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1、隱身復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀分析和制備方法摘要 :本文介紹了隱身復(fù)合材料的產(chǎn)生背景、發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。分析了雷達(dá)隱身復(fù)合材料發(fā)展的必然性及其在隱身技術(shù)中的重要地位,較詳細(xì)介紹了材料的隱身原理,以及當(dāng)前涂敷型結(jié)構(gòu)型隱身復(fù)合材料的組成、結(jié)構(gòu)和特性。通過材料體系配方設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).探討了不同吸收劑、不同結(jié)構(gòu)形式對材料樣板性能的影響.最終優(yōu)化結(jié)果表明,特定濃度的某種吸收劑通過一定方式加入材料體系內(nèi)部后.所成型的復(fù)合材料樣板吸波性能良好,其力學(xué)性能滿足通用工程材料的使用要求。說明了發(fā)展隱身復(fù)合材料的重要意義。關(guān)鍵詞 :隱身;復(fù)合材料;雷達(dá)吸波材料;吸收劑乃至整個(gè)隱身技術(shù)的未來2。0 前言當(dāng)今的戰(zhàn)爭是技術(shù)的戰(zhàn)
2、爭, 是電子的戰(zhàn)爭,像以前那樣短兵相接、拼刺刀的時(shí)代應(yīng)經(jīng)過去了?;趶?fù)合材料優(yōu)良的綜合性能,在現(xiàn)代隱身武器中隱身復(fù)合材料得到了廣泛的應(yīng)用,并使隱身武器的性能大大提高。在實(shí)戰(zhàn)中, 雷達(dá)以及紅外探測器應(yīng)用比例最大。雷達(dá)、紅外探測器住海、陸、空戰(zhàn)都有應(yīng)用,聲納及磁異常探測器主要用于海戰(zhàn)。因此隱身技術(shù)的最主要研究對象是針對雷達(dá)波及紅外輻射的隱身技術(shù), 而雷達(dá)隱身材料是最早采用的隱身技術(shù)。 它能夠使入射的雷達(dá)波發(fā)生衰減, 吸收并轉(zhuǎn)變成其他能量形式的材料, 即雷達(dá)波吸收材料 ( RAM :radarabsorbing materials) 1 。隱身復(fù)合材料與先期發(fā)展的雷達(dá)吸波涂層相比, 除了其具有吸波與
3、承載雙重功能外,還有其他明顯特點(diǎn)。例如,不增加飛行器額外重量, 有利于拓寬吸波頻帶等, 因而它有逐步取代吸波涂層的趨勢。 吸波復(fù)合材料正經(jīng)歷由玻璃纖維增強(qiáng)到碳纖維及其混雜纖維增強(qiáng)、由熱固性樹脂到熱塑性樹脂、由次承力件到主承力件的發(fā)展過程。 隨著先進(jìn)復(fù)合材料在飛行器上應(yīng)用的擴(kuò)大, 采用隱身復(fù)合材料已成為新一代軍用飛行器材料革命的重要方向。 例如, 在 F-117、, B-2、 F-22 隱身飛機(jī)上復(fù)合材料用量分別為10%、>50%, >70% ??梢哉f, 隱身復(fù)合材料的發(fā)展在很大程度上影響著雷達(dá)吸波材料1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀隱身復(fù)合材料是融合了隱身性能、結(jié)構(gòu)承載、抗彈等多種功能于一身的先
4、進(jìn)復(fù)合材料,能夠有效降低武器裝備的被發(fā)現(xiàn)概率,降低車輛的總重,提高車輛的機(jī)動(dòng)性,提高其生存能力。國內(nèi)隱身復(fù)合材料技術(shù)主要應(yīng)用于軍事裝備。國內(nèi)開展吸波材料研究已有 10 余年歷史,在材料研制與應(yīng)用方面取得了一定進(jìn)展。其中,對以玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu) RAM 進(jìn)行了較深入研究,對這類材料的微觀吸機(jī)制以及宏觀電磁性能 (P 等 ) 之間的關(guān)系、材料的rrCAD方法有一定的研究。另外,對夾層結(jié)構(gòu)型吸波材料進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性研究, 對影響夾層結(jié)構(gòu)吸波特性的一系列因素進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了規(guī)律性總結(jié)。 一種多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)吸波材料比較常見。 近年來對碳纖維及其混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的微波電磁性能
5、進(jìn)行了探索研究, 研究了纖維本身的微波電磁特性、 纖維編織方式、 材料成型工藝等對復(fù)合材料反射性能的影響, 得到了一些基本規(guī)律。 在近 10 年的隱身復(fù)合材料研制中,也開展了一些吸波結(jié)構(gòu)典型件的研制,并取得了一些應(yīng)用成果, 對推動(dòng)隱身復(fù)合材料的發(fā)展具有重要意義 3 。目前國內(nèi)外主要進(jìn)展表現(xiàn)在幾方面:1.熱塑性混雜紗吸波復(fù)合材料研制并用于機(jī) (彈 )翼、蒙皮及耐高溫部位。2.運(yùn)用 CAD方法,采用自動(dòng)鋪層、數(shù)控纏繞、多維編織等新技術(shù)制造多層(夾層 )結(jié)構(gòu)隱身材料。3.陶瓷結(jié)構(gòu)吸波材料得到開發(fā),其中以SiC 纖維吸波材料發(fā)展最快。4.碳一碳吸波材料的發(fā)展并已用于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、火箭噴管及頭錐等部位2 。
6、國外飛行器、 導(dǎo)彈、 艦船用結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料己進(jìn)入應(yīng)用階段.美國的 F-117、 B-2都大量采用了碳纖維、碳/芳綸或碳 /玻璃纖維混雜作為增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)吸波材料;法國“幻影 ”系列戰(zhàn)斗機(jī)、俄羅斯米格一29 部分采用碳纖維結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料; 法國 “拉斐特 ”護(hù)衛(wèi)艦、瑞典的 “斯米蓋 ”、美國的 “阿利·伯克 ”級(jí)宙斯盾驅(qū)逐艦、英國的 “?;?”號(hào)都采用了各種類型的隱身復(fù)合材料。陸軍裝備用隱身復(fù)合材料技術(shù), 典型的為美國的 M113 和 X12 布雷德利的車體, M1A1 的負(fù)重輪等。 20 世紀(jì) 90 年代中期,美國陸軍研制出復(fù)合材料裝甲車輛先進(jìn)技術(shù)演示車, 上下車身采用相同的工序
7、把降低信號(hào)特征的材料與其它結(jié)構(gòu)合為一體, 可防雷達(dá)、熱成像儀的偵察。 1997 年,英國的 GKN 防御公司展示了一種履帶式隱身技術(shù)演示偵察樣車, 吸波材料被包含在裝甲結(jié)構(gòu)內(nèi),隱身性能超過布雷得利戰(zhàn)車。 英國的 “武士 2000”步兵戰(zhàn)車、美國的 Abrams 和俄羅斯的 T-95 均采用了外形融合的隱身結(jié)構(gòu),以降低雷達(dá)特征信號(hào)。 陸軍裝備用結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料更多地處于實(shí)驗(yàn)和演示驗(yàn)證階段。美國 “未來作戰(zhàn)系統(tǒng) ”武器發(fā)展和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的批準(zhǔn), 意味著隱身復(fù)合材料將被大量應(yīng)用于陸軍武器裝備,以實(shí)現(xiàn)其高機(jī)動(dòng)性、全隱身、小尺寸、超信息控制能力的集合。而隱身復(fù)合材料本身將在具備隱身、結(jié)構(gòu)、承載等性能的基礎(chǔ)上
8、, 能夠自我感應(yīng)、 自我調(diào)節(jié)、適時(shí)適地自我調(diào)控,向功能集成化、智能化方向發(fā)展。 利用復(fù)合材料設(shè)計(jì)自由的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料將與外形設(shè)計(jì)完美結(jié)合 4。2 材料隱身的機(jī)理與途徑吸波材料吸收雷達(dá)波的基本原理是將雷達(dá)波轉(zhuǎn)換成其它形式的能量 (如熱能 )消耗掉。在創(chuàng)造高效吸收材料時(shí), 必須遵循物理(電動(dòng)力學(xué) )概念、配合尋求最佳混合物的物理化學(xué)途徑。 分析表明采用不均勻的兩組分和多組分材料是最有前途的, 而材料的組成可根據(jù)導(dǎo)體、 半導(dǎo)體和介質(zhì)的電磁性能、物理化學(xué)性能來確定。 至于材料吸收的電磁能值,則取決于材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。所謂隱身即為不暴露 .目前各國探測目標(biāo)的手段主要為微波雷達(dá), 它利用電磁
9、波在傳播過程中遇見介質(zhì)變化時(shí)將在界面感應(yīng)電磁流, 并向四周輻射電磁能的原理, 通過分析雷達(dá)接收天線截獲 (或感應(yīng) )的輻射電磁能,便可判斷目標(biāo)的距離、方位、大小、類型等等 .隱身的宗旨就是避免接收天線截獲到此輻射能 .首先應(yīng)避免的是產(chǎn)生感應(yīng)電流,這主要靠材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn); 其次是避免天線接收到電磁能的輻射, 它主要靠外形設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) .假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的功率為Pt ,接收的輻射功率為 Pr,則有關(guān)系式 :PrPt G 2 2( 434( 1)R式中: G 一一天線增益 (最大輻射方向的功率與平均值的比值);一一電磁波波長;R-目標(biāo)距離 ;一一雷達(dá)散射截面.這里取決 干 目標(biāo)特性的只有雷達(dá)散射截面,它與目標(biāo)
10、的大小、 電磁特征參數(shù) (與形狀,波長相關(guān) )及反射系數(shù)有關(guān),而反射系數(shù)取決于界面材料的電性能及雷達(dá)波的波長、人射角和人射極化(電場與人射面的關(guān)系 ).對于平面界面,當(dāng)人射角垂直界面時(shí),垂直極化與平行極化的反射系數(shù)相等,即有Z2-Z1RZ1Z2(2)Z1、 Z2 為兩種介質(zhì)的本征阻抗,由介質(zhì)的電特性 (介電常數(shù) )和 ( 導(dǎo)磁率 )確定,即Z11/1或Z22/2由( 2)式可得不反射條件為Z1Z2 或12(3)1 2由此可見,從目標(biāo)結(jié)構(gòu)選材方面縮減RCS( )的途徑為避免兩種介質(zhì)阻抗的劇烈變化, 確保阻抗?jié)u變或匹配,它可通過材料的特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn), 即將材料設(shè)計(jì)成表面阻抗接近自由空間阻抗, 隨厚度
11、增加,阻抗?jié)u小 . 其方法有二 :一為采用具有上述電的大小、電磁特征參數(shù) (與特征的層板結(jié)構(gòu) ;另一方法為在主體材料中加具有相反電特征的物質(zhì)微粒一一導(dǎo)體加陶瓷等絕緣微粒, 而絕緣體加金屬微粒, 且隨厚度不同, 微粒的密度不同 .另外從能量守恒角度看, 電磁波反射減小。折射必增大,如果不將其損耗,當(dāng)其遇到其它界面 (如蒙皮內(nèi)面或內(nèi)部結(jié)構(gòu) )時(shí)還將反射,損耗的方法為將其轉(zhuǎn)變成其它(如熱 )能這也得通過特殊材料的特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)5 。制得的樣板吸波效果不同。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), A 類吸收劑濃度變化對吸波效果的影響不明顯 (表 1), B 類吸收劑的濃度對吸波性能影響較大 (表 2)。利用 A 類吸收劑制作的
12、樣板性能穩(wěn)定 (表 3) ,利用 B 類吸收劑制作的樣板性能不穩(wěn)定 (表 4)。同時(shí) A 類吸收劑易于在纖維布層間分散, 其濃度和分散方式可設(shè)計(jì)性強(qiáng), 能較大范圍地調(diào)節(jié)材料體系的電磁參數(shù)。 而 B 類吸收劑的吸波效果、 分散工藝、 可控性差。 利用 A 類吸收劑制取復(fù)合材料體系樣板的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表5。3 實(shí)驗(yàn)過程一、原料環(huán)氧樹脂 (E-51 ,無錫樹脂廠;潛伏固化劑 (594),無錫樹脂廠;丙酮,燕山石化;酒精,燕山石化; 碳纖維;日本東麗公司; 玻纖布,南京玻纖院;吸收劑 A 、吸收劑 B,自制。二、實(shí)驗(yàn)隱身復(fù)合材料體系采用高性能樹脂基體浸潤玻纖增強(qiáng)體,形成連續(xù)相 ;吸收劑按照設(shè)計(jì)要求,
13、以一定的濃度和方式分散于玻纖增強(qiáng)體與樹脂基體之間,形成非連續(xù)相,利用平板硫化機(jī)進(jìn)行模壓制樣, 對多種類型吸收介質(zhì)的吸波效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中,主要通過控制吸收劑的分散狀態(tài)和加入量來實(shí)現(xiàn)電磁參數(shù)的調(diào)節(jié), 從而實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)波的入射、散射、損耗等。不同濃度吸收劑通過設(shè)計(jì)復(fù)合材料的表層結(jié)構(gòu),雷達(dá)波的入射率得到有效提高:在材料內(nèi)部通過改變吸收劑的加入量的變化,使入射到材料體系內(nèi)部的雷達(dá)波逐漸被損耗,實(shí)現(xiàn)不同層次的吸收功能、 反射功能和散射功能,從總體上提高了復(fù)合材料的吸波效果,且性能穩(wěn)定 ;其力學(xué)性能達(dá)到了通用材料的使用要求。三、結(jié)果與討論根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果,在材料體系和成型工藝條件不變的前
14、提下, 對所制取樣板進(jìn)行 8 毫米波、 厘米波吸波效果測試 (圖 1、圖 2)。可以看出, 在 8 毫米波段隱身復(fù)合材料體系具有良好的吸波效果,在厘米波段2GHz-8GHz范圍吸波效果OdB-8dB , 8GHz-18GHz范圍吸波效果 8dB-12dB 。這主要與與吸收劑的加入方式有關(guān)。 由圖中還可以看出, 曲線兩端均趨于水平, 這說明在頻帶范圍之外材料體系仍然具有較好的吸波性能 ;這對拓展其工作頻帶具有重要意義。四、評價(jià)指標(biāo) 6五、結(jié)論隱身復(fù)合材料板具有良好的雷達(dá)波隱身效果, 在毫米波段和厘米波段均具有較高的吸波性能 .復(fù)合材料樣板具有較高的強(qiáng)度和模量, 具有一定的抗彈性能,與金屬材料相比
15、有很好的減重效果, 可以作為結(jié)構(gòu)件材料使用 4 。4 展望吸波復(fù)合材料的研究是國內(nèi)外隱身技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。不管是涂敷型吸波復(fù)合材料,還是結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料,均是針對雷達(dá)探測系統(tǒng)研制開發(fā)的隱身復(fù)合材料, 這些吸波復(fù)合材料主要吸收雷達(dá)電磁波。 傳統(tǒng)的吸波材料主要以強(qiáng)吸收為目標(biāo), 但存在頻帶窄、效率低、密度大等缺點(diǎn),應(yīng)用范圍受到一定的限制。新型的吸波材料要求滿足“薄、輕、寬、強(qiáng) ”,還滿足多頻譜兼容、耐高溫、耐海洋氣候、抗輻射等更高要求。結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料既能承載, 又能吸波, 并具有寬頻帶、 高效率的優(yōu)點(diǎn), 是今后研究的重點(diǎn)。同時(shí)反隱身技術(shù)的發(fā)展促使新興隱身手段的探索和研究, 兼容性吸波復(fù)合材料
16、和等離子體隱身技術(shù)得到了重視。 隨著多功能復(fù)合吸波材料研究的深入,納米無機(jī)物 / 聚合物復(fù)合體作為一種新型的優(yōu)秀吸波功能7材料必將有更大的發(fā)展和應(yīng)用前景。1 董杰濤 . 隱身復(fù)合材料的研究與展望J. 中國科技財(cái)富,2011,19:121.2 劉俊能 . 隱身復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用 A. 中國儀器儀表學(xué)會(huì)儀表材料學(xué)會(huì)、八六三計(jì)劃新材料領(lǐng)域功能材料專家組、中國材料研究學(xué)會(huì) (CMRS )、中國電子學(xué)會(huì)電子材料學(xué)學(xué)會(huì)、中國金屬學(xué)會(huì)材料科學(xué)學(xué)會(huì)、中國物理學(xué)會(huì)發(fā)光分會(huì)、中國光學(xué)學(xué)會(huì)光學(xué)材料專業(yè)委員會(huì)、 機(jī)電部重慶儀表材料研究所、功能材料編輯部 .首屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集 C.中國儀器儀表學(xué)會(huì)
17、儀表材料學(xué)會(huì)、 八六三計(jì)劃新材料領(lǐng)域功能材料專家組、中國材料研究學(xué)會(huì)( CMRS)、中國電子學(xué)會(huì)電子材料學(xué)學(xué)會(huì)、中國金屬學(xué)會(huì)材料科學(xué)學(xué)會(huì)、中國物理學(xué)會(huì)發(fā)光分會(huì)、中國光學(xué)學(xué)會(huì)光學(xué)材料專業(yè)委員會(huì)、機(jī)電部重慶儀表材料研究所、 功能材料編輯部 :,1992:2.3 邢麗英 ,劉俊能 . 隱身復(fù)合材料的研究與發(fā)展 J. 航空制造工程 ,1995,12:3-5+8.4 趙立軍 ,于名訊 . 先進(jìn)隱身復(fù)合材料技術(shù)研究 A. 中國化學(xué)會(huì) .中國化學(xué)會(huì)第二屆隱身功能材料學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集C.中國化學(xué)會(huì) :,2004:4.5 李萍 ,陳紹杰 ,朱珊 ,鞠樹生 . 隱身復(fù)合材料的研究和發(fā)展 J.飛機(jī)設(shè)計(jì) ,1994,01:29-34+51.6 陳亮 ,張倫武 ,鄧愛明 ,魏文政 ,譚延江 . 軍用大飛機(jī)隱身復(fù)合材料設(shè)計(jì)技術(shù)研究 A. 中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、 河南省人民政府 .第十屆中國科協(xié)年會(huì)論文集(三)C. 中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、 河南省人民政府 :,2008:5.7 劉獻(xiàn)明 ,付紹云 ,張以河 ,孫正濱 ,李廣濤 . 雷達(dá)隱身復(fù)合材料的研究進(jìn)展 J. 材料導(dǎo)報(bào) ,2004,05:8-11.書是我們時(shí)代的生命 別林斯基
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