吸波涂料

微波吸收涂料
吸波涂料（absorbing coating），又称微波吸收涂料或雷达波吸收涂料。该材料可以将入射的雷达波能量转换成热能而耗散或通过谐振效应使之消除或减弱，达到有效吸收和衰减的目的。吸波涂料是把具有特定介电参数的粉末（吸收剂）分散在基体（粘结剂）中形成的。
简介
图1 波段频率图
吸波涂料（absorbing coating），又称微波吸收涂料或雷达波吸收涂料。是用涂覆层形式覆盖在目标上实现雷达隐身的一种功能材料。能将入射的雷达波能量转换成热能而耗散或通过谐振效应使之消除或减弱，达到有效吸收和衰减的目的。由成膜物质、吸收体等组成。前者为有机聚合物或无机胶粘剂，后者为对电磁波有损耗功能的粉末、短纤维或手性物质。主要性能表征参数有反射率（-dB）、吸收频带宽度（Δf）、涂层厚度（d）和面密度（kg/m）等，基本含义如图1所示。通常在涂层密度和厚度受到严格控制的条件下，要求在较宽的频带范围内有较低的反射率。涂料用途是缩小目标的雷达散射截面积（RCS），使飞行器、舰艇等军事目标具有隐身性能；可用于消除雷达系统的电磁波干扰及微波设备的电磁波屏蔽。吸波涂层与结构设计、电子对抗等隐身技术综合应用，使飞机等武器装备的自我保护和攻击能力实现质的飞跃。新型吸收剂的研制是进一步提高涂层性能的关键，正在研究的有纳米吸波涂料、手征吸波涂料、多晶铁纤维吸波涂料、功能高分子吸波涂料及智能型吸波涂料等。
吸波涂料的组成
吸波涂料是把具有特定介电参数的粉末（吸收剂）分散在基体（粘结剂）中形成的。一般来说，基体起粘结、强度和抗环境的作用，吸收剂起电磁损耗作用。
常见基体的分类及特点见图2：
图2 基体
常用的吸波涂料吸收剂：
1、铁氧体系列，分为尖晶石型及含大尺寸二价金属离子铁氧体两类：①石型铁氧体：如Mn-Zn、Ni-Zn、Li-Ti等系列，应用广泛。但其ε、μ较小，难以满足∣μr-εr∣尽可能小的原则，故往往需要添加其他磁性粉末添加剂；②大尺寸二价金属离子铁氧体，如钡、锶、钙、铅等六方型晶体结构。
2、陶瓷系列，主要是SiC陶瓷，耐高温、高强度、耐腐蚀，低蠕变、低膨胀系数、化学稳定性好，是制作多波段（厘米、毫米、红外）较好的吸收剂。
3、导电聚合物系列，导电聚合物是由具有共轭主链的绝缘高分子材料通过化学或电化学方法与掺杂剂进行电荷转移复合而成。电导率变化可控制，获得主要有：视黄素席夫碱及其络合物。
4、金属微粉系列，包括羰基铁粉，羰基镍粉，坡莫合金等，其特点如下：①活性高；②良好的电磁参数且易于调节。
5、多晶铁纤维系列包括铁纤维、镍纤维、钻纤维及其合金纤维。其特点如下：①重量轻（面密度小于2kg/m）；②频带宽（4～18GHz）；③易于调节电磁参量（改变纤维长度、直径及排列方式）。
6、纳米材料系列，利用纳米材料特殊的表面效应和体积效应，吸波特性良好。
分类
按照涂料吸收剂的不同，下面主要介绍一下几类常用吸波涂料：铁氧体吸波涂料、纳米吸波涂料、多晶铁纤维吸波涂料以及导电高聚物吸波涂料。
铁氧体吸波涂料
铁氧体吸波材料是研究较多而且比较成熟的吸波材料，由于在高频下有较高的磁导率，而且电阻率也较大，电磁波易于进入并快速衰减，被广泛地应用在雷达吸波材料领域中。
与磁性金属粉相比，铁氧体材料具有较好的频率特性，其相对磁导率较大，且相对介电常数较小，适合制作匹配层，在低频拓宽频带方面具有良好的应用前景。主要缺点是密度较大、温度稳定性较差。为此，各国研究人员期望通过调整材料本身的化学组成、粒径及其分布、粒子形貌及分散技术等提高损耗特性和降低密度。
铁氧体吸波材料通常分为尖晶石型铁氧体与六角晶系铁氧体两种类型，其中尖晶石型铁氧体应用的历史很长，但尖晶石型铁氧体的电磁参数（介电常数和磁导率）都比较小，而且难以满足相对介电常数和相对磁导率尽可能接近的原则，因此单一铁氧体材料难以满足吸收频带宽、厚度薄和面密度小的要求。但把铁氧体粉末分散到磁性微粒中而制成的复合铁氧体材料，可通过铁氧体粉末的粒径、组成等来控制其电磁参数。
纳米吸波涂料
纳米材料具有极好的吸波特性，同时具有宽频带、兼容性好、质量轻和厚度薄等特点，美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代吸波材料加以研究和探索。
由于纳米材料的特殊结构引起的量子尺寸效应和隧道效应等，导致它产生许多不同于常规材料的特异性能。一方面，由于纳米微粒尺寸为1～100nm，远小于雷达发射的电磁波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使雷达接受到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规颗粒大3～4个数量级，对电磁波和红外光波的吸收率也比常规材料大得多，被探测物发射的红外光和雷达发射的电磁波被纳米粒子吸收，使得红外探测器和雷达很难探测到被探测目标。此外，随着颗粒的细化，颗粒的表面效应和量子尺寸效应变得突出，颗粒的界面极化和多重散射可成为重要的吸波机制，量子尺寸效应使纳米颗粒的电子能级发生分裂，其间隔正处于微波能量范围（10～10eV），从而导致新的吸波通道。 纳米材料对电磁波的透射率及吸收率比微米级粉体要大得多。美国研制出的“超黑粉”纳米吸波材料，对雷达波的吸收率大于99%。磁性纳米颗粒、纳米颗粒膜和多层膜是纳米材料用作隐身材料的主要形式。
多晶铁纤维吸波涂料
新型的多晶铁纤维吸收剂是一种质轻的磁性雷达波吸收剂，这种多晶铁纤维为羰基铁单丝，直径为1～5μm，长度为50～500μm，纤维密度低，结构为各向同性或各向异性。研究表明：多晶铁纤维吸波材料具有吸收频带宽、密度小、吸收性能高等优点。中国正大力开展多晶铁纤维吸波材料的研究，即将磁性纤维用于雷达吸波材料中。这种材料是通过涡流损耗等多种机制损耗电磁波能量，因而可以实现宽频带、高吸收，而且可比一般吸波涂料减重40%～60%，克服了大多数磁性吸收剂存在的严重缺点。
导电高聚物吸波涂料
这类吸波材料利用某些高聚物具有共轭电子的线形或平面形构型与高分子电荷转移给络合物的作用，设计高聚物的导电结构，实现阻抗匹配和电磁损耗。目前，研究具有微波电、磁损耗性能的有机高聚物越来越引起世界各国的重视。美国Garnegie-Mellon大学用视黄基席夫碱制成的吸波涂层可使目标的RCS（雷达有效截面）减缩80%，而比重只有铁氧体的10%。国内研制出一种透明吸波材料，就是一种能导电的高分子聚合物苯胺和氰酸盐晶须的混合物，悬浮在聚氨酯或其他聚合物基体中，这种材料可以喷涂，也可以与复合材料组成层合材料。这种涂层的特点是吸波剂在涂层内分布均匀，改变了传统吸波材料涂层组分分布不均匀的缺点，因此不必增加厚度来提高频带宽度，并且工艺简单，只要采用改进的喷枪就可以在飞机任何部位（包括机头、尾翼以及铆钉、接缝等处）实施喷涂，特别适合对老飞机的隐身改装。此外这种吸波涂层是光学透明的，适合座舱盖及夜视红外装置电磁窗口的隐藏。
影响性能的因素
在吸波涂料的制备过程中影响涂料性能的因素有：
（1）吸波剂的分散状况及稳定性。涂料中吸波剂粒子的分散状况对试样的吸波性能有重要影响，粒子的高度分散状态才能够充分发挥纳米吸波剂的优越性。纳米粒子金属复合物粉体的密度较大，在涂料基体中容易发生沉降，而且它与涂料基体的相容性差，难以在涂料基体中均匀分散。为了改善纳米吸波剂在树脂中的分散状况及稳定性，可用表面偶联剂修饰和聚合物包覆对其进行改性。
（2）基体材料的选择。在实际应用过程中，吸收剂都将与其他基体材料复合，制备成吸波材料。基体材料的选择应着眼于尽量减少对吸波材料中吸收剂的影响，充分发挥吸收剂的性能，并且应综合考虑吸波复合材料的结构要求、附着力、抗磨损性、耐老化性能、耐冲刷性能等因素。应优先选择具有刚性基团的聚合物以满足制备结构型隐身材料的需要，优先选择本身具有一定吸波性能，且吸收频段最好与吸收剂互补的基体材料，以达到宽频吸收的目的。基体材料可以是热固性树脂，如常用的环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等，也可以是热塑性树脂，如橡胶、尼龙、聚苯乙烯等。在涂覆型吸波材料中．吸收剂分散到黏结剂中制成吸波涂料，涂覆在应用目标上。黏结剂用得最多的是树脂基体，常用基体有环氧树脂、甲基丙烯酸树脂、酚醛树脂、乙烯酯树脂等。
（3）固化剂用量和固化温度对试样吸波性能的影响。涂料中吸波剂粒子的接触状态对试样的吸波性能有重要影响，而涂料的固化温度及固化时间对粒子的接触状态有重要影响，进而影响涂料的吸波性能。涂料的固化温度影响涂料的固化速度，固化温度高，则固化速度快；固化时间短，但溶剂急剧挥发会导致涂层中出现针孔，使吸波剂粒子之间接触不良，涂层导电性能差；固化温度过低，则固化需要的时间长，会造成吸波剂粒子沉降而团聚、环氧树脂浮于涂层表面的现象，使涂层的吸波性能下降。固化剂用量也影响涂料的固化速度，固化剂用量大，则涂料的固化速度快，固化时间短，但对涂料的机械性能产生不良影响。并不利于涂敷操作；固化剂用量小，则固化速度慢，固化需要的时间长。选用环氧树脂E-44作为吸波涂料的基体材料时，选用了HF-1作为其固化剂。HF-1型固化剂为室温固化剂，其使用浓度一般在13%～20%。由于在吸波剂粒子的分散过程中使用了较多溶剂，故将固化剂取为16%，并将涂敷后的铝板置于30℃烘箱中略烘，使溶剂蒸发，然后在室温下固化，以缩短固化时间。
微波吸波涂料应用
作为超微粉体的主要功用之一是超微粉体与表面技术结合，形成表面复合涂层。这种涂层可使基体表面的机械、物理和化学性能得到提高，赋予基体表面新的力学、热学、光学、电磁学和催化敏感等功能。超微或纳米涂层材料按其用途可分为结构涂层和功能涂层两类。结构涂层包括高强、高硬和耐磨涂层，耐热、耐高温和抗氧化涂层，耐蚀、防护和装饰涂层；功能涂层包括热学涂层、光学涂层、电学涂层、磁学涂层和催化敏感涂层等。
超微粉体和纳米涂层被广泛用作航空航天飞行器的防护涂层、微波滤波和吸波涂层、紫外线防护涂层和“隐身”涂层等。如利用纳米材料的表面效应制备吸收不同频段电磁波的纳米复合涂料，可用作雷达波吸收剂的纳米粉体有：纳米金属（Fe、Co、Ni等）与合金的复合粉体、纳米氧化物（Fe3O4、Fe2O3、ZnO、NiO2、TiO2、MoO2等）的粉体、纳米石墨、纳米碳化硅及混合物粉体等。纳米氧化铝、氧化铁、氧化硅和氧化钛的复合粉体与高分子纤维结合对中红外波段有很强的吸收性能，这种复合粉体对该波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。纳米磁性材料，特别是类似铁氧体的纳米磁性材料填入涂料中，既有良好的吸收和耗散红外线的功能，又有良好的吸收雷达波的特性，加之密度小，在隐身方面应用有一定优势。纳米级硼化物、碳化物，包括纳米纤维和纳米碳管，在隐身材料方面应用也将大有作为。
微波吸收材料是一种能够吸收电磁波而反射、散射和透射都很小的功能材料。电磁污染已成为本世纪世界各国将重点治理的环境污染之一，治理电磁波污染最行之有效的办法就是使用吸波材料将其吸收。例如，采用氧化铁纳米颗粒和聚合物制成的复合材料，能吸收和衰减电磁波及声波，减少反射和散射，被认为是一种极好的吸波材料。据资料报道，这种纳米复合材料多层膜在7GHz～17GHz频率的吸收峰高达14dB，吸收水平达10dB的频宽为2GHz，几十纳米厚的多层膜相当于几十微米厚的通常吸波材料的效果。微波吸收剂是吸收电磁波的主体，应该具有吸收量高、频带宽、质量轻等特点。但传统的吸波剂各有缺点，如介电类吸收材料的厚度大，吸收频带窄；铁氧体吸收剂虽然有吸收强、频带宽、成本低的优点，但其密度大，不耐高温，当温度升高后，其吸波性能大大下降；超细金属粉的微波磁导率较高，温度稳定性好，但其抗氧化、耐酸碱能力差，介电常数较大，频谱特性差，低频吸收性能差，且密度大，其吸收剂体积占空比一般大于50%。近年来，文献报道了一些新型吸波材料，如手征媒质吸收剂、导电高分子吸收剂、视黄基席夫碱盐、纳米吸收剂、晶须吸收剂、多晶铁纤维和放射性同位素以及稀土元素吸收剂等。其中纳米微波吸收剂在具有良好吸波性能的同时，兼备了宽频带、兼容性好、质量轻、厚度薄等特点，是一种极有发展前途的隐身材料，在军事、环境保护、人体防护等方面具有良好的应用前景，已成为美、日、俄、法、德等各国研究的热点。目前研究的主要方面有：纳米金属与合金吸波材料、纳米陶瓷吸波材料、纳米氧化物吸波材料、过渡金属硫化物纳米吸波材料和纳米复合吸波材料等。不同种类纳米吸波材料在物理、化学方面各有优缺点。金属纳米吸波材料具有比表面积大、颗粒的表面原子相对较多的特点,但是其磁损耗不够大，磁导率随频率的升高而降低比较缓慢,对频率拓宽不利,其化学稳定性和耐腐蚀性也不够理想。纳米陶瓷吸波材料具有耐高温、质量轻、强度大和吸波性能好等特点,但其制备工艺尚需进一步改善,而且这种材料的红外吸收对退火温度的依赖性很强。纳米氧化物吸波材料具有良好的吸波性能及抑制红外辐射的功能。过渡金属硫化物及其掺杂类吸波材料在紫外、近紫外、可见光、近红外光区都有吸收性能。