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防雷达新型三维伪装网的研究-材料加工工程专业毕业论文pdf

归档日期:06-12       文本归类:防雷达伪装网      文章编辑:爱尚语录

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  北京工业大学工学硕士学位论文 Abstract to affairs has a means become military camouflage veryimportantprotect Today duetoit’s countriesfocusinresearchof mat inbattlefield camouflage light, Many and ofradar hasbeen convenient coating property absorbing cheap.Theabsorbing this and ofresearchwere intwo studiedin dissertation put emphases aspects, of and of nanometer absorbent composite multi—layer absorbingcoatings. composite Inaddition,the studiedwere to absorbing applied coatings mat.The andradar absorbing camouflage propen)r absorbing matalso havebeenstudied. camouflage As toresearchinnanometer of nanometermaterial absorbent,for composite suchasliRlesize characteristics effectandsurface special possessing effect,quantum effect makellano—materialhas wave elc,these specialabsorbingproperty,SO through and mechanicalchemicalmethodthemicronmaterial Was with compounded Dano—materialforthe of the purpose wave of improvingabsorbingproperty coating. The ofnanometer and reflectivity,thickness,and density composite coating ofmicron sizeCo size Co electromagneticparameters powder,micron compounded with nanometer NiCo’ferritewere tested.Theresults powdersystematicallytesting illustratethat tan micron E。,∥,tma sizeCo wereincreased 6。and6,of powder with nanometerNiCo-ferriteand through the compounding absorbing of property alsohas been within 2~18GHz. coming improved frequency For structure multi—layer of was coating composite,the coating analyzed.The characteristicsof and attenuafion impedance were matching improved bycomposite ofdifferent nickel has coating,The excellent for layer performance improving two of absorbingproperty layers FeB composite coating,which compounded by andnickel nanocrystalline result an layer layer.This evidencefor presents coating composite,Theoftwo reflectivity which layers consisted compositecoating by nanometer NiCo,ferriteand iron layer Was reduced carbonylic withttle powderlayer thickness of iron increasing radar carbonylic powder of layer.The absorbing property —II— AbStract thistwo ivas withelectroless coating throughcomposite plating layers improved nickel. The of3D matwas 3Dradar shape camouflagedesigned.Theabsorbing matswere withabove—mentioned bycombining camoufage prepared composite matwith excellent has coating。Thecamouflagejungleshape absorbing property, whichalsohassmall facial 3.7~1 the 8GHz was coatingdensity.Within reflectivity lessthan~5dBandmaximumattenuationvaluewas--20 facial of 45dB,thedensity was 0.63 mat can the coating Kg/m。.This meet only camouflage synthesis property demandsof warfare today’S Radar words material;nanometer Key absorbing composite;coating composite nickel electroless mat layer plating;camouflage III— 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 ,,·毕1.}f 单R期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权 保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部 分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名:求式 导师鼢易侈眺。只_2三 、 第1章绪论 第1章绪论 1.1引言 隐身技术即目标特征信号控制技术,是指通过控制、降低武器系统的特征信 号,使其难以被发现、识别和攻击的技术“1。隐身技术作为提高武器系统生存、 突防,尤其是纵深打击能力的有效手段,已经成为集陆、海、空、天、电磁五位 一体的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段,并受到世界各军 事大国的高度重视01。 在现代战争中,雷达是探测目标的最可靠手段,因此雷达隐身技术是隐身 技术的重点。雷达隐身技术的核心是降低目标的雷达散射截面(RCS)。其技术途 径主要有两条01: 一是通过目标的外形设计降低RCS,简称为外形技术; 二是目标应用能吸收雷达波的材料,即利用雷达吸波材料(RAM)降低目标 的RCS,简称为雷达吸波材料技术。隐身技术可广泛应用于运动军事耳标(如飞 机、导弹、坦克、潜艇等)和非运动军事目标(如雷达站、军用机场等)隐身技 术将是我国下一代战斗机以及军事装备伪装的支撑技术之一,必须加强我国隐身 技术的发展力度,加速实现军各现代化。 从80年代美军空袭利比亚到90年代末期的科索沃战争,多次局部战争充 分展示了未来军事冲突的基本规律:远距离精确打击、非接触性攻击已经成为强 国对弱国诉诸武力的基本样式;未来战场伪装将是一个充满高技术对抗的舞台。 除了武器装备伪装之外,甚至连人员及武器的集散地、机场、港口、指挥中心等 地面集群目标也会采用隐身技术进行伪装或遮蔽,这就使得高技术战争领域里隐 身与反隐身的对抗越演越烈,促使军事伪装手段向更新更高的层次发展,目前我 军军事装备的隐蔽伪装能力却不能适应新形势的需要,所以加强我军军事装备的 隐蔽与伪装研究就显得尤为迫切、尤为重要。长期以来,机动装备的隐蔽伪装是 我军的薄弱环节·机动装备缺少配套的伪装器材,尤其是满足一些特殊装备技术 战术性能要求的专用伪装器材。目前部队在训练、演习中,仍然在使用已基本不 起隐蔽伪装作用的60年代中期研制的老型棉麻伪装网“3。因此,防雷达新型伪装 网的研究,对尽快提高我军军事装备隐蔽伪装能力,做好未来军事斗争准备,具 有重要意义。 一塑垩些兰鐾型耋塑圣——————一 实践证明,应用隐身伪装技术可以”5: i)提高武器系统总体性能,提高战略武器的突防能力和和战术武器的生存 和作仗效能; 2)显著提高己方电子战能力,保护己方的武器系统的电磁信息不被敌方截 获; 3)提高军事、经济和社会效益。 1.2国内外伪装网研究现状 1.2.1国外研究现状 隐身织物(伪装网)的研究和应用方兴未艾。因为隐身织物价格低廉、使用 方便、工艺稳定、易于批量生产且可实现多频谱隐身功能,国际上正大力发展此 种材料”3。 Barrcauda 瑞典的Diab AB公司,是专门研制和生产伪装器材的企业, 其伪装产品具有国际先进水平。该公司生产的热伪装网系统为双层式热伪装屏蔽 材料,质量每平方米不足1809,具有防毫米波、厘米波雷达的作用,还能对付可见 光、近红外和热红外的探铡。该公司生产的另外一种屏蔽材料由聚酯纤维底层和 聚酯薄膜构成,中间为铝层覆盖,还夹有超吸收纤维,如丙烯酸纤维、人造纤维和 聚丙烯纤维制成的薄条以及结合在~起的两层绿色聚丙烯纤维层,此屏蔽材料可 在可见光、红外和雷达范围内起伪装效果。 德国Sponeta公司推出了一种雷达伪装屏蔽材料,其导电夹层是由一种导电 的碳黑附聚物分散剂和编织网组成,分散剂中的固体含量为20%~30%,粒度为 40~60p 简便,伪装效果良好,机械强度高,尤其是耐寒性好,适合于冬季使用。德国OGUS 公司研制生产各种伪装器材至今已有30多年的历史,该公司的伪装网产品种类 比较齐全,有能对付X和Ku波段雷达的反雷达伪装网。有用切花装饰片固定在 骨架网上制成的三维伪装网,也有用聚酯合成纤维针织而成的二维超轻型伪装 网。自70年代起该公司的伪装器材就装备联邦德国、某些北约国家和世界上其 它一些国家的军队。 英国cotebrand公司研究的伪装网兼具可见、红外和雷达的隐身功能,其雷 达反射材料和不规则的表面使得整个频段的雷达能量实现散射,从而减少了其雷 第1章绪论 达的探测性即达到隐身的效果,该伪装网由非常耐用的织物制造出来的,织物中 有编织的金属纤维贯穿始终,并且在用于野外环境的伪装网上,均匀的分布着S 形的切口。美国研究厘米波、毫米波兼容可见光、近红外、热红外多频谱隐身伪 装网,2000年投入使用““…。 1.2.2国内现状 目前国内从事伪装网专项研究的科研单位比较少,文献资料有限;现在应用 的伪装网基本上是用于可见光和红外隐身其对于雷达波的吸波性能不理想;我国 国防对应用伪装网从而提高我军军事装备的隐蔽伪装能力的需求相当迫切。 1.3雷达吸波材料 所谓雷达吸波材料(简称吸波材料)是指能够吸收衰减入射的电磁波,并 将其电磁能转换成热能而耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料。吸波材料 按材料成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型。涂敷型吸波材料是将吸收剂 与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层:丽结构型吸波材料,则通常是 将吸收剂分散在由特种纤维(如石英纤维、玻璃纤维等)增强的结构材料中所形 成的结构复合材料,它具有承载和吸收雷达波双重功能““”3。 按材料损耗机理,吸波材料分为电阻型、电介质型和磁介质型。碳化硅纤维、 导电高聚物、石墨等属于电阻型吸波材料,电磁能主要衰减在材料电阻上:钛酸 钡之类属于电介质型吸波材料,其机理为介电极化驰豫损耗:磁介质吸波材料 的机理主要归结为磁滞损耗和铁磁共振损耗。这类材料有铁氧体、羰基铁、多晶 铁纤维等。 1.3.1铁氧体吸波材料 分为尖晶石型及含大尺寸二价金属离子铁氧体两类: ∥7较小,难以满足k一刮近可能小的原则,故须添加其它磁性微粉添加剂。 (2)含大尺寸二价盒属铁氧体如钡、锶、钙、铅等六方型晶体结构。 铁氧体吸收剂特点是: (1)吸波能力强,频带宽: (2)密度大r高温特性差,当温度由25。C~100。c时,吸波能力下降(“米格” 北京工业大学工学硕士学位论文 25要求在600。C以上工作),铁氧体能量损失见图卜la)。 铁氧体材料国内最新进展是纳米晶,在较低温度下通过硬脂酸凝胶法可制备 六角晶系铁氧体纳米晶,其电磁参量易于调节、介电常数较低、粒度均匀,吸波 性能优于一般铁氧体粉““。 1.3.2金属微粉吸波材料 金属微粉吸波材料具有微波磁导率较高、温度稳定性好(居里温度高达770 K)等特点,它主要是通过磁滞损耗、涡流损耗等吸收损耗电磁波,能量损失见 图卜lb)。金属微粉吸波材料包括两类: 能 能 * 量 差 损 损 失 失 ;;;;;;形;;;Z;;; 甲VVV口审VVV早可甲9守VV审 =二:二三二彬三二二二二 频率 频率 a)铁氧体 b)金属系铁磁性材料 %一磁滞损耗 彬一涡流损耗E~为残留损耗 图卜l铁磁性材料的能量损失模式 l一1 lossmodelof Fig Energy material ferromagnetism a)Ferrite b)Metal material ferromagnecism %~Magnetismsluggish loss loss%一Whirlpoolloss形~RcmnaIlt (1)羰基金属微粉。如羰基铁粉、羰基镍粉、羰基钴粉。粒度一般为0.5~ 20pm; 相关。 金属微粉吸波剂的特点是: (1)微波磁导率较高,温度稳定性好(居里点温度达770K)。主要通过磁滞 损失、涡流损失损耗电磁能。即在微波照射下,令分子、电子运动加剧,促使磁 第1苹绪论 化、极化和传导运动,从而令电磁能转换为热能。 (2)电磁参量可通过粒度进行调节,有利于达到匹配和展宽频带的目的。 (3)缺点为:抗氧化、耐酸碱能力差,远不如铁氧体;介电常数较大,且频 频特性差,低频段吸波能力差:密度较大,吸波剂体积占空比一般大于50%。 金属微粉吸波材料已广泛应用于隐身技术,如美国F/A一18C/D“大黄蜂” 隐身飞机使用了羰基铁微粉吸波材料“””1。 1.3.3纳米吸波材料 纳米材料是指材料组分特征尺寸在(0.1~100)nm的材料。它具有极好的吸 波特性,具有频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄等特点,是一种有发展前途的 雷达吸波材料。美、俄、法、德、日等国都把纳米吸波材料作为新一代雷达吸波 材料进行探索与研究“”。纳米吸波材料对电磁波特别是高频电磁波具有优良的吸 收性能,但其吸收机制尚需进一步研究。一般认为,它对电磁波能量的吸收由晶 格电场热运动引起的电子散射、杂质和晶格缺陷引起的电子散射以及电子与电子 之间的相互作用三种效应决定。 1.3.4多晶铁纤维吸波材料 多晶铁纤维吸波材料的研究始于80年代中期包括:铁纤维、镍纤维、钴纤 维及其合金纤维。其特点是: (1)重量轻(面密度(2Kg/m2): (2)频带宽(4~18GHz); (3)易于调节电磁参量(通过改变纤维长度、直径及排列方式); (4)多晶铁纤维形状特征决定其具有较高的磁导率,较小的电阻率,故其有较大 的涡流损耗,与磁滞损耗一起构成极高的磁损耗,同时还有较强的介电损耗。在 微波照射下,纤维内自由电子发生振荡,产生振荡电流,将电磁能转化为热能呻~ 20j 多晶铁纤维吸波材料已用于法国国家战略防御部队的导弹和飞行器,同时 正验证用于法国下一代战略导弹弹头的可能性。 1.4现有雷达隐身涂层的开发应用 1.4.1雷达隐身涂层的吸波机理 北京:刖世大学工学硕士学位论文 雷达隐身涂层的主要功能在于:在尽量宽的频带内,用尽量薄的涂层,尽量 轻的材料,所得到涂层的吸雷达波能力最强,即所谓追求薄(涂层)、宽(频)、 强(吸收)的效果。 对于单层吸波涂层,假定底板金属是理想导体,根据传输线理论,空气与涂 层界面处的输入阻抗为””…: 卢r]th(7d) (卜1) 其中, 玎—涂层的本征阻抗 刁=居=露=俘蕊 ∽z, tan艿。=∥”伽。 (卜3) tan5。=f’/£’ (卜4) 式(卜3)(卜4)分别是涂层介质的电损耗和磁损耗的正切,v是电磁波在涂层 中的传播常数,且有: Y=口4-Jfl=.,∞√,培/c (1—5) 其中, 口一衰减常数;∥~相位常数:m—角频率;F一光速:/4,s—涂层 的磁导率和介电常数。 根据传输线理论,在空气与涂层的界面上,当电磁波由空气向涂层作垂直入 射时,它的电压反射系数由下式表示: . r=麓=丽Z/Zo-1=裂Z+z,z}z,+lzj,+1 ∽e,…? 其中 Z。一空气的特性阻抗:z。一涂层的归~化输入阻抗。 以分贝表示的功率反射率为: 1 R=20lg{F (1—7) 当涂层界面输入阻抗与自由空间特性阻抗相等,即仁石时,电磁波被雷达吸波 涂层完全吸收,零反射R=O。 一般的多层均匀各向同性吸波材料的结构示意图如图卜2a),它的传输线章绪论 鬻鬻 层型吸波材料的结 ——o——()_—一o-…一o—一o————o…… z0 Zl Z2 Zl Zi+l ——》一o—一o…一o——(卜一o…一 b)n层多层吸波材料的传输线 Fig Multilayer absorbing coating a)Structureofmuitilayerb)Transfers1ine sketch analog 多层吸波涂层的情况,假定金属是理想导体,对于垂直入射的电磁波,第i 层入射面的输入阻抗为: 知仇鬻 (卜8) 其中 仇一吸收层第i层的特性阻抗; J一层数(j=l,2,3…,n—1): y,一第』层的传播常数: 口I一第j层的厚度; 五+广一第i+l层入射面的输A.N抗。 且有 /∥.’一,∥,” 玑2《丽 (卜9) 铲,孚瓜巧而丽 (1—10) 其中,—频率:C一光速。 第n层入射面的输入阻抗为:Z。=叮。thy。一 (卜11) 吸波材料的总电压的反射系数r可表示为: 北京一L业大学工学硕士学位论文 .ZI—Z。 f1—12) Z1+Z。 以分贝表示的总电压的反射系数为: I (i—i3) R:2019【r 理想状态下,Z=易时,雷达波被涂层完全吸收。 1.4.2国内外雷达隐身涂层的现有技术水平 欧美各国和我国都对隐身涂层投入了大量的人力物力进行了深入的研究,目 前隐身涂层所达到的技术水平见表卜I、表I-2。““””1。 表i-I国外隐身涂层现有技术水平 Table1—1 1evelof Stealthytechnologyforeigncountry 涂层 涂层面 序 隐身频带宽度 隐身性能 研究者 厚度 密度 备注 号 /GHz /dB /mm Kg/m2 微米级铁氧体材 美B-2隐身轰 料耐温性差,雷达 l 炸机TR-l高空2 5 8~18 小于一10 隐身涂层,已工程 侦察机 应用。 美F/A—IBC/D 微米级羰基铁纤 2 大黄蜂隐身飞 2~i0 小于一10 维,雷达隐身涂层 机 己工程应用。 亚微米级多晶铁 4~6 小于一5 纤维,雷达隐身涂 3 美3M公司 1.0 6~20 小于一10 层,实验室工作阶 段。 微米级多晶铁纤 4 美CIT公司 2 5~17.5 小于一5 维雷达隐身涂层, 法国 已工程应用。 雷达波(毫米 级) 30KHz~lOOKHzlO~15 这种多功能隐身 m~ 中红外(3u 辐射率: 涂层为可见光、中 5 美 5um) 0.5nO.9远红外、雷达波兼 um~ 远红外(8 辐射率: 容,处于实验室丁 14um) 0.6~O.95作阶段。 可见光:光谱特 性与背景一致 第1章绪论 表卜2国内隐身涂层现有技术水平 l一2Domestic 1evel Table stealthytechnology 序 涂层面密度 隐身频带宽度 研究者 涂层厚度/mm 隐身性能/dB 号 Kg/m2 /GHz 05 8~18 南京大学 1,0 8~18 小于一8 l 703所 1.5 2~18 小于一10 2.O 3~18 小于一10 0.5±0.05 2.0±0.1l 8~18 小于一6 北京航空 2 1.0±0.05 3.8±O.2 8~18 小于一10 材料研究院 1.4±0.05 4.4±0.2 8~12 小于一24 北京航空材料 3 研究院、成都 0.5 8~18 小于一6 电子科技大学 综合评价:见表卜1及表卜2可知,现有隐身涂层技术有下述特点: (1)层厚度较大,一般在0.5~2mm之间,小于0.5mm涂层隐身功能不理想; (2)涂层面密度较大,一般在3.5Kg/m2以上;(3)频带宽度较窄,一般在8~ 频带兼容)隐身涂层已引起注意。 1.5吸波材料的纳米复合改-I生方法 超细复合粒子是指两种或两种以上的超细粒子经表面包覆或复合处理后形 成的超细粒子,它除了具有单一超细粒子所具有的表面效应,体积效应及量子尺 寸效应外,还具有复合协同多种功能,改变单一粒子表面性质,增大两种或多种组 分的接触面积等作用。将超细复合粒子技术运用到隐身材料领域,使吸收剂的各 种组分以超细复合粒子的形式结合在一起,可以很大程度地提高隐身材料的吸波 性能n81…。 包覆式超细复合粒子的制备方法有机械法、异相凝聚法、种子异相聚合法、 微乳液法、沉积法,还有相转移法、离子束法等较新型的方法㈨]。 本文主要采用机械法利用挤压、剪切、冲击等机械力将纳米吸波材料粒子(子 粒子)固定在微米Co粒子(母粒子)表面而制备复合粒子对吸波材料粉体进行 北京工业大学工学硕士学位论文 复合改性。 1.6本文要旨 从上述分析可以看出,国内对伪装网的研究较少,并且多局限于光学隐身伪 装网的研究。因此,从未来军事斗争准备应加速我国防雷达新型伪装网的研究。 本文的研究工作分成雷达吸波涂层研制和将研制的雷达吸波涂层应用于所 设计的三维伪装网两个阶段进行。具体工作如下: 选择微米金属磁性粉Co、FeB纳米晶两种吸波材料作为研究对象。考察采用 机械法对微米吸收剂进行纳米复合改性,多层涂层复合的情况下,对微米吸收剂 吸波性能的影响,以期获得具有强吸波性能、吸波频带宽、涂层面密度小的隐身 涂层。将所研制的隐身涂层与三维外形隐身结构相结合制备出吸波性能优良的三 维伪装网。 对于微米co粉:研究涂层中吸收剂含量不同时的吸波能力,找出涂层中最 佳的吸收剂含量范围;对微米Co进行多种形式的纳米复合改性,分析各种复合 对微米c。吸波能力的影响,从而找出好的纳米复合吸波材料;进行涂层设计, 在涂层设计的指导下进行涂层复合,分析复合涂层的吸波性能:研究采用复合涂 层的三维伪装网的吸波效果。 对于FeB纳米晶:主要进行多层涂层复合并研究复合涂层的吸波性能,同时 研究FeB纳米晶复合涂层与圆锥、丛林等结构形式结合时的伪装网吸波性能。 第2章伪装网单层吸波涂层的研制 第2章伪装网单层吸波涂层的研制 2.1概述 隐身技术对实用吸波涂层的要求是薄、轻、宽,即要求涂层厚度薄,涂层在 满足一定的吸波性能的前提下,在工作频带中,使入射到材料内部的电磁波在尽 量薄的厚度被快速损耗吸收;涂层质量轻(通常以面密度来表示),吸波涂层材 料的面密度要小、重量轻;涂层吸收频带宽,涂层要有足够宽的工作频带,一般 以反射率R小于某一值的频带宽度表示。 涂层的反射率与涂层组分、结构、厚度以及涂层组分的电磁参数密切相关, 通过合理的组合和设计,充分利用不同材料的性能,使现有吸波材料得到优化组 合,改善材料电磁参数值,增大损耗以加大吸收,最大限度的提高材料的吸波性 能。 要使目标回波强度显著衰减,雷达波吸波涂层应能有效地吸收入射雷达波, 从而使其目标回波强度显著衰减。为了达到这个目的,要解决两个问题:一是入 射波能最大限度地进入材料内部而不被表面反射,需要采用特殊的边界条件来 达到与空气阻抗相匹配(阻抗匹配条件):二是进入材料内部的电磁波能迅速地 被材料吸收衰减掉(衰减条件)“”…。 (1)阻抗匹配条件 根据Maxweli方程和传输线理论,在空气与涂层的界面上,当电磁波由空气 向涂层作垂直入射时,它的电压反射系数由下式表示: r一箍=筹=筹z+z。z}z,+、zt,+、 、‘1。∽·, 其中 Z。一空气的特性阻抗;Z。一涂层的归一化输入阻抗。 以分贝表示的功率反射率为: R=2019fr1} (2-2) 当涂层晃面输入阻抗与自由空间特性阻抗相等,即Z三磊时,电磁波被雷达吸波 涂层完全吸收,零反射R=0。 (2)衰减条件 电磁波进入雷达吸波涂层后,吸波涂层应有足够高的电磁损耗,使电磁波能 北京工业大学工学硕士学位论文 迅速地最大限度衰减掉。即材料应具有足够大的介电常数虚部或足够大的磁导率 虚部。吸波涂层对电磁波的吸收率可表为下式 d=l—e-2“ (2—3) 式中 口一涂层的吸收率; a一涂层的衰减常数; d一涂层的厚度。 可见,要使电磁波完全衰减,即d=l,必须口或d为无限大。实际上没有口为 无限大的涂料,d为无限大也没有实用意义,故只能做到使电磁波尽可能多的衰 减掉。同时吸波涂料的a大和阻抗匹配是矛盾的,一般涂料的d越大,其本性阻 抗越小,越难与自由空间的本性阻抗匹配。因此,吸收型涂层的反射率也不可能 达到零。一般它比干涉型涂层的响应频带要宽。 本章以微米co粉为吸收剂,通过改变co粉在涂层中的含量,以期找出涂层 吸波能力最好时的Co粉含量(Wt%)范围;在此基础上,引入几种具有优良吸 波能力的纳米吸波材料对微米Co粉进行纳米复合改性,分析微米Co粉纳米复合 后材料电磁参数的变化和涂层吸波性能的关系。 2.2吸波涂层制备工艺和涂层性能的表征 2.2.1涂层制备工艺 本章雷达吸波涂层以微米co为吸收剂主相,纳米铁酸镍钴、纳米SiC、纳 米铁酸镍锌等吸波材料作为对微米Co复合进行改性的材料引入吸波涂层。 2.2.1.1微米co涂层制备 涂层制备工艺流程见图2-I: 加稀释剂、 ———叫锥磨机卜—一二L竺——叫 涂料 I 图2-l微米涂料的制各 Fig.2-1 of Preparing procedure micro single—phase dope 第2章伪装网单层吸波涂层的研制 II 将制得的涂料采用压缩空气喷涂在180x180ram的铝板上制备涂层。 22 1.2纳米复合涂层的制备 纳米复合隐身涂料制备中的关键问题是:纳米粒子解聚、纳米粒子与微米 粒子复合、纳米粒子复合后在粘结剂中的分散。 纳米复合隐身涂料中必须含有纳米级吸收剂,所制备的涂层才有可能令隐 身性能显著改善。纳米粒子由于本身的特性,在制备及贮运中产生团聚是必然的。 纳米粒子团聚的原因:表面活性大,纳米粒子表面原子数目巨大,表面原 子配位不足,存在大量不饱和键,形成高的表面能,加之范氏力的作用,令这些 原子易与其他原子结合而稳定下来,颗粒问极易团聚:纳米粒子表面存在局部电 荷不均,易形成双电层,存在静电力作用,导致吸附团聚;纳米粒子巨大的表面 积,令水蒸汽在颗粒间凝聚趋势增强,颗粒间形成化学键,J3n,居0了团聚。“。 纳米粒子团聚的种类:软团聚,当颗粒尺寸50hm时,颗粒间范氏力、静 电力、毛细管力较强,易形成软团聚,这种团聚在粉体加工过程中易破碎。硬团 聚,这种团聚非加强剪切力和挤压力,否则不易破碎,在制备纳米复合隐身涂料 过程中,首先必须令已团聚的纳米粒子集团解聚。 纳米复合吸收剂制各要点: (t)纳米粒子解聚(硬团聚)加强剪切力并辅以强力超声振荡是必须的。亦 是解聚成功与失败的两个关键,缺一不可。这里要特别注意:产生高剪切 力钻头的转速和超声频率、功率、时间应适当。 (2)分散时应适当加分散剂,控制分散头转速及选择适当分散剂是两个关 键。同时应辅以锥磨。锥磨过程实际上是强剪切力作用过程。可在强力剪 切机及超声振荡基础上进一步解聚、分散。 (3)纳米复合吸收剂的“复合”含义是: ①微米级吸收剂被纳米粒子包覆; ②纳米级粒子弥散于微米级粒子间; ③前述两种的混合型。不刻意追求完全的包覆或完全的弥散。实际工作 中发现,大量的复合结果是纳米粒子包覆在微米粒子表面同时纳米粒 子弥散于微米粒子之间。 (4)强调“解聚”、“分散”、“复合”不单独进行,而是同时进行。这主要是 北京工业大学工学硕士学位论文 基于下述考虑:纳米粒子团聚体解聚成原级纳米粒子后,表面能极高。在 此时立即被“吸附”在微米级吸收剂表面,达到“瞬间”复合。 粒子表面复合的模型见图2—2: 2 图2-2纳米粒子与微米粒子复合模型 1.母粒子2.包覆粒子3.复合粒子 Fig.2-2 sketch of Compoundingnanometerand micro particles l_Core 2.Shell particles particles 3,Compositeparticles 纳米复合涂料制各的工艺流程如图2-3。将制得的涂料采用压缩空气喷涂在 180x180mm的铝板上制备涂层。 刀口稀样刑、 纳米吸收剂 表面活性剂 乳化机进行高速 微米吸收剂 搅拌、强力剪切 -I超声振荡l 混合 图2-3纳米复合涂料的制备 Fig.2-3 Preparingprocedureofnanometer compositedope 2.2.2吸波涂层的性能表征 衡量一个吸波涂层吸波性能的主要特征值按阻抗匹配、衰减吸收的要求,有 第2章伪装网单层吸波涂层的研制 以下特征值。 (1)反射率R:反射率定义为 R-20Lg鲁=lOLg堡[dB] (2—4) E,P, 式中,E,和P,,分别为入射平面波的场强和功率;E,和P,分别为RAN平面 反射波的场强和功率。因此,鲁和台分别表示电压反射系数和功率反射 系数。 (2)带宽度;指反射率低于某一给定最小值的频率范围带宽。可用频率的绝对值 △厂表示,也可用相对带宽表示,相对带宽等于带宽除以该波段的中心频率。 响应带宽必须是指明反射率小于某一值时的带宽。 反射率随频率变化的曲线)反射率与微波频率/的关系R∥)一厂: 直观的反映吸波涂层的吸波效果。 (4)复介电常数s和复磁导率∥:复介电常数和复磁导率的实部5’、∥’和虚部 s。、∥”是表示吸波材料的电磁损耗的重要参数。可以用损耗角正切tan坑和 tan8。表示,也有用它们的模和辐角来表示。 (5)s、“和频率的关系s—f、/2一f。 (6)入射角敏感性:指反射率随入射角变化的依赖关系。对谐振型薄涂层而言, 当入射角大于30。以后,吸波性能将迅速下降,通常可近似地将其用电压 反射系数R表示为 R(曰)一辔2昙 (2—5) 式中p为入射角,即平面波入射线与RAM平板表面法线)极化特性:指电场相对于入射平面(即入射方向与平板法向构成的平面)的指 向。电场矢量在入射平面内称为平行极化,反之称为正交(垂直)极化。显然, 在垂直入射(口0。)时不存在极化问题,但随着口的增大,RAM的吸波特性 将因极化而异。 (8)品质因数:指吸波涂层材料所能覆盖的最大波长与其厚度d之比。此值越小 表明材料的吸波性能越好。 北京工业大学工学硕士学位论文 (9)涂层厚度d和面密度p。:涂层厚度应在满足吸波性能的前提下尽可能薄, 面密度也应尽可能的小。过厚的涂层不但使重量增加,涂层的机械性能也很 难满足。 在本文涂层性能研究中,重点放在涂层的反射率R、带宽度△厂、涂层的厚 度d、涂层面密度尸。、吸波材料的复介电常数占和复磁导率∥等特征值上。 2.2.21吸波材料电磁参数的测量 电磁波在吸波材料中的传播特性由材料的电磁参数决定。在设计和制造雷达 吸波材料时,要求充分了解所需材料的电磁性质。材料电磁参数(复数介电常数 s,、复数磁导率∥,)的测量都是在封闭系统中进行。主要用矩形波导和同轴传 输线,被测样品必须做得均匀,满足公差要求。 本实验采用“扫频双六端口吸波材料电磁参数测试系统”按“传输反射法”, 在2~18GHz的范围内扫频,测量微米Co粉、纳米铁酸镍钴复合微米Co粉的电 磁参数。 (1)测量原理 填充均匀各向同性的微波介质的一段波导(同轴线),构成一有耗二端口网 络,如图2-4所示 S2、@) 1 端口1 端口2 r 、 r Sll(珊)1 S12(∞) S12∞) 图2-4S参数示意图 2-4 notation Fig S--parameterflowgraph 2)F/O—T2F2) (2-6) Sll(m)=(1一T S2,(珊)=(1一T2)r/0一T2F2) (2—7) 第2章伪装网单层吸波涂层的研制 式中:r为试样长度为无限长时,介质表面的反射系数, r=c序叫,c序“, ∽s, T为电磁波在长度为d试样段中的传输系数, 71=P”一 (2—9) 式中:,。=竿厄i。 测量微波吸收材料电磁参数的实质就是测量一对复数散射参数SIl@), s·z沏)t通过中间变量r,T,最后求得材料的扫频复介电常数占,和复磁导率∥,。 (2)吸收剂电磁参数扫频测量系统 用矢量网络分析仪测量材料复介电常数,复磁导率的系统原理图见图2-5。 图2-5网络法电磁参数扫频测量系统方框图 Fig.2-5 block Simplified ofthe diagram method S-parameter 22.22富达吸波涂层反射率测量 雷达吸波涂层反射率是涂层吸波性能的重要指标,它表示了吸波涂层相对于 金属平板反射的大小。本文根据GJB 2038—94“反射率弓形测量法,,用反射率 自动扫频测量系统对涂层在2GHz一18GHz的反射率进行测定。 (1)涂层反射率测量原理 在给定波长和极化的条件下,电磁波从同一角度,以同一功率密度入射到吸 波涂层(RAM)的平面和良导体平面,RAM平面与同尺寸良导体平面二者镜面方 北京工业大学工学硕士学位论文 向反射功率之比定义为RAM反射率。 R=% (2—10) 式中:R为RAM反射率;只为RAM样板的反射功率;只为良导体平面的反射功 率。 (2)测量系统 弓形法是20世纪40年代美国海军研究实验室(NRL)发明的,该方法是国 际上应用最广泛的吸波涂层评价方法。分离的发射与接收天线安装在被测吸波涂 层样板的上方的半圆架子上,样板置于弓形框的圆心。通过改变天线在弓形框上 的位置,可以测出不同入射角的RAM的反射率如图2—6。 图2-6弓形法涂层反射率自动扫频测试系统方框图 block ofthearchmethod Fig.2-6Simplifleddiagram 2.2.2.3吸收剂和涂层的微观分析 波涂层中吸收剂的分散状态。 2.3微米co涂层中Co含量与涂层吸波性能的关系 吸波涂层的吸波性能与涂层中吸收剂的含量有关,找到吸收剂的最佳添加量 才能制得吸波性能优良的涂层。 2.3.1实验方案 微米co粉吸波涂层采用颗粒度为1~2岬的金属Co粉作吸收剂,环氧树脂 为粘结剂即成膜物质,无水乙醇作为稀释剂,油酸用作表面活性剂避免超细粉体 第2章伪装网单层吸波涂层的研制 解聚后又团聚。 采用空气喷涂工艺制备co雷达吸波涂层,涂层中co重量百分比分别为: 厚度4mm。 2.3.2实验结果分析与讨论 2.3.21涂层的面密度和反射率 实验中制备了一系列Co为吸收剂的雷达吸波涂层,涂层厚度、面密度见表 2一l。测试了各涂层的反射率,结果如图2—7所示。 表2-i单一co为吸收剂的涂层的厚度和面密度 Table2-1Thicknessandfacial ofCo density coating 涂层中微米co粉含量(wt%) 吸收剂 60 75 80 85 90 厚度d(m) 1.0l 1.03 1.03 1.02 1.01 2.2l 2.56 2.75 3.03 3.15 面密度p4(Kg/m2) ,o 4≈4 ≈ u 擗 盘 博 4{{0{西伯” 频率(Gl{z) 图2—7co雷达吸波涂层吸收剂含量不同时的反射率 Fig.2-7 ofCo with ReflectivitycoatingsdifferentCocontent 北京丁业大学工学硕士学位论文 从图2—7可知,涂层中的co添加量不同时,涂层吸波能力不同。co含量为 80%时涂层的吸波性能最好。涂层Co含量过高或过低对涂层的吸波能力产生负 面影响。Co粉添加量过低时,聚合物基体所占的比重大,分散的微米Co粉间隔 大,不能形成完整的三维导电网络,影响电磁波的传递,使涂层对电磁波的能量 损耗能力下降;co粉含量过高超过80%时,过高的吸收荆添加量,聚合物基体 介质相对欠缺,影响Co粉的均匀分散,粉体团聚在一起,与电磁波作用的表面 积减小,涂层吸波能力也不好。 2 3.2.2涂层中吸收剂的微观分析 对涂层中吸收剂分散状态进行观察,如图2—8所示,分别为微米co粉在涂 层中的含量(wt%)为60%、80%、90%时的涂层表面形貌。 图2—8微米co涂层的S跏表面形貌 SEM Fig.2-8appearanceofCocoatings a)CoContent60%b)Cocontent80%c)Cocontent90% 图2—8a)中环氧树脂基体占的含量大,Co颗粒之间间隔距离较大,不能形成 有效的导电网络;另一方面,Co在涂层中的含量过小,也影响了涂层对电磁波 的衰减能力。图2—8b)的涂层co的分散好于图2—8c)的涂层,涂层的孔隙也少一 些,可以初步解释80%Co含量的涂层吸波能力较好,反射率较小这一结果。 2.4纳米复合Co雷达吸波涂层 2.4.1纳米复合的理论依据 由式(2~1)吸波效果取决于输入阻抗z。,接近于完全吸收时,阻抗匹配的条 第2章伪装网单层吸波淙层的研制 件为:Z。一l,对单层吸波涂层输入阻抗: (2一儿) Z。。=(∥/s)“2th[j2xd/2(sp)“2】 和介电常数F及吸波涂层的厚度,使其尽可能达到最佳匹配““。对于复合吸波材 料等效磁导率和等效介电常数的电磁理论公式分别为“…”: 窆旦豢J,:o (2砌) 智“+2∥‘ X,=o (2m) 善n面Ei--E 式中“、s,分别为第i种材料的磁导率和介电常数;ju、占为复合材料的等效磁 导率和介电常数;Ⅳ,为第i种材料的体积分数。由上述2-12、2-13两式可知, 复合材料的电磁参数与组分的电磁参数和含量有关,因此,采用其它材料如纳米 材料对某种

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