宋宇華，王超杰，萬(wàn)曉霞，劉永峙，王雯，厲寧，于萬(wàn)增，郭宇，潘士兵

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031)

隨著軍用雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)隱身材料的研究得到空前的發(fā)展。吸波泡沫塑料作為一種重要的結(jié)構(gòu)／隱身功能一體化復(fù)合材料，不僅具有良好的寬頻吸波特性，而且具有質(zhì)輕、耐濕熱、耐腐蝕、易加工成曲率復(fù)雜樣件等優(yōu)點(diǎn)[1]，成為新一代武器裝備實(shí)現(xiàn)隱身化不可缺少的重要材料。

國(guó)外在吸波泡沫塑料技術(shù)方面的研究起步較早，已見(jiàn)許多報(bào)道[2]。美國(guó)專利(US6231794)公開(kāi)了一種可以改善泡沫吸波性能的制備方法，將導(dǎo)電材料分散于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)泡沫中，采用真空工藝得到一種質(zhì)輕寬頻吸波泡沫材料[3]。目前泡沫夾芯材料已在多種軍用戰(zhàn)機(jī)中獲得應(yīng)用，包括美國(guó)F–117A、B–2、F–22 等戰(zhàn)機(jī)型號(hào)[4]。

國(guó)內(nèi)對(duì)吸波泡沫塑料的研究較晚，且多以軟質(zhì)泡沫或非承載吸波泡沫研究報(bào)道為主，其應(yīng)用形式以尖劈、角錐為主；而對(duì)硬質(zhì)結(jié)構(gòu)吸波泡沫塑料的研究較少，但在電磁吸收與屏蔽方面也取得一定進(jìn)展[5]。

環(huán)氧樹(shù)脂泡沫塑料具有力學(xué)性能好、耐水性及耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[6-7]；同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂泡沫塑料價(jià)格低廉，常溫固化且時(shí)間較短，使用比較方便，因此環(huán)氧樹(shù)脂泡沫塑料在建筑、交通、工業(yè)及國(guó)防等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[8-9]。筆者以環(huán)氧樹(shù)脂泡沫塑料為基體，添加短切磁性纖維、短切導(dǎo)電纖維、蒙皮制備環(huán)氧樹(shù)脂吸波泡沫塑料，采用雷達(dá)吸波材料(RAM)弓形法測(cè)試了吸波泡沫塑料的反射率，研究短切磁性纖維和短切導(dǎo)電纖維含量對(duì)吸波泡沫復(fù)合材料吸波性能的影響；制備不同厚度的環(huán)氧樹(shù)脂吸波泡沫塑料樣件，研究厚度對(duì)吸波泡沫塑料吸波性能的影響；在吸波泡沫塑料上表面增加蒙皮，討論蒙皮對(duì)吸波泡沫塑料吸波性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)聚體：XD6638，東莞市立德環(huán)氧科技有限公司；

短切磁性纖維：華中科技大學(xué)；

短切導(dǎo)電纖維：自制。

1.2 主要儀器及設(shè)備

高速變頻分散機(jī)：JFS–1500 型，常州耀凱電子科技有限公司；

電子天平：KD–2000NEC 型，福州科迪電子技術(shù)有限公司；

模具：自制；

反射率測(cè)試系統(tǒng)：自制。

1.3 試樣制備

試樣的制備采用復(fù)合材料成型工藝壓縮模塑，又稱模壓成型法。泡沫樣板制備過(guò)程可分為以下幾個(gè)步驟，見(jiàn)圖1。

圖1 泡沫樣板制備過(guò)程

環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)聚體組分配比(A ∶B ∶C) 為1 ∶2 ∶3，第一次攪拌時(shí)間為1 min，第二次攪拌時(shí)間為30 s。先將模具放入75℃烘箱中預(yù)熱，將纖維加入A+C 組分中，混合攪拌，再加入B 組分混合攪拌均勻，注入預(yù)熱好模具中，用膩?zhàn)拥稊偲?，合模，放?5℃烘箱中，靜置1 h，關(guān)閉烘箱，冷卻后脫模。

1.4 反射率測(cè)量

采用RAM 弓形測(cè)試法，測(cè)試系統(tǒng)工作方式為掃頻，樣品尺寸為180 mm×180 mm×10 mm，襯板為光滑鋁板，入射角為2.5°，測(cè)試裝置如圖2 所示。

圖2 反射率測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與討論

2.1 短切磁性纖維對(duì)環(huán)氧吸波泡沫塑料吸波性能影響

保持短切導(dǎo)電纖維的含量不變，改變短切磁性纖維含量，制備一系列環(huán)氧吸波泡沫塑料，其反射率與頻率關(guān)系曲線對(duì)比如圖3 所示。

圖3 不同短切磁性纖維含量時(shí)環(huán)氧吸波泡沫復(fù)合材料吸波性能

由圖3 可以看出，短切磁性纖維含量改變，環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能有較大改變。當(dāng)短切磁性纖維含量為1%時(shí)，環(huán)氧吸波泡沫塑料在13.2～16.56 GHz、26.5～40 GHz 內(nèi)，反射率值在–10 dB以下，最小反射率在14.96 GHz 達(dá)到–15.46 dB。當(dāng)短切磁性纖維含量增加到2%時(shí)，在厘米波段環(huán)氧吸波泡沫塑料的反射率峰值位置不變，但峰值變??；在8 mm 波段反射率曲線趨勢(shì)不變，但反射率值整體變大，環(huán)氧吸波泡沫塑料吸波性能變差。繼續(xù)加大短切磁性纖維的含量，在厘米波段，反射率峰值位置逐漸向低頻移動(dòng)，峰值大小稍有改變；在8 mm 波段，短切磁性纖維含量為3%的環(huán)氧吸波泡沫塑料出現(xiàn)一強(qiáng)吸收峰，但相對(duì)于滿足–10 dB 的有效帶寬較窄。因此，隨著短切磁性纖維含量增大，環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能減弱，根據(jù)Gurland 理論[10]，復(fù)合材料形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的幾率取決于每個(gè)導(dǎo)電粒子與周圍粒子接觸的統(tǒng)計(jì)平均數(shù)n 和每個(gè)顆粒的空間最大接觸數(shù)Z。當(dāng)n ＞1 時(shí)，開(kāi)始形成斷續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；1.3 ≤n ≤1.5 時(shí)，形成連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；n ＞2時(shí)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)完全形成，電阻率不再隨導(dǎo)電粒子的增多而降低。當(dāng)短切磁性纖維含量較低時(shí)，還沒(méi)有形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，纖維含量增加，由磁性纖維引起的渦流損耗、磁滯損耗等損耗增多，環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能增強(qiáng)；纖維含量繼續(xù)增多，纖維吸收劑的分布發(fā)生改變，在吸波材料內(nèi)部纖維相互搭接，形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而影響了其電導(dǎo)率與電磁參數(shù)，降低了樣品對(duì)入射雷達(dá)波的損耗，使樣品的吸波性能變差。據(jù)資料所知[11]，如果吸波材料的電阻率過(guò)小，就會(huì)對(duì)電磁波形成反射而不是吸收，因此，短切磁性纖維的填充量不能太高，這樣才能保證纖維在吸波基體中相互分散，以得到較高的電阻率，保證吸波材料的吸波性能。

2.2 短切導(dǎo)電纖維對(duì)環(huán)氧吸波泡沫塑料吸波性能影響

保持短切磁性纖維的含量不變，改變短切導(dǎo)電纖維含量，制備一系列環(huán)氧吸波泡沫塑料，其反射率與頻率關(guān)系曲線對(duì)比如圖4 所示。

圖4 不同短切導(dǎo)電纖維含量時(shí)環(huán)氧吸波泡沫復(fù)合材料吸波性能

由圖4 可以看出，隨著短切導(dǎo)電纖維含量的增加，環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能增強(qiáng)，短切導(dǎo)電纖維含量為3%的環(huán)氧吸波泡沫塑料在厘米波出現(xiàn)吸收峰，峰值為–13 dB。由此可見(jiàn)，短切導(dǎo)電纖維的含量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，泡沫塑料的吸波能力增強(qiáng)。短切導(dǎo)電纖維對(duì)電磁波的吸收，是由于電磁波入射到復(fù)合材料時(shí)，短切導(dǎo)電纖維作為電偶極子與入射電磁波諧振而產(chǎn)生的諧振感應(yīng)電流，滯后的極化電流對(duì)電磁波產(chǎn)生吸收作用及材料對(duì)電磁波的干涉作用而形成的[12-13]。當(dāng)短切導(dǎo)電纖維含量較低時(shí)，短切導(dǎo)電纖維作為相對(duì)獨(dú)立的電偶極子存在，對(duì)電磁波的吸收是各電偶極子相互疊加的結(jié)果；然而隨著短切導(dǎo)電纖維含量的增加，獨(dú)立的電偶極子數(shù)量增加，對(duì)電磁波的吸收能力增強(qiáng)；當(dāng)短切導(dǎo)電纖維的含量增加到一定程度的時(shí)候，電偶極子之間的距離縮短，電力線相互排斥，環(huán)氧吸波泡沫塑料的介電常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致對(duì)入射電磁波表現(xiàn)為反射特征。

對(duì)于有金屬襯底的吸波層板的反射率R 可表示為[14]：

式中：γ =i2 π f (μ0ε0εrμr)1/2為傳播常數(shù)；εr、μr分別為介質(zhì)的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)和相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率；d為樣品厚度。

因此，反射率R 為頻率f、電磁參數(shù) εr、μr和厚度d 的函數(shù)。在厚度d 相同的情況下，對(duì)某頻段有一最佳短切導(dǎo)電纖維填充量，使該頻段內(nèi)的吸波性能最好。

2.3 厚度對(duì)環(huán)氧吸波泡沫塑料吸波性能影響

保持環(huán)氧吸波泡沫中纖維吸收劑的含量不變，改變泡沫塑料的厚度，制備一系列的環(huán)氧吸波泡沫塑料，其反射率與頻率關(guān)系曲線對(duì)比如圖5 所示。

圖5 不同厚度時(shí)環(huán)氧吸波泡沫復(fù)合材料吸波性能

由圖5 可以看出，環(huán)氧吸波泡沫塑料厚度為5 mm 時(shí)，吸波性能最差；厚度增大，吸波泡沫塑料的吸波性能增強(qiáng)，當(dāng)厚度達(dá)到15 mm 時(shí)，在8～18 GHz，吸波泡沫塑料的吸波性能反而降低。在8～18 GHz、26.5～40 GHz 頻段內(nèi)，厚度為10 mm 的環(huán)氧吸波泡沫塑料滿足–10 dB 的有效帶寬為16 GHz(8.4～12.4 GHz，26.5～38.4 GHz)。

隨著環(huán)氧吸波泡沫塑料厚度的增加，樣件中纖維吸收劑數(shù)目增多，材料的吸波性能有一個(gè)增強(qiáng)的過(guò)程，但吸波性能并非隨厚度增加而單調(diào)的增強(qiáng)。材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率隨著材料中纖維含量的不同和頻率的變化而發(fā)生改變，使得在每個(gè)頻率點(diǎn)其厚度都為該頻率下的電磁波在材料中波長(zhǎng)的四分之一的奇數(shù)倍時(shí)，可以得到最小的反射[15]。電磁波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)為：

式中：λ0為真空中的波長(zhǎng)；εr、μr分別為介質(zhì)的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)和相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率。令：

其中，n=0，1，2，3，…，此時(shí)材料的厚度d 是介質(zhì)波長(zhǎng)四分之一的奇數(shù)倍。

把式(2)代入式(3)中，得出：

所以，對(duì)于不同的介質(zhì)，具有不同的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，得到最小反射率的厚度也是不同的。因而，對(duì)于短切纖維吸收劑填充量不同的發(fā)泡材料，在不同的頻率下，所對(duì)應(yīng)的具有最好吸波性能的材料的厚度不同。

2.4 蒙皮對(duì)環(huán)氧吸波泡沫塑料吸波性能研究

首先制備環(huán)氧吸波泡沫塑料，然后用同樣的模壓成型法在復(fù)合材料的表面制備厚度為2 mm 的蒙皮。反射率與頻率關(guān)系曲線對(duì)比如圖6 所示。

圖6 蒙皮對(duì)環(huán)氧吸波泡沫復(fù)合材料吸波性能影響

由圖6 可以看出，與無(wú)蒙皮的環(huán)氧吸波泡沫塑料相比，在整個(gè)厘米波段和8 mm 波段，蒙皮的加入提高了環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能，吸收峰位置向低頻移動(dòng)。含有蒙皮的環(huán)氧吸波泡沫塑料，在厘米波段，反射率值小于–10 dB 的帶寬為6.64 GHz，反射率峰值在13.2 GHz 為–19.93 dB；在整個(gè)8 mm 波段，反射率值均在–11 dB 以下，反射率峰值在28.39 GHz 為–18.247 dB。表面增加不含吸收劑的蒙皮[16]，蒙皮的電磁參數(shù)相對(duì)接近于空氣的電磁參數(shù)，使入射電磁波最大限度的進(jìn)入到吸波材料中，減少了表面電磁波的反射；同時(shí)蒙皮的增加導(dǎo)致了整體樣板厚度的增加，能夠匹配較大波長(zhǎng)的電磁波，相應(yīng)的吸收峰頻率就越低，有助于低頻材料的研發(fā)。

3 結(jié)論

(1)在一定范圍內(nèi)，隨著含量的增加，短切磁性纖維和短切介電纖維都能提高環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能，但當(dāng)含量高于一定值后，對(duì)電磁波形成反射，從而降低環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能；同時(shí)填充量較高時(shí)，在基體中易分散不均。

(2)在一定范圍內(nèi)，隨著樣件厚度的增加，環(huán)氧吸波泡沫塑料的吸波性能增強(qiáng)，厚度增加到一定程度后，吸波性能反而降低；樣件厚度為10 mm 時(shí)，8～18 GHz、26.5～40 GHz 頻段內(nèi)，環(huán)氧吸波泡沫塑料滿足–10 dB 的有效帶寬為16 GHz。

(3)在環(huán)氧吸波泡沫塑料表面增加蒙皮，能整體提高厘米波段和8 mm 波段的吸波性能，吸收峰向低頻移動(dòng)，整個(gè)8 mm 波段，反射率值均在–11 dB以下。