隱身材料(中文版)資料課件

高溫雷達(dá)吸波材料研究現(xiàn)狀與展望報告人：龍華倩期刊：無機材料學(xué)報2014年5月第29卷第5期：461-469作者：丁東海，羅發(fā)，周萬成，史毅敏，周亮高溫雷達(dá)吸波材料研究現(xiàn)狀與展望期刊：無機材料學(xué)報201目錄1.研究背景2.高溫吸波材料設(shè)計準(zhǔn)則3.C、SiC、ZnO

高溫吸收劑研究現(xiàn)狀4.涂覆型與結(jié)構(gòu)型高溫吸波材料目錄1.研究背景研究背景1）吸波材料：可以將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能而衰減雷達(dá)波，

是實現(xiàn)雷達(dá)隱身的重要手段。2）吸波材料必須具備的條件：厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻率寬、吸收能力強

耐高溫抗氧化高強度高韌性低密度研究背景1）吸波材料：可以將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能而衰減雷達(dá)波吸波基本原理

吸波材料能吸收或衰減入射的電磁波，使其因干涉而消失或其電磁能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。1.干涉作用

干涉作用是將入射的電磁波分成兩部分，一部分從吸波層表面反射，另一部分透過吸波層后經(jīng)底層反射后再穿過吸波層射出來。若經(jīng)底層反射的波與吸波層表面反射的波相位正好相反，兩段波便可發(fā)生干涉而減弱。吸波基本原理吸波材料能吸收或衰減入射的2.吸收作用

材料對電磁波產(chǎn)生吸收作用有兩個條件：電磁波入射到材料上時能最大限度地進(jìn)入到材料內(nèi)部，

即電磁匹配要好(匹配特性)；(2)進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地被衰減掉，即電磁損

耗要大(衰減特性)。吸波基本原理衰減特性：電磁波在材料內(nèi)產(chǎn)生電損耗或磁損耗，使電磁

波的電磁性能轉(zhuǎn)為其他形式的能量散失掉，達(dá)

到減少反射的目的。2.吸收作用吸波基本原理衰減特性：電磁波在材料內(nèi)產(chǎn)生電損耗吸波基本原理

電損耗機理：依靠電介質(zhì)的極化機理吸收、衰減電磁波。

極化的基本形式包括位移式極化和松弛極化。

彈性，瞬時完成，其極化過程不消耗能量，一般發(fā)生在物質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密、規(guī)則的地方。

與熱運動有關(guān)，非彈性，需一定時間，需消耗一定的能量。

電損耗介質(zhì)的吸波機理主要是松弛極化。松弛極化與電場作用和熱運動有關(guān)。熱運動的作用力圖使材料中的質(zhì)點分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，最終結(jié)果是使質(zhì)點按電場規(guī)律分布，然而在質(zhì)點移動過程中克服了一定的勢壘，時間較長，需吸收一定能量。吸波基本原理電損耗機理：依靠電介質(zhì)的極化機理吸收、衰減電高溫吸波材料設(shè)計準(zhǔn)則1）自由空間與材料表面的阻抗匹配以減少電磁波的反射,要

求材料的復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率接近；2）進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波可以被盡可能多的損耗,要求材料

有足夠大的電損耗或者磁損耗,即足夠高的復(fù)介電常數(shù)或

者復(fù)磁導(dǎo)率。高溫吸波材料設(shè)計準(zhǔn)則1）自由空間與材料表面的阻抗匹配以減少電吸波能力方程(1)(2)

RL

表示反射率；Zin表示入射波在自由空間與材料界面處的阻抗；Z0

為入射波在自由空間的阻抗；μr

與

εr

分別表示材料相對復(fù)磁導(dǎo)率與復(fù)介電常數(shù)；c

為光速；t

為材料厚度；f

為電磁波頻率。吸波能力方程(1)(2)RL

表示反射率；Z吸波能力方程

常溫下,吸波材料RL

是

μr

、

εr

、

f

、

t

的函數(shù)。

材料電磁參數(shù)與環(huán)境溫度密切相關(guān),高溫下材料失去磁性,復(fù)磁導(dǎo)率等于1,復(fù)介電常數(shù)隨溫度不同而變化。高溫下,吸波材料RL

是

εr(T)、f

、t

、T的函數(shù)

。吸波能力方程常溫下,吸波材料RL是μr高溫吸收劑

高溫吸波材料的傳統(tǒng)設(shè)計思路是將高溫吸收劑填入陶瓷或者玻璃基體,通過調(diào)整吸收劑種類、含量、尺寸、形貌、分布狀態(tài)等實現(xiàn)材料吸波性能的優(yōu)化。因此,制備綜合性能優(yōu)良的吸收劑是高溫吸波材料研制首要解決的問題。密度較大的磁性吸收劑在居里溫度以上轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾朋w,失去磁性,不適合作為高溫吸收劑。高溫吸收劑以電損耗為主,研究較多的主要是C、SiC、ZnO吸收劑。高溫吸收劑高溫吸波材料的傳統(tǒng)設(shè)計思路是將高溫吸收劑CharactersC吸收劑SiC吸收劑ZnO吸收劑CharactersCharacters

密度低(質(zhì)輕)惰性氣氛耐高溫電性能可調(diào)來源廣泛電導(dǎo)率較高高溫易氧化

高溫穩(wěn)定性優(yōu)越介電性能可調(diào)

純ZnO介電損耗較低

高溫穩(wěn)定性優(yōu)越介電性能可調(diào)

純SiC介電損耗較低高溫吸收劑CharactersC吸收劑SiC吸收劑Z碳吸收劑Disadvantage:抗氧化能力低通過涂覆抗氧化涂層來防止含氧氣體接觸擴散，從而改善了材料的抗氧化能力電導(dǎo)率較高自由空間阻抗失配導(dǎo)致電磁波反射較強改善阻抗匹配，減少電磁波反射OneTwo碳吸收劑Disadvantage:抗氧化能力低通過涂覆抗氧化熱解工藝優(yōu)化碳材料的電性能主要決定于石墨化程度,如果石墨化程度過低,損耗能力較弱;如果石墨化程度過高,則電導(dǎo)率較高,阻抗匹配變差。因此,可以通過優(yōu)化碳材料制備工藝,控制石墨化度,改善阻抗匹配特性。圖1苯分子的離域π鍵熱解工藝優(yōu)化碳材料的電性能主要決定于石墨化程度中空多孔炭纖維吸收劑(a)1℃/min(b)2℃/min(c)3℃/min(d)4℃/min圖2不同預(yù)氧化升溫速率、同一碳化條件下獲得的HPCFs截面SEM形貌圖中空多孔炭纖維吸收劑(a)1℃/min圖2不同預(yù)氧化升溫圖3HPCFs體電導(dǎo)率隨預(yù)氧化升溫速率的變化關(guān)系曲線中空多孔炭纖維吸收劑圖3HPCFs體電導(dǎo)率隨預(yù)氧化升溫速率的變化關(guān)系曲線中圖4HPCFs體電導(dǎo)率隨碳化升溫速率的變化關(guān)系曲線中空多孔炭纖維吸收劑圖4HPCFs體電導(dǎo)率隨碳化升溫速率的變化關(guān)系曲線中空小結(jié)1.升溫速率↑不利于HPCFs微孔的形成與保持2.熱處理升溫速率↑體電導(dǎo)率↓介電常數(shù)↓注意：預(yù)氧化升溫速率較炭化升溫速率變化幅度大！小結(jié)1.升溫速率↑表面涂覆在碳吸收劑表面制備電導(dǎo)率較低的陶瓷涂層,不僅可以改善阻抗匹配特性,減少電磁波的反射,而且可以提高其抗氧化性能。SiO2殼層

BNC/SiO21、方法：靜電紡絲2、厚度：20nm介電常數(shù)與介電損耗都較低，起始氧化溫度超過800℃,可以形成致密的B2O3保護(hù)膜表面涂覆在碳吸收劑表面制備電導(dǎo)率較低的陶瓷涂Disadvantage:LowdielectriclossSiCabsorberHowtoimprovetheabilityofdielectricloss？Ontheonehand，Latticedoped；Ontheotherhand，SiCfiberabsorbent。1、控制自由碳含量及石墨化度；2、引入異質(zhì)金屬元素；3、改變纖維截面形狀。Disadvantage:LChangethefibercrosssectionshape(a)Swirlshape(b)“T”shapeFig.2Microwaveabsorbingsiliconcarbidefiberswithnon-circularsection

(c)“C”shape(d)Crossshape異型截面纖維的葉片頂端的曲率明顯大于圓截面纖維,葉片頂端可以富集電荷而產(chǎn)生偶極子,在電磁波作用下產(chǎn)生振蕩,異型截面纖維吸波機理的理解還不夠深入,還有待于進(jìn)一步研究。ChangethefibercrosssectionDisadvantage:PureZnOhavelowElectricalconductivityHowtoenhancetheElectricalconductivity？Ontheonehand，Latticedoped；Ontheotherhand，Morphologycontrol。ZnOabsorberDisadvantage:Howto隱身材料(中文版)資料課件涂覆型吸波材料吸波涂層磁性吸波涂層介電吸波涂層添加劑性質(zhì)填充比例涂層厚度提高磁導(dǎo)率添加劑和吸波劑設(shè)計提高吸波性能提高吸波性能阻抗匹配涂覆型吸波材料吸波涂層磁性吸波涂層介電吸波涂層添加劑性質(zhì)提高吸波涂層一般由吸波劑和粘結(jié)劑組成；吸波劑是涂層的關(guān)鍵，決定了吸波涂層對入射電磁波的損耗能力；粘結(jié)劑是涂層的成膜物質(zhì)，可以使涂層牢固附著于被涂敷物體表面，形成連續(xù)膜。粘結(jié)劑必須是透波材料。優(yōu)點：吸波涂層對目標(biāo)的外形適應(yīng)能力強；對裝備的改動比較小，特別適用于現(xiàn)有裝備的隱身；吸波涂層施工方便，對武器裝備的機動、火力等影響較小。缺點：頻段窄，一般只適用于某一固定頻段；粘結(jié)性差，易脫落，受外界環(huán)境因素影響大；密度大，影響飛機、導(dǎo)彈等的飛行性能。涂覆型吸波材料吸波涂層一般由吸波劑和粘結(jié)劑組成；優(yōu)點：吸波涂層對目標(biāo)的外形F-35全稱“聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(JSF)”代號“Lightning”，2006年12月首飛，成本1.2億美元，采用波音公司的“幽靈工廠”生產(chǎn)的隱身涂層美國F-35隱身戰(zhàn)斗機F-35全稱“聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(JSF)”美國F-35隱身戰(zhàn)斗美國F-22隱身戰(zhàn)斗機F-22沿用了F-35使用的隱身涂層材料，但改善了材料的耐久性能，節(jié)約了維護(hù)時間和成本。美國F-22隱身戰(zhàn)斗機F-22沿用了F-35使用的隱吸波涂層ConvenienceFlexibleTechnologySimpleWaveabsorptionperformanceiseasytocontrolAdvantage隱形戰(zhàn)機殲10b吸波涂層ConvenienceFlexibleTechnol高溫吸波涂層基體：環(huán)氧改性有機硅樹脂無機填料：云母粉和玻璃粉吸收劑：短切碳纖維涂層可在600℃短時間使用

傳統(tǒng)熱壓法可以在金屬表面制備結(jié)合強度高、抗熱應(yīng)力性能好的玻璃或者陶瓷基吸波涂層,但是該工藝僅能應(yīng)用于平板金屬,不適用于異型表面。熱噴涂可以利用熱源將陶瓷粒子加熱到熔融或半熔融狀態(tài),同時借助火焰或者高速氣體,將其噴射到金屬表面,沉積成涂層。由于噴涂過程中,陶瓷粒子具有較高的動能與熱能,使得涂層與基體或粒子之間形成較強結(jié)合,涂層厚度可控,并且噴涂受構(gòu)件形狀限制較小,適于制備高溫吸波涂層。高溫吸波涂層基體：環(huán)氧改性有機硅樹脂無機填料：云母粉和玻璃粉結(jié)構(gòu)吸波材料結(jié)構(gòu)吸波材料具有承載和隱身的雙重功能；具備復(fù)合材料質(zhì)輕、高強的優(yōu)點；一般使用于僅靠吸波涂層難以得到隱身效果的部位。優(yōu)點：可以根據(jù)需要設(shè)計成所需結(jié)構(gòu)，隱身效果好；受環(huán)境影響小，適應(yīng)環(huán)境能力強；

集吸波、承載及防熱于一體。缺點：應(yīng)用于高溫部件仍存在內(nèi)應(yīng)力大、

抗熱沖擊性能差、

施工維護(hù)困難。結(jié)構(gòu)吸波材料結(jié)構(gòu)吸波材料具有承載和隱身的雙重功能；2023/1/42022/12/30TheEndThankyouforattention!

TheEnd高溫雷達(dá)吸波材料研究現(xiàn)狀與展望報告人：龍華倩期刊：無機材料學(xué)報2014年5月第29卷第5期：461-469作者：丁東海，羅發(fā)，周萬成，史毅敏，周亮高溫雷達(dá)吸波材料研究現(xiàn)狀與展望期刊：無機材料學(xué)報201目錄1.研究背景2.高溫吸波材料設(shè)計準(zhǔn)則3.C、SiC、ZnO

高溫吸收劑研究現(xiàn)狀4.涂覆型與結(jié)構(gòu)型高溫吸波材料目錄1.研究背景研究背景1）吸波材料：可以將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能而衰減雷達(dá)波，

是實現(xiàn)雷達(dá)隱身的重要手段。2）吸波材料必須具備的條件：厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻率寬、吸收能力強

耐高溫抗氧化高強度高韌性低密度研究背景1）吸波材料：可以將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能而衰減雷達(dá)波吸波基本原理

吸波材料能吸收或衰減入射的電磁波，使其因干涉而消失或其電磁能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。1.干涉作用

干涉作用是將入射的電磁波分成兩部分，一部分從吸波層表面反射，另一部分透過吸波層后經(jīng)底層反射后再穿過吸波層射出來。若經(jīng)底層反射的波與吸波層表面反射的波相位正好相反，兩段波便可發(fā)生干涉而減弱。吸波基本原理吸波材料能吸收或衰減入射的2.吸收作用

材料對電磁波產(chǎn)生吸收作用有兩個條件：電磁波入射到材料上時能最大限度地進(jìn)入到材料內(nèi)部，

即電磁匹配要好(匹配特性)；(2)進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地被衰減掉，即電磁損

耗要大(衰減特性)。吸波基本原理衰減特性：電磁波在材料內(nèi)產(chǎn)生電損耗或磁損耗，使電磁

波的電磁性能轉(zhuǎn)為其他形式的能量散失掉，達(dá)

到減少反射的目的。2.吸收作用吸波基本原理衰減特性：電磁波在材料內(nèi)產(chǎn)生電損耗吸波基本原理

電損耗機理：依靠電介質(zhì)的極化機理吸收、衰減電磁波。

極化的基本形式包括位移式極化和松弛極化。

彈性，瞬時完成，其極化過程不消耗能量，一般發(fā)生在物質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密、規(guī)則的地方。

與熱運動有關(guān)，非彈性，需一定時間，需消耗一定的能量。

電損耗介質(zhì)的吸波機理主要是松弛極化。松弛極化與電場作用和熱運動有關(guān)。熱運動的作用力圖使材料中的質(zhì)點分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，最終結(jié)果是使質(zhì)點按電場規(guī)律分布，然而在質(zhì)點移動過程中克服了一定的勢壘，時間較長，需吸收一定能量。吸波基本原理電損耗機理：依靠電介質(zhì)的極化機理吸收、衰減電高溫吸波材料設(shè)計準(zhǔn)則1）自由空間與材料表面的阻抗匹配以減少電磁波的反射,要

求材料的復(fù)介電常數(shù)與復(fù)磁導(dǎo)率接近；2）進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波可以被盡可能多的損耗,要求材料

有足夠大的電損耗或者磁損耗,即足夠高的復(fù)介電常數(shù)或

者復(fù)磁導(dǎo)率。高溫吸波材料設(shè)計準(zhǔn)則1）自由空間與材料表面的阻抗匹配以減少電吸波能力方程(1)(2)

RL

表示反射率；Zin表示入射波在自由空間與材料界面處的阻抗；Z0

為入射波在自由空間的阻抗；μr

與

εr

分別表示材料相對復(fù)磁導(dǎo)率與復(fù)介電常數(shù)；c

為光速；t

為材料厚度；f

為電磁波頻率。吸波能力方程(1)(2)RL

表示反射率；Z吸波能力方程

常溫下,吸波材料RL

是

μr

、

εr

、

f

、

t

的函數(shù)。

材料電磁參數(shù)與環(huán)境溫度密切相關(guān),高溫下材料失去磁性,復(fù)磁導(dǎo)率等于1,復(fù)介電常數(shù)隨溫度不同而變化。高溫下,吸波材料RL

是

εr(T)、f

、t

、T的函數(shù)

。吸波能力方程常溫下,吸波材料RL是μr高溫吸收劑

高溫吸波材料的傳統(tǒng)設(shè)計思路是將高溫吸收劑填入陶瓷或者玻璃基體,通過調(diào)整吸收劑種類、含量、尺寸、形貌、分布狀態(tài)等實現(xiàn)材料吸波性能的優(yōu)化。因此,制備綜合性能優(yōu)良的吸收劑是高溫吸波材料研制首要解決的問題。密度較大的磁性吸收劑在居里溫度以上轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾朋w,失去磁性,不適合作為高溫吸收劑。高溫吸收劑以電損耗為主,研究較多的主要是C、SiC、ZnO吸收劑。高溫吸收劑高溫吸波材料的傳統(tǒng)設(shè)計思路是將高溫吸收劑CharactersC吸收劑SiC吸收劑ZnO吸收劑CharactersCharacters

密度低(質(zhì)輕)惰性氣氛耐高溫電性能可調(diào)來源廣泛電導(dǎo)率較高高溫易氧化

高溫穩(wěn)定性優(yōu)越介電性能可調(diào)

純ZnO介電損耗較低

高溫穩(wěn)定性優(yōu)越介電性能可調(diào)

純SiC介電損耗較低高溫吸收劑CharactersC吸收劑SiC吸收劑Z碳吸收劑Disadvantage:抗氧化能力低通過涂覆抗氧化涂層來防止含氧氣體接觸擴散，從而改善了材料的抗氧化能力電導(dǎo)率較高自由空間阻抗失配導(dǎo)致電磁波反射較強改善阻抗匹配，減少電磁波反射OneTwo碳吸收劑Disadvantage:抗氧化能力低通過涂覆抗氧化熱解工藝優(yōu)化碳材料的電性能主要決定于石墨化程度,如果石墨化程度過低,損耗能力較弱;如果石墨化程度過高,則電導(dǎo)率較高,阻抗匹配變差。因此,可以通過優(yōu)化碳材料制備工藝,控制石墨化度,改善阻抗匹配特性。圖1苯分子的離域π鍵熱解工藝優(yōu)化碳材料的電性能主要決定于石墨化程度中空多孔炭纖維吸收劑(a)1℃/min(b)2℃/min(c)3℃/min(d)4℃/min圖2不同預(yù)氧化升溫速率、同一碳化條件下獲得的HPCFs截面SEM形貌圖中空多孔炭纖維吸收劑(a)1℃/min圖2不同預(yù)氧化升溫圖3HPCFs體電導(dǎo)率隨預(yù)氧化升溫速率的變化關(guān)系曲線中空多孔炭纖維吸收劑圖3HPCFs體電導(dǎo)率隨預(yù)氧化升溫速率的變化關(guān)系曲線中圖4HPCFs體電導(dǎo)率隨碳化升溫速率的變化關(guān)系曲線中空多孔炭纖維吸收劑圖4HPCFs體電導(dǎo)率隨碳化升溫速率的變化關(guān)系曲線中空小結(jié)1.升溫速率↑不利于HPCFs微孔的形成與保持2.熱處理升溫速率↑體電導(dǎo)率↓介電常數(shù)↓注意：預(yù)氧化升溫速率較炭化升溫速率變化幅度大！小結(jié)1.升溫速率↑表面涂覆在碳吸收劑表面制備電導(dǎo)率較低的陶瓷涂層,不僅可以改善阻抗匹配特性,減少電磁波的反射,而且可以提高其抗氧化性能。SiO2殼層

BNC/SiO21、方法：靜電紡絲2、厚度：20nm介電常數(shù)與介電損耗都較低，起始氧化溫度超過800℃,可以形成致密的B2O3保護(hù)膜表面涂覆在碳吸收劑表面制備電導(dǎo)率較低的陶瓷涂Disadvantage:LowdielectriclossSiCabsorberHowtoimprovetheabilityofdielectricloss？Ontheonehand，Latticedoped；Ontheotherhand，SiCfiberabsorbent。1、控制自由碳含量及石墨化度；2、引入異質(zhì)金屬元素；3、改變纖維截面形狀。Disadvantage:LChangethefibercrosssectionshape(a)Swirlshape(b)“T”shapeFig.2Microwaveabsorbingsiliconcarbidefiberswithnon-circularsection

(c)“C”shape(d)Crossshape異型截面纖維的葉片頂端的曲率明顯大于圓截面纖維,葉片頂端可以富集電荷而產(chǎn)生偶極子,在電磁波作用下產(chǎn)生振蕩,異型截面纖維吸波機理的理解還不夠深入,還有待于進(jìn)一步研究。ChangethefibercrosssectionDisadvantage:PureZnOhavelowElectricalconductivityHowtoenhancetheElectricalconductivity？Ontheonehand，Latticedoped；Ontheotherhand，Morphologycontrol。ZnOabsorberDisadvantage:Howto隱身材料(中文版)資料課件涂覆型吸波材料吸波涂層磁性吸波涂層介電吸波涂層添加劑性質(zhì)填充比例涂層厚度提高磁導(dǎo)率添加劑和吸波劑設(shè)計提高吸波性能提高吸波性能阻抗匹配涂覆型吸波材料吸波涂層磁性吸波涂層介電吸波涂層添加劑性質(zhì)提高吸波涂層一般由吸波劑和粘結(jié)劑組成；吸波劑是涂層的關(guān)鍵，決定了吸波涂層對入射電磁波的損耗能力；粘結(jié)劑是涂層的成膜物質(zhì)，可以使涂層牢固附著于被涂敷物體表面，形成連續(xù)膜。粘結(jié)劑必須是透波材料。優(yōu)點：吸波涂層對目標(biāo)的外形適應(yīng)能力強；對裝備的改動比較小，特別適用于現(xiàn)有裝備的隱身；吸波涂層施工方便，對武器裝備的機動、火力等影響較小。缺點：頻段窄，一般只適