及陶瓷纖維等,其截面形狀不同,為非圓多棱形) 按一定比例交替混雜成紗束后編織成各種織物,然后與同類樹脂制成的復(fù)合材料既具有優(yōu)良的吸波性能,又兼有復(fù)合材料重量輕、強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維的含量可以改變碳纖維結(jié)構(gòu)吸波材料的微波電磁性能,通過控制不同厚度層上纖維的含量可控制不同厚度的阻抗,實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,以達(dá)到吸收雷達(dá)波的最佳效果。B22隱身轟炸機(jī)的蒙皮就是用這種“隱身”特種碳纖維制作的多層吸波蒙皮,既能滿足飛機(jī)的機(jī)動特性,又不會反射雷達(dá)波,能起到很好的隱身作用。
在國外,帶梯度多層結(jié)構(gòu)的吸波體產(chǎn)品相當(dāng)一部分已經(jīng)商品化和系列化。譬如Emerson和Curving公司制造的商品AN系列漸變介質(zhì)吸收體就是一例。其中一種1cm 厚的二層漸變介質(zhì)吸收體反射率曲線如圖3。英國Plessey公司研制的某種漸變寬頻結(jié)構(gòu)吸波材料吸波性能曲線如圖4。洛克希德跨國公司研制的一種復(fù)雜的蜂窩結(jié)構(gòu)由七層組成:第一層是用浸漬過環(huán)氧樹脂的玻璃布制成的表面層,第二層到第五層由玻璃布、吸收層以及蜂窩吸收層制成,第六層是蜂窩,第七層是薄鋁板,層間用環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘接,這種多層材料不僅有足夠的剛性、強(qiáng)度和耐高溫性能,而且重量輕,適合于作飛機(jī)的隱身蒙皮。
我國的電磁波吸收體的實(shí)驗室研究開始于80年代,90年代中后期進(jìn)入較全面的研究階段。相對于國外來講,材料研究和電磁波吸收體的研究方面整體上處于跟蹤和探索階段,但在某些方面上取得了一定的進(jìn)展,具有自己的特色。
四川大學(xué)的管登高等制備了鎳/鎳鋅鐵氧體/環(huán)氧樹脂梯度電磁屏蔽材料,在頻率<1 GHz時,該梯度材料對電磁波的反射損耗比非梯度材料平均降低了6~8dB;而吸收損耗平均提高了6~14dB。在中心吸收層的衰減常數(shù)不變時,對電磁波的吸收損耗隨吸收層厚度增加而增加。以納米鐵酸鎳鈷鐵氧體復(fù)合鈷粉、羰基鐵粉等為吸收劑,并采用化學(xué)鍍層,進(jìn)行了單層、雙層和三層涂層的試驗研究,發(fā)現(xiàn)雙層復(fù)合涂層的吸波性能較單層涂層在低頻段有較大的提高,三層復(fù)合涂層的吸波性能優(yōu)于單層和兩層復(fù)合涂層。黃遠(yuǎn)等人的研究表明,透波層采用合適的炭黑梯度或吸波層采用合適的鐵氧體分布梯度將提高結(jié)構(gòu)吸波材料的吸波性能。何燕飛等人依據(jù)阻抗匹配原理與電磁波傳播規(guī)律,設(shè)計了具有阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)的雙層吸波材料。試驗表明,匹配層對提高吸收率起著重要作用。
我國在研制拓寬材料頻帶方面,采用了多層漸變介質(zhì)吸收體形式—蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波材料,此類RAM由特性逐層變化的蜂窩夾芯與復(fù)合材料隔板構(gòu)成,其中,一種厚度為16mm的多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波材料的吸波性能示于圖5;另一種厚度為815mm 的層板漸變結(jié)構(gòu)吸波材料的吸波性能示于圖6,此類RAM由特性逐層變化、填充有吸收劑的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料組成。
從國外的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀可以知道,梯度結(jié)構(gòu)吸波材料在他們的軍事飛機(jī)、艦艇等武器系統(tǒng)中得到了相當(dāng)多的應(yīng)用,取得了很好的吸波及隱身效果,并且在民用方面也有很多的應(yīng)用,不少產(chǎn)品已經(jīng)系列化和商品化。但是他們的產(chǎn)品也有值得改進(jìn)的地方,比如,漸變介質(zhì)RAM 是由特性逐層變化的離散介質(zhì)層而不是連續(xù)介質(zhì)構(gòu)成,層間以膠粘劑連接,這對于吸波性能是有影響的。
從國內(nèi)現(xiàn)狀看,梯度結(jié)構(gòu)吸波材料也得到了應(yīng)用,但是使用范圍有點(diǎn)窄,性能也有待提高。研究側(cè)重于材料,對于吸收體的設(shè)計相對較少,且主要集中于單層和多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計上。對于材料本身的吸收頻帶寬度、阻抗匹配、粘合劑加入造成吸波性能降低等問題有待解決。