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结构型雷达吸波材料的性能特点及其应用进展

时间:2017年07月02日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

这篇材料工程师论文发表了结构型雷达吸波材料的性能特点及其应用进展,论文介绍了雷达隐身的基本原理,在隐身技术中最重要的是隐身材料,这种材料受到了世界各国的高度重视,在现代战争中雷达探测武器有着重要的作用,可以最大限度的降低探测系统发现和识别目

  这篇材料工程师论文发表了结构型雷达吸波材料的性能特点及其应用进展,论文介绍了雷达隐身的基本原理,在隐身技术中最重要的是隐身材料,这种材料受到了世界各国的高度重视,在现代战争中雷达探测武器有着重要的作用,可以最大限度的降低探测系统发现和识别目标的能力。

有机硅材料

  关键词:材料工程师论文,结构型雷达,雷达隐身

  一、雷达隐身的基本原理

  雷达是利用电磁波发现目标并测定其位置的设备。电磁波在传播过程中遇到障碍物将产生反射和绕射,统称散射,是雷达能发现目标的依据。电磁波具有恒速、定向传播的规律,则是测定目标距离和方向的依据。

  雷达隐身的基本原理是当雷达波辐射到隐身材料表面加以渗透,隐身材料自身可将雷达波能量转换成其他形式能量(如机械能、电能或热能),并加以吸收,从而消耗掉雷达波部分能量,使其回波残缺而不完整,从而极大地破坏掉雷达探测概率[1]。

  武器雷达散射信号的大小用雷达

  散射截面(Radar cross section,RCS)来表示,用字母σ表示,单位为m2。R C S是在单位立体角内接收机天线处散射回波的功率面密度与目标处单位立体角内入射波功率面密度之比,即:

  σ=4πr2Ir/Ii

  式中:σ— 雷达散射截面

  积;r—目标到接收天线的距离;I r—接收天线处散射回波的功率面密度;Ii—目标处入射波的功率面密度。

  因为σ的数值变化很大,一般用相对于σ的分贝数来表示,即σ´=10logσ,单位为dB·m2。雷达距离方程:

  rr=Kσ1/4

  式中:r r— 雷达的探测距离;K— 比例系数,取决于雷达性能;σ—RCS值。

  目标的σ值为原来的10%时,r r缩减为原来的56%,目标的σ值为原来的1%时,r r缩减为原来的32%。由此可看出雷达隐身不可估量的作用。

  隐身技术的核心就是减少R C S值,其方法主要有:

  ①外形技术。通过外形设计来消除或减弱散射源,尤其是强散射源;②阻抗加载技术。通过加载阻抗的散射场和武器的总散射场互相干涉来减少RCS值;

  ③材料技术。通过材料吸收或透过雷达波来减少RCS值。

  二、雷达吸波材料的主要类型吸收雷达波的材料称为雷达吸波材料,透过雷达波的材料称为雷达透波材料。它可以和吸收材料构成多层吸波体,也可以在武器的某些部位作为雷达隐身材料。

  雷达吸波材料按工艺方法可分为涂覆型、贴片型和结构型3种。涂敷型吸波材料是一种吸波的高分子复合涂料,即吸波涂料。贴片型吸波材料是将不同的多层材料制成薄片形式,用胶黏剂或其他方法粘贴到被隐蔽的物体上。结构型吸波材料是一种多功能的树脂基增强塑料,具备复合材料质轻高强的特点,可用作武器装备的结构件,又能吸收或透过电磁波,起到吸波隐身的作用。

  结构型吸波材料和吸波体在隐身武器上的应用已相当广泛,它能同时兼顾吸波又能承受载荷。在200 ~300℃温度下,既能保证吸波性能的稳定,又能减轻武器特别是飞行器的质量。所以在各种雷达隐身材料中,它已位居榜首[2]。

  1. 结构型吸波材料的组成和种类结构型吸波材料是一种既能吸波又能承载的材料,主要类型有塑料型、陶瓷型、复合材料型3类。吸波塑料有2类:一类是由普通塑料和吸波剂复合而成的,它和塑料吸波片基本相似,不同的是所采用的塑料属于工程塑料,这样才能有较好的力学性能;另一类是导电高分子,如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等。

  (1)碳- 碳增强塑料

  美国威廉斯国际公司研发的碳-碳增强塑料用于高温部位,能很好地抑制红外辐射并吸收雷达波。在发动机部位使用致密的碳泡沫层来吸收发动机排气热辐射,还可制成机翼的前缘、机头和机尾。

  (2)含铁氧体的玻璃纤维增强塑料此种材料质轻、强度和刚度高,日本将它装备在空对舰导弹(A S M -1)的尾翼上。其弹翼也会使用这种材料来进行改装,隐身性能将大幅度提高。(3)填充石墨的增强塑料

  美国在石墨-热塑性增强塑料和石墨-环氧树脂增强塑料的研究方面取得了很大进展,这些材料在低温下还能保持韧性。

  (4)玻璃纤维增强塑料

  美国道尔化学公司研制的材料(型号为F i b a l o g),是在塑料中加入玻璃纤维制成的。这种材料较为坚硬,可以作为飞机蒙皮和一些内部构件,无需加入金属加强筋,就具有较好的雷达吸波特性。

  (5)碳纤维增强塑料

  美国空军材料实验室研制的纤维增强塑料能吸收辐射热,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、机翼前缘和机身前段。

  (6)碳化硅纤维、碳化硅- 碳纤维增强塑料

  碳化硅纤维中含硅,吸波特性好,能减弱发动机的红外信号。此外,碳化硅纤维还具有耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高等优点,是国外发展最快的吸波材料之一,但目前还存在一些问题,如电阻率过高等。通过人工设计来调整碳和碳化硅的比例,控制其电阻率,就可制成耐高温、抗氧化、具有优异力学性能和良好吸波性能的碳化硅-碳复合纤维、碳化硅-碳复合纤维与环氧树脂制成的增强塑料。由碳化硅-碳纤维和接枝酰亚胺基团与环氧树脂共聚改性为基体而组成的结构材料,吸波性能都很优异。

  (7)混杂纤维增强塑料

  混杂纤维增强塑料是通过增加纤维之间的混杂比例和结构设计形式制造而成、满足特殊性能要求或综合性能良好的增强塑料。目前我国已制造出吸波性能良好的混杂纤维增强塑料,广泛用于飞机制造中。

  (8)特殊碳纤维增强的碳- 热塑性树脂基增强塑料

  这种材料具有极好的吸波性能,能使频率在0.1M H z~50G H z之间的脉冲大幅度衰减,现在已用于先进战斗机(A T F)的机身和机翼,型号为APC(HTX)。此外APC-2是CelionG40-700碳纤维与热塑性聚醚醚

  酮(P E EK)复丝混杂纱单向增强的品级,特别适宜于制造直升机的旋翼和导弹壳体,美国隐身直升机L H X已经采用了这种增强塑料。

  (9)导电增强塑料

  导电增强塑料是在非金属聚合物或树脂类物质中加入导电纤维、薄皮、纳米级金属粉末而制成的。当雷达波透过时,部分能量被吸收,因而反射的雷达波能量大为衰减,从而成为有效的吸波材料,其吸收频带可通过加入物质的种类和多少来调节。混入的物质可以是聚丙烯腈纤维、镀镍碳纤维、不锈钢纤维、薄铝片、铁氧体、镍、钴粉末等,这种复合材料可用作飞机或导弹的结构材料[3]。

  结构型吸波体一般是由多种材料制成的多层复合结构,主要有叠层结构、层片复合结构和夹芯复合结构。它除了采用结构型吸波材料为主要材料外,还需采用透波材料、电阻片和电路模拟吸波材料等。材料根据实际需要,除了做成实心或空心的板(片)材外,还可以制成各种形状(如:薄片、平板、曲面、蜂窝、波纹、中空、框架等,表面可做成光滑、粗糙和绒毛)。除此之外,还可制成吸波塑料泡沫。

  2. 聚氨酯泡沫塑料吸波结构材料

  (1)聚氨酯泡沫塑料吸波材料的制造方法

  吸波材料基体材料的选择应遵循以下原则:

  ①吸波剂的纳入量大,粘度小,质量小。

  ②有一定的抗压强度,抗老化,不变形,耐高低温。

  ③能使制成的吸波材料的阻燃性达到国家标准要求。

  ④成型工艺简单。聚氨酯泡沫塑料与吸波剂和阻燃剂的相容性良好,能够进行连续化生产,并且制成的吸波材料在物理性能和阻燃性能方面表现优异,因此,聚氨酯泡沫塑料就成为吸波体基体材料的首选。聚氨酯泡沫塑料吸波材料分为软质和硬质2种。

  硬质聚氨酯泡沫塑料( R P U F )吸波材料是将吸波剂加入硬质聚氨酯泡沫体系中,再注入特定形状的模具中,通过反应发泡制成的。这种吸波产品的生产工艺简单、质量稳定且可机械化生产。

  软质聚氨酯泡沫塑料吸波材料是先将原料经过反应发泡,切割成预定的形状,然后再浸渍吸波剂,最后烘干成产品。这种吸波产品在生产中不需要特定形状的模具,可以根据需要任意切割;但是浸渍吸波剂需要人工来完成,生产效率低,吸波剂的浸入量也不能准确地得到控制,从而会造成产品质量不稳定[4]。

  (2)聚氨酯泡沫塑料吸波材料的性能和应用

  RPUF是指在一定负荷作用下不发生明显形变、当负荷过大发生形变后不能恢复至初始状态的泡沫塑料[5]。RPUF质量轻、绝热、吸音隔音效果好、密封性能好、耐化学药品、高缓冲抗震、比模量和比强度高、有较好的化学稳定性等优点;同时合成它的主要原材料聚多元醇的结构多变[6],使其性能在大范围内变化,而且加工方式灵活,又可以模塑成型,还可以现场喷涂。

  RPUF有如此多的性能优点,受到人们的普遍关注从而发展迅速,它在民事和军事领域都有广泛的应用范围。①在民事领域

  a .在易碎式结构材料中的应用,如:在大型炮发射筒的口盖、生化武器破击炮的弹壳、深海导弹发射系统的隔水罩等方面;

  b .在防寒隔热工程中的应用,如:在扩装式集装箱掩蔽部、海军雷达天线罩等方面;

  c .在电子方舱中的应用如:在地面战术电子设备等方面[7]。

  ②在军事领域

  a .防侦查伪装:以聚氨酯为基体,经过调配颜色、添加不同助剂和发射率的填料而得到防光学侦察、防热红外侦察和防雷达侦察的复合材料,将其应用于地面重要军事伪装工程,模拟天然地表形态,达到“隐真示假”的伪装目的[8]。

  b.声隐身:开孔型的RPUF有较好的吸声、隔声性能,它综合了一般多孔型材料的吸声机理和柔性材料的阻尼吸声机理,是一类很受欢迎的新型声学材料,具有广阔的应用前景。

  c .吸波材料:R P U F作为雷达吸收材料,其目的是改变雷达的辐射分布,使雷达接收到的反射波大幅度减少。吸波材料的应用已远远超出军事上隐身与反隐身、对抗与反对抗的范围,更广泛地应用于人体安全防护、微波暗室消除设备、通讯及导航系统的电磁干扰、安全信息保密、改善整机性能、提高信噪比、电磁兼容以及波导或同轴吸收元件等许多方面[9-12]。

  三、结语

  目前雷达隐身材料的研究已取得了突破性的进展,也已进入实用化阶段,但各国仍在进一步研究“薄、轻、宽、强”的新型吸波材料在各类武器和装备上的深入应用。全球聚氨酯行业发展速度非常迅猛,特别是在新材料、新工艺、新设备、新应用等方面有了长足的进步。RPUF具有优良的物理性能、力学性能、声学性能、电学性能、耐化学性能,逐步作为结构材料用于支撑和填充等方面,在军事领域的应用前景将日趋广阔。

  10.3969/j.issn.1008-892X.2017.05.010

  参考文献

  [1] 胡传炘.隐身涂层技术[M].北京:化学工业出版社,2004:183-218.

  [2] 蒋庆金.雷达隐身材料的发展[J].探测与定位,2005(1):13-22.

  [3] 孙敏,于名讯.隐身材料技术[M].北京:国防工业出版社,2013:98-115.

  [4] 胡爱军,王志爱,金诤,等.泡沫夹芯型吸波隐身结构复合材料的发展趋势[J].宇航材料工艺,2009(1):1-5.

  [5] 朱吕民,刘益军.聚氨酯泡沫塑料[M].北京:化学工业出版社,2004:8.

  [6] 刘方辉.硬质聚氨酯泡沫塑料在军事领域的应用研究进展[J].科技资讯,2013(13):248.

  [7] 周成飞,郭建梅,翟彤.聚氨酯-酰亚胺泡沫材料的研究[J].化工新型材料,2005(11):1.

  [8] 程刚,陈宏书,胡志毅,等.硬质聚氨酯泡沫塑料在伪装工程中的应用研究[J].材料导报,2010,24(专辑15):200-206.

  [9] Tadayoshi I,Osamu H.FDTD analysis for protecting human body from electromagnetic wave using thin resistive sheet[J].

  Electron Commun Jpn,2000,83(9):86.

  [10] Leland R W,Charles D H,Ronald W S.lectromagnetic radiation suppression cover:US,814546[P]1989-02-24.

  推荐阅读:《有机硅材料》(双月刊)创刊于1987年,是由中国氟硅有机材料工业协会有机硅专业委员会、中蓝晨光化工研究院、国家有机硅工程技术研究中心共同主办的有机硅专业技术期刊。