何 翔，李永清，朱 錫

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聚氨酯基吸波涂層的仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

何 翔，李永清，朱 錫

（海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033）

基于FEKO仿真軟件，建立以金屬平板為背襯、吸波涂層為面板的仿真分析模型。通過計(jì)算不同吸波涂層厚度條件下仿真分析模型的RCS值，分析涂層厚度對(duì)其吸波性能的影響，確定了滿足X波段吸波要求的涂層厚度范圍。根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)一步制備了相應(yīng)厚度的聚氨酯基吸波涂層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將其實(shí)測(cè)反射率與仿真反射率進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：以導(dǎo)電炭黑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%）、羰基鐵粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%）為吸波劑的聚氨酯基吸波涂層能有效降低金屬平板的RCS值，平均降幅大于5 dBsm。當(dāng)聚氨酯基吸波涂層厚度為1.6 nm或1.7 mm時(shí)，其反射率低于–10 dB的頻率范圍涵蓋整個(gè)X波段。通過EFKO仿真軟件對(duì)吸波材料進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，具有良好的精度，可為吸波材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

FEKO仿真軟件；仿真分析模型；X波段；吸波性能；吸波涂層；反射率

吸波材料為現(xiàn)役主戰(zhàn)裝備實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身提供了重要的支撐作用，對(duì)提高武器系統(tǒng)在復(fù)雜電磁場(chǎng)環(huán)境下的生存能力和突防能力具有重大意義。由于涂覆型吸波材料具有制備簡(jiǎn)單、使用方便、易于調(diào)控、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)[1-2]，引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。近年來，各國(guó)學(xué)者在涂覆型吸波材料的研制方面開展了大量的工作，取得了豐碩的研究成果。

He等[3]通過涂覆工藝，制備出以磁性微粉（MMP）為吸波劑的吸波涂層。結(jié)果表明，當(dāng)涂層厚度為2.5 mm，MMP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，涂層的吸波性能最好，在2.0~18.0 GHz頻率范圍內(nèi)，反射率低于–5 dB的頻寬達(dá)15.4 GHz。Zhou等[4]設(shè)計(jì)了吸波劑含量梯度漸變的ZnO/聚氨酯吸波涂層，ZnO納米晶須在涂層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由上及下依次為5%，10%，15%。結(jié)果表明該涂層具有良好的吸波性能，對(duì)4.8~18.0 GHz頻段內(nèi)電磁波的吸收率大于90%。段玉平等[5]為實(shí)現(xiàn)吸波材料與電磁波的阻抗匹配，設(shè)計(jì)了阻抗?jié)u變的雙層吸波材料，匹配層以二氧化錳為吸波劑，吸收層以導(dǎo)電炭黑為吸波劑，通過改變各層吸波劑的含量?jī)?yōu)化雙層吸波材料的吸波性能，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在匹配層中填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的二氧化錳，吸收層中填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的炭黑時(shí)，雙層吸波材料的吸波效果最佳，在9.4~18.0 GHz頻段的反射率低于–10 dB，吸收峰值達(dá)–27.48 dB。劉立東等[6]將羰基鐵粉、導(dǎo)電炭黑分散到環(huán)氧樹脂中，制備了不同吸波劑配比的吸波涂層。結(jié)果表明，當(dāng)涂層中羰基鐵粉、導(dǎo)電炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為25%，厚度為1.5 mm時(shí)，其反射率低于–4 dB的頻段為7.9~18.0 GHz。

然而，涂覆型吸波材料的優(yōu)化仍要依靠大量實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，采用電磁仿真軟件優(yōu)化吸波材料的研究鮮有報(bào)導(dǎo)。本文以吸波性能良好的導(dǎo)電炭黑、羰基鐵粉為吸波劑，以耐候性能好、吸波劑填充量大的聚氨酯為基體，制備滿足X波段吸波要求（反射率＜–10 dB）的聚氨酯基吸波涂層。首先通過FEKO軟件建立聚氨酯基吸波涂層的仿真分析模型，研究吸波涂層厚度對(duì)其吸波性能的影響，確定滿足X波段吸波要求的涂層厚度；再根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)一步制備相應(yīng)厚度的聚氨酯基吸波涂層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以期通過FEKO仿真軟件減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，為吸波材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 吸波材料實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身的原理

雷達(dá)是利用目標(biāo)對(duì)電磁波的散射特性來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和定位的[6]。工程上常用雷達(dá)散射截面積（RCS）來衡量目標(biāo)對(duì)電磁波的散射能力，用表示?；谄矫娌ㄕ丈湎履繕?biāo)各向同性散射的假設(shè)，可以將雷達(dá)散射截面積定義為[7-8]：

式中：s、s分別為散射電、磁場(chǎng)強(qiáng)度；i、i分別為入射電、磁場(chǎng)強(qiáng)度；為雷達(dá)至目標(biāo)的距離。的量綱是面積單位，常用單位為m2，因其變化范圍很大，在工程上又常被表示成對(duì)數(shù)形式，即相對(duì)于1 m2的分貝數(shù)：

（2）

RCS既與探測(cè)目標(biāo)幾何形狀有關(guān)，又與其材料的電磁參數(shù)有關(guān)[9]。當(dāng)電磁波從自由空間垂直入射到覆有單層吸波材料的金屬平板（圖1）時(shí)，根據(jù)自由空間和吸波材料的阻抗匹配原理可得反射率為：

圖1 單層吸波材料示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the single-layer absorbing material

式中：為吸波材料對(duì)入射電磁波的反射系數(shù)，與材料的電磁參數(shù)和入射電磁波的極化特性有關(guān)；in為輸入阻抗；0為空間阻抗。輸入阻抗in可通過傳輸線理論來計(jì)算[10]：

式中：r為復(fù)磁導(dǎo)率；r為復(fù)介電常數(shù)；為入射電磁波頻率；為單層吸波材料厚度；為真空中的光速。根據(jù)式（3）、（4）可以看出吸波材料對(duì)電磁波的吸收能力由r、r、、共同決定。

若i、i分別為入射電、磁場(chǎng)強(qiáng)度，r、r分別為反射電、磁場(chǎng)強(qiáng)度，則又可以表示為：

將式（5）代入式（3），并與式（1）、式（2）對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：貼裝或涂布吸波材料的目標(biāo)，是通過吸波材料對(duì)入射電磁波的損耗作用，降低入射電磁波的反射率，從而降低其雷達(dá)散射截面積，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身。當(dāng)吸波材料的反射率為dB時(shí)，入射到吸波材料內(nèi)部的電磁波有（1–10/10）×100%被材料吸收，將電磁能轉(zhuǎn)變成熱能，即涂覆吸波材料后目標(biāo)的RCS值相應(yīng)降低了dBsm。國(guó)軍標(biāo)GJB 2038A—2011[11]中，采用RCS測(cè)試法測(cè)試?yán)走_(dá)吸波材料的反射率正是以此為理論基礎(chǔ)。

2 試樣制備與性能測(cè)試

2.1 試樣制備

2.1.1 石蠟基同軸試樣的制備

稱取一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)電炭黑（5%）、羰基鐵粉（75%）、切片石蠟（20%）置于蒸發(fā)皿，小火加熱至65℃，待石蠟熔化后用藥匙充分?jǐn)嚢瑁箤?dǎo)電炭黑、羰基鐵粉與石蠟基體混合均勻。稍冷片刻后，將混合物澆鑄于專用模具，用力壓模，制得外徑為7.00 mm，內(nèi)徑為3.04 mm，厚度約為3.0 mm的同軸環(huán)狀試樣，如圖2所示。

2.1.2 聚氨酯基吸波涂層的制備

將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的導(dǎo)電炭黑（5%）、羰基鐵粉（7%）加入到盛有聚氨酯（20%）的燒杯中，經(jīng)機(jī)械攪拌器充分?jǐn)嚢韬蟮玫交疑碃钗?。將上述粘狀物注入到預(yù)制模具中，通過模具控制涂層厚度，均勻涂覆在200 mm×200 mm×5 mm的鋁板上，再置于室溫下固化成型，脫模后即得聚氨酯基吸波涂層，如圖3所示。

圖3 聚氨酯基吸波涂層實(shí)物圖

2.2 性能測(cè)試

性能測(cè)試在武漢理工大學(xué)新材所完成，測(cè)試系統(tǒng)為安捷倫N5230A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

2.2.1 同軸試樣電磁參數(shù)測(cè)試

參照國(guó)軍標(biāo)GJB 5239—2004[12]，采用如圖4所示的同軸法測(cè)試同軸試樣在2.0~18.0 GHz頻段的電磁參數(shù)（復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、虛部和復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部、虛部）。

圖4 同軸法測(cè)試系統(tǒng)

2.2.2 吸波涂層反射率測(cè)試

參照國(guó)軍標(biāo)GJB 2038A—2011，采用圖5所示的弓形法測(cè)試吸波涂層在2.0~18.0 GHz頻段的反射率。

圖5 弓形法測(cè)試系統(tǒng)

3 聚氨酯基吸波涂層吸波性能仿真分析

3.1 模型建立

國(guó)軍標(biāo)GJB 2038A—2011規(guī)定了雷達(dá)吸波材料反射率的測(cè)試方法和要求。采用RCS測(cè)試法獲得吸波材料的反射率，一般采用金屬平板作為基準(zhǔn)板進(jìn)行測(cè)試，通過分別測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)金屬平板的遠(yuǎn)場(chǎng)RCS值標(biāo)和以標(biāo)準(zhǔn)金屬平板為背襯的吸波材料樣板的遠(yuǎn)場(chǎng)RCS值RAM來計(jì)算吸波材料的反射率：

基于上述原理，本文將通過三維電磁仿真軟件FEKO分別計(jì)算金屬平板的遠(yuǎn)場(chǎng)RCS值和以金屬平板為背襯的吸波涂層的遠(yuǎn)場(chǎng)RCS值，再通過式（6）計(jì)算吸波涂層的反射率，研究吸波涂層厚度對(duì)其吸波性能的影響，確定滿足X波段吸波要求（＜–10 dB）的涂層厚度范圍。聚氨酯基吸波涂層的幾何模型和基于FEKO軟件建立的仿真分析模型，如圖6所示。

（a）聚氨酯基吸波涂層幾何模型

（b）聚氨酯基吸波涂層仿真模型

3.2 參數(shù)設(shè)置

本模型由金屬反射層和聚氨酯基吸波層組成，沿著軸正方向依次設(shè)置為金屬平板層、吸波涂料層，其長(zhǎng)、寬尺寸按照國(guó)軍標(biāo)GJB 2038A—2011的要求實(shí)施，均設(shè)置為200 mm；金屬平板層的材料屬性設(shè)置為Aluminum。由于聚氨酯或石蠟的電磁參數(shù)相對(duì)于導(dǎo)電炭黑等吸波劑而言，均可忽略不計(jì)。因此，本文將以導(dǎo)電炭黑、羰基鐵粉為吸波劑的聚氨酯基吸波涂層假設(shè)為均質(zhì)介質(zhì)，其材料參數(shù)設(shè)置為本文第二節(jié)同軸試樣的電磁參數(shù)，具體數(shù)值如圖7所示。激勵(lì)方式設(shè)置為平面波激勵(lì)，電場(chǎng)方向沿軸負(fù)向、大小為1 V/m，波矢方向沿軸負(fù)向，垂直入射到吸波材料的上表面。由于聚氨酯基吸波涂料層的電磁參數(shù)是隨頻率而變化的，為使仿真模型中入射平面波的頻率與吸波涂料層的電磁參數(shù)相匹配，將入射平面波的頻率與同軸試樣測(cè)試時(shí)的頻率保持一致，起始頻率為2.033 2 GHz，步長(zhǎng)為429.6 MHz，共設(shè)置38個(gè)入射頻率。網(wǎng)格為三角形網(wǎng)格，為確保仿真順利進(jìn)行，網(wǎng)格邊長(zhǎng)必須小于入射電磁波的最小波長(zhǎng)（min=16.67 mm），因此將網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)為5 mm。

（a）復(fù)介電常數(shù)

（b）復(fù)磁導(dǎo)率

（c）損耗角正切

3.3 計(jì)算工況

為了研究聚氨酯基吸波涂層厚度對(duì)其吸波性能的影響，確定滿足X波段吸波要求（＜–10 dB）的涂層厚度范圍。一共設(shè)置了12個(gè)計(jì)算工況，如表1所列。

3.4 仿真結(jié)果及分析

通過電磁仿真軟件FEKO的仿真計(jì)算，得到不同厚度條件下，聚氨酯基吸波涂層仿真分析模型的遠(yuǎn)場(chǎng)RCS值，如圖8所示。

從圖8可以看出，對(duì)未涂覆聚氨酯基吸波涂層的金屬平板而言，其RCS值隨入射電磁波頻率的升高而增大，當(dāng)頻率升至17.93 GHz時(shí)，其RCS值增至最大值18.517 dBsm。對(duì)涂覆有聚氨酯基吸波涂層的金屬平板而言，當(dāng)入射電磁波頻率大于10.19 GHz時(shí)，其RCS值明顯低于未涂覆聚氨酯基吸波涂層的金屬平板的RCS值，降幅大于5 dBsm；當(dāng)吸波涂層厚度為2.0 mm時(shí)，其RCS值在8.05 GHz處達(dá)到最小值–27.784 dBsm。表明在金屬平板表面涂覆吸波材料能夠有效降低其RCS值，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身的目的。

表1 計(jì)算工況

Tab.1 Calculated conditions

通過式（6）計(jì)算聚氨酯基吸波涂層在不同厚度條件下的反射率，如圖9所示。

從圖9可以看出，在2.0~18.0 GHz頻段，吸波涂層的厚度對(duì)其吸波性能的影響非常明顯。隨著吸波涂層厚度的增加，其吸收峰值呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的變化趨勢(shì)。當(dāng)吸波涂層厚度為2.0 mm時(shí)，在8.05 GHz處出現(xiàn)最大吸收峰，吸收峰值達(dá)–39.57 dB，即對(duì)電磁波的吸收率為99.99%；吸收峰的位置也隨吸波涂層厚度的增加而逐漸向低頻方向漂移。當(dāng)吸波涂層厚度為1.0 mm時(shí)，吸收峰的位置在17.93 GHz處，當(dāng)吸波涂層厚度為3.0 mm時(shí)，吸收峰的位置在5.04 GHz處，即涂層厚度增加2.0 mm，吸收峰的位置向低頻方向漂移了近12.9 GHz；吸波涂層的有效帶寬（＜–10 dB的頻寬）同樣受其厚度的影響，隨涂層厚度增加先變寬后變窄，當(dāng)吸波涂層的厚度為1.4 mm時(shí)，其有效帶寬最寬，達(dá)7.76 GHz，能夠有效吸收9.45~17.21 GHz范圍內(nèi)的電磁波。FEKO仿真軟件的分析結(jié)果表明，在8.0~12.0 GHz頻率范圍內(nèi)，反射率低于–10 dB的涂層厚度范圍為1.60~1.78 mm。

（a）吸波涂層反射率隨厚度的變化曲線

（b）吸波涂層反射率分布云圖

圖9 不同厚度吸波涂層的反射率

Fig.9 Reflectivity of the absorbing coating with different thicknesses

4 聚氨酯基吸波涂層吸波性能驗(yàn)證

根據(jù)FEKO仿真軟件的分析結(jié)果，分別制備了厚度為1.6，1.7，1.8 mm的聚氨酯基吸波涂層，并通過弓形法測(cè)試了各厚度的聚氨酯基吸波涂層在2.0~18.0 GHz頻段的反射率，具體測(cè)試結(jié)果如圖10（a）。

通過圖10，聚氨酯基吸波涂層實(shí)測(cè)反射率和仿真反射率的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)不同厚度條件下吸波涂層的實(shí)測(cè)反射率曲線與理論反射率曲線的走勢(shì)均保持一致，并且在絕大部分頻率范圍內(nèi)基本重合。仿真反射率曲線較實(shí)測(cè)反射率曲線向高頻方向的偏移量小于0.15 GHz，且其誤差主要出現(xiàn)在吸收峰對(duì)應(yīng)的頻率處。

將圖10反映的反射率低于–10 dB的頻段、有效帶寬、吸收峰值、峰值頻率等信息列表，如表2所示。

（a）反射率實(shí)測(cè)值???????????????（b）反射率仿真值

表2 實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比

Tab.2 Comparison of measured and simulated results

從表2可以看出，當(dāng)聚氨酯基吸波涂層的厚度分別為1.6，1.7，1.8 mm時(shí)，其實(shí)測(cè)反射率小于–10 dB的頻段分別為7.90~13.49，7.33~12.63和6.90~11.63 GHz，與仿真結(jié)果吻合很好。本實(shí)驗(yàn)滿足X波段吸波要求的樣品為1.6 mm和1.7 mm厚的聚氨酯基吸波涂層，其厚度在FEKO仿真軟件確定的厚度區(qū)間內(nèi)。通過表2，進(jìn)一步對(duì)比不同厚度條件下，實(shí)測(cè)反射率和仿真反射率的吸收峰值、峰值頻率、有效帶寬等項(xiàng)目，可以發(fā)現(xiàn)誤差最大的項(xiàng)目為吸收峰值，當(dāng)涂層厚度為1.6 mm時(shí)，其誤差最大達(dá)9.14%，仍在可接受范圍內(nèi)。因此，通過FEKO仿真軟件模擬吸波材料的吸波性能，計(jì)算吸波材料的反射率，在確保精度的前提下，大大減少了所需實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，可為吸波材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

5 結(jié)論

參照國(guó)軍標(biāo)GJB 2038A—2011《雷達(dá)吸波材料反射率測(cè)試方法》中的RCS法，建立了以金屬平板為背襯、吸波涂層為面板的仿真分析模型。分析聚氨酯基吸波涂層厚度對(duì)其吸波性能的影響，確定了滿足X波段吸波要求的涂層厚度范圍。根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)一步制備出相應(yīng)厚度的聚氨酯基吸波涂層，對(duì)比了不同厚度條件下，基于FEKO仿真軟件計(jì)算的反射率和通過弓形法實(shí)測(cè)的反射率，得出如下結(jié)論：

（1）在金屬平板表面涂覆以導(dǎo)電炭黑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%）、羰基鐵粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%）為吸波劑的聚氨酯基吸波涂層，能夠有效降低金屬平板的RCS值，平均降幅大于5 dBsm；

（2）聚氨酯基吸波涂層的吸波性能受涂層厚度影響明顯。隨吸波涂層厚度的增加，吸收峰值先增強(qiáng)后減弱，峰值位置逐漸向低頻方向漂移。在所制樣品中，滿足8.0~12.0 GHz頻段內(nèi)反射率低于–10 dB的涂層為1.6，1.7 mm厚的吸波涂層，且當(dāng)涂層厚度為1.7 mm時(shí)，其最大吸收峰值可達(dá)–26.61 dB；

（3）通過EFKO仿真軟件對(duì)吸波材料進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，在保證精度的前提下，能大大減少所需實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，對(duì)吸波材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有良好的參考價(jià)值。

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（編輯：陳豐）

Simulation analysis and experimental validation of absorbing coatings based on polyurethane

HE Xiang, LI Yongqing, ZHU Xi

(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

A simulation model using the metal plate as backing and the absorbing coating as panel was created based on FEKO simulation software. The influence of absorbing coating thickness on absorbing property was analyzed by calculating the RCS of each simulation model and the thickness range of the absorbing coating was also determined, in which the reflectivity is less than –10 dB on X-band. Furthermore, absorbing coatings based on polyurethane were prepared, and the measured reflectivity was also compared with simulated reflectivity. Finally, the results show that the absorbing coating used carbon black (5% mass fraction) and carbonyl iron (75% mass fraction) as the absorbent could effectively reduce the RCS of metal plate, and the average decreased of RCS is exceeded 5 dBsm. When the thickness of absorbing coating based on polyurethane is 1.6 mm or 1.7 mm, the frequency range whose reflectivity is less than –10 dB could cover the whole X-band. Using FEKO simulation software to study the absorbing property of absorbing materials has good precision, may provide some guidelines for the optimal design of absorbing materials.

FEKO simulation software; simulation analysis model; X-band; absorbing property; absorbing coatings; reflectivity

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.03.016

TM25

A

1001-2028（2017）03-0077-07

2017-01-12

李永清

武器裝備預(yù)研基金資助（No. 9140A14080914JB11044）

李永清（1976－），男，湖北恩施人，副教授，研究方向?yàn)榕炗眯滦筒牧霞捌鋺?yīng)用，E-mail: liyongqing@126.com ；何翔（1993－），男，湖南湘潭人，研究生，研究方向?yàn)榇眯滦筒牧霞捌鋺?yīng)用，E-mail: 1023991721@qq.com。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170310.1150.016.html

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-03-10 11:50