為了提高國防體系中地面軍事目標的生存能力與武器系統的突防能力和縱深打擊能力,發展和應用雷達隱身技術已成為國防體系發展的重要方向.雷達隱身技術是通過減弱、抑制、偏轉目標的雷達回波強度或減少雷達散射面積(RCS),來降低敵方對目標的發現概率,其中,能夠實現雷達隱身技術重大突破的途徑主要是發展高效的雷達吸波材料.良好的吸波材料必須具備兩個條件:①是當電磁波傳播、入射到材料表面(表層)時,能夠最大限度地使電磁波進入到材料內部,以減少電磁波的直接反射;②是當電磁波一旦進入材料內部,應能夠對入射電磁波進行有效地吸收或衰減[1, 2].由于單層電磁波吸收體設計可變參量少,難以滿足以上兩個條件而獲得良好的吸波效果,因此,雙層吸波材料的研制勢在必行.在已報道的相關文獻中,雙層吸波體中匹配層多選用玻璃纖維或其他種類的透波材料,吸收層多選用鐵氧體或其他種類的透波材料磁性粉體,制備成本高、比重較大且成型工藝復雜,限制了其實用性[3-5].二氧化錳的體積電導率在10-6(Ω-1·cm-1)數量級[6],其導電性能并不好,但其在微波輻照作用下的升溫速度可以達到10·80 K/s,在100 s內溫度由室溫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,對電磁波有一定的損耗作用;管洪濤等[6]通過實驗進一步發現二氧化錳屬于一種介電損耗介質,并將二氧化錳應用于石英復合材料中,在低頻下取得了較好的吸波性能.段玉平等[8]發現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.本文依據阻抗匹配原理和電磁波傳播規律設計了雙層復合吸波材料,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較高的炭黑作為吸波劑,以期能對吸收劑的復合使用有更多的了解,并實現其工程上的應用.

1·實　驗

1·1　實驗材料

N234炭黑,粒徑20~30 nm,遼寧撫順東信化工有限公司生產;二氧化錳,粒徑約為110~150 nm,湖南科源科技實業有限公司生產;E-44環氧樹脂、固化劑低分子聚酰胺,無錫樹脂廠生產;稀釋劑為無水乙醇,沈陽試劑廠生產.

1·2　主要設備及儀器

MG250/390球磨機; XSJ200型行星式雙軸攪拌機;HP8720B網絡分析儀.

1·3　試樣制備

將炭黑在球磨機中球磨5 h,使炭黑顆粒達到納米量級.由于炭黑表面存在某些化學基團和有機物成分,會影響其導電性能,因此,在使用前需要對炭黑進行表面預處理.首先將炭黑用10%HCl溶液浸漬,過濾,烘干.然后在氮氣保護下,在700℃下加熱30 min,以除去表面的有機物,同時達到活化炭黑的目的.

將處理后的炭黑與環氧樹脂、稀釋劑以及固化劑混合,然后在攪拌機中攪拌均勻后注模,試樣截面大小為200 mm×200 mm,常溫固化成型.當底層固化后,面層(匹配層)是一定配比的炭黑或二氧化錳與環氧樹脂、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常溫固化成型.針對工程用吸波材料要求輕、薄的特點設計了1#~9#試樣.具體成分配比如表1所示.

1·4　測試方法

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

炭黑、二氧化錳表面形貌采用JEM2100CX-Ⅱ型高分辨率透鏡進行測試.

 

復合材料的吸波性能采用弓形反射法按照國家軍用標準GJB2038-94的規定在微波暗室內進行測試,所用設備為HP8320B矢量網絡分析儀(集成信號源,動態范圍95 dB),測試頻率為8~18 GHz.

2·結果與討論

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測試結果如圖1所示.二氧化錳屬于一種介電型吸波劑,主要通過介電損耗衰減電磁波.從二氧化錳的微觀結構上看,二氧化錳的基本單元是由1個錳原子和6個氧原子構成的密堆積結構,是以錳原子為中心構成八面體.二氧化錳晶體中含有大量的隧道和空穴[9],這種隧道和空穴結構一方面可以接納其他的離子或分子,另一方面在電磁場作用下正負電荷容易向兩極移動,最后聚集在界面處產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電磁波介電損耗的重要原因之一.目前,對二氧化錳摻雜金屬氧化物的電磁性能研究已經充分證明了這一點[10].在電磁場作用下,二氧化錳結構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間,以使得載流子的軸向與外加電磁場的方向相同,因此,在不同頻率下具有不同的極化強度,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的變化,造成介電常數的降低,所以二氧化錳的介電常數對頻率的增加而呈現出下降的趨勢.

從圖1可以看到,二氧化錳的介電常數較炭黑的介電常數要小得多.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　透射電鏡結果表征

對炭黑形貌的分析如圖2所示,可見炭黑顆粒呈20~30 nm的球狀,且構成葡萄狀的二次結構.根據文獻[11]可知,炭黑是一種電損耗介質,吸波機制為:①偶極子的作用,導電粉末相當于一偶極子,其振動是阻尼振動,從而造成電磁波的衰減;②多重反射造成損耗;③導體粉末之間的漏電導效應.

由圖2MnO2顆粒形貌的TEM測試照片可以看出,MnO2具有不規則的片狀和條狀等結構,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,而且粒子數目多,在電磁場作用下,將有更多的粒子發生極化.同時,納米顆粒具有更大的反射和散射截面,對入射電磁波的多次反射和散射作用更強,因此,通常納米粒子的電磁損耗性能要比大顆粒體系強一些.另一方面,片狀和條狀粒子,具有更大的比表面積,在電磁場作用下能產生更大的吸收和散射截面[12].

　　2·3　雙層復合材料微波吸波特性

　　1#~9#試樣的反射率測試結果如圖3所示,

吸收峰值對比和優于-10dB的頻寬如表2所示,測試頻段為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#試樣的吸波性能優于6#試樣.這說明: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.但是當匹配層二氧化錳含量由10%增加到20%時,雙層復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,不利于電磁波進入吸波體,所以會出現吸波效果降低的情況.因此,應進一步通過確定匹配層中MnO2的含量來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,其吸收峰值和吸收帶寬得到普遍提高,當匹配層吸收劑為10%的二氧化錳,吸收層吸收劑為30%的炭黑時,雙層復合材料的電磁波吸收性能為最佳,特別是當匹配層的厚度為2 mm時,其吸收性能在8~18 GHz測試頻段內的16·8 GHz達到-27·48 dB,優于-10 dB的頻帶達8·6 GHz.從C/C復合材料到MnO2/C復合材料,吸波效果有了很大的改善,這也是本實驗應用MnO2作為匹配層填充劑的一個意義所在.

3　結　論

1)匹配層為10% (質量分數)的二氧化錳,吸收層為30% (質量分數)的炭黑,且匹配層的厚度為2 mm時,雙層復合吸波材料的吸收性能在8~18 GHz達到最優.

2)在吸收層厚度和炭黑含量相同的情況下,通過改變匹配層中炭黑、二氧化錳填充量和匹配層厚度來調整雙層吸波體電磁參數以達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.