钆-铁氧体复合吸波粉体材料与雷达吸波涂料的研制可行性研究报告

钆-铁氧体复合吸波粉体材料与雷达吸波涂料的研制

可行性研究报告

一、总论

（一）项目的主要内容及技术原理简述

隐身技术是指在一定探测环境中控制、降低各种武器装备的特征信号，使其在一定范围内难以被发现、识别和攻击的技术；用于隐身目的的材料称为隐身材料。目前飞行器隐身技术主要存在两种发展趋势，一是发展高性能隐身飞行器，其雷达散射截面RCS≤0.01m2（要综合运用外形技术和雷达吸波材料RAM（Radar Absorbing Material）技术）；二是准隐身飞行器，RCS为0.5~2m2。

隐身材料按其吸波机制可分为电损耗型和磁损耗型。电损耗型隐身材料包括SiC纤维，金属短纤维，SiC粉末，钛酸钡陶瓷体，导电高聚物，导电性石墨粉等；磁损耗型隐身材料包括铁氧体粉，羟基铁粉，超细金属粉或纳米相材料等。雷达波隐身材料又分为雷达吸波材料和雷达透波材料，在减小雷达散射截面积方面，透波材料所起的作用不大，主要是使用雷达吸波材料。雷达吸波材料能吸收透射到它表面的电磁波，并将其能量转化为热能消耗掉。实现目标隐身，方法主要是外形隐身技术和材料隐身技术。外形隐身技术难度较大，容易使目标的结构性能劣化，而采用隐身材料技术相对简单易行。以其成型工艺和承载能力可分为结构型和涂层型。结构型吸波材料具有承载和减小电磁波反射双重功能，已得到广泛应用；而涂层型材料因其工艺简单，使用方便，容易调节而受到重视。

吸波材料作用机理研究：电磁波通过介质时，电场强度E和磁场强度H的振幅随传播方向而衰减，其电磁特性可用复介电常数ε和复磁导率μ表征。电磁波能量的衰减与通过介质时磁损耗与电损耗有关。介电常数虚部ε”或磁导率虚部μ”越大，对电磁波的衰减越大。电磁波传播过程中，在介质界面上将产生反射。在军事上，易为雷达探测，在无线通信、电视接收方面，产生信号重叠。

吸波材料吸收电磁波的机理：首先，吸波材料本身应具有电磁波衰减特性，应使进入材料内部的电磁波能量迅速衰减。这就要求材料应具有足够大的介电常数虚部与足够大的磁导率虚部；同时，应使入射电磁波能最大限度地进入吸波材料内部而不在其前表面上反射，即材料应具有匹配特性。另一方面，利用电磁波在不同介质界面上的多次反射机理，使入射电磁波在材料内部不同介质界面上多次入射和反射，从而可以大大提高吸收效率。

吸波材料一般由基本材料与损耗介质复合而成，其中损耗介质的性能、数量及匹配选择是吸波材料的重要环节。根据吸波机理的不同，吸波材料的损耗介质可以分为电损耗型和磁损耗型两大类。

电损耗型：包括导电性石墨粉、碳化硅粉末或碳化硅纤维、特种碳化硅、碳粒、金属短纤维、BaTiO3陶瓷及各种导电性高聚物等，其主要特点是具有较高的电损耗正切角，依靠介质的电子极化或界面极化衰减来吸收电磁波。电损耗型吸波材料的有效厚度与电磁频率有关，尺寸在cm～dm级。

磁损耗型：包括各种铁氧体粉、羧基铁粉、超细金属粉和纳米相材料等，具有较高的磁损耗正切角，依靠磁滞损耗、剩磁损耗、畴壁共振、涡流损耗及共振损耗等磁极化机制衰减，即电磁波能量的衰减主要来自磁损耗。磁损耗型吸波材料的厚度远远小于电损耗型，尺寸在mm级。

目前广泛使用的吸波材料是铁氧体。铁氧体作为吸波材料，主要特点是吸波效率高，吸波层厚度远远小于电损耗型材料。铁氧体吸波材料是研究较多而且比较成熟的吸波材料，由于吸波性能优良，价格低廉，一直受到重视，至今仍是雷达吸波材料中的主要成分之一。按微观结构的不同，铁氧体有三种基本晶型：六角晶系磁铅石型（W型），立方晶系尖晶石型和稀土石榴石型。W型六角晶系磁铅石型铁氧体具有较好的吸波性能，吸波性能优于尖晶石与石榴石型铁氧体。印度研制了钡基六角晶系铁氧体吸波材料用于飞机隐身。

铁氧体材料的制备一般采用粉磨－烧结法，生产效率高但制得的产物颗粒尺寸较大，一般在微米级。铁氧体作为吸波剂应用时，主要问题是密度较大，涂层厚度大时质量较大，这与铁氧体颗粒尺寸较大有关。试验表明：减小颗粒尺寸，可增大电磁波的衰减。因此，减小吸波材料的颗粒尺寸，是提高吸波效率的途径之一。近年来，美、俄、英、日等国正在研制开发新组成的铁氧体吸波剂，它具有频带宽、重量轻、厚度薄及吸附能力强等特点。改进方案：在改进铁氧体配方的同时，将铁氧体制成超细粉末，大大降低其比重，改变其磁、电、光等物理性能。当铁氧体颗粒尺寸减小后，在电磁波作用下，更多的微粒磁畴内电子作急剧循环运动增加磁畴消耗，令电磁能量急剧衰减，从而提高铁氧体的吸波性能。

近年来，随着纳米技术的发展，纳米吸波材料受到重视。纳米级吸波材料由于其颗粒尺寸远小于电磁波波长，因此电磁波的透过率要比常规材料强得多，这将大大减少波的反射率，降低电磁波的反射，即材料具有更好的匹配特性；同时纳米微粒的比表面积远远大于传统吸波材料，电磁波通过纳米吸波材料时，更多微粒产生畴壁共振与涡流损耗，从而电磁波的吸收率大于较大尺寸颗粒的吸波材料，具有良好的吸波作用。由于其特殊的表面效应和体积效应，纳米铁氧体材料具有更优良的吸波性能。美国研制出的“超黑粉”纳米吸波材料，对雷达波的吸收率大于99%。

铁氧体材料是研究较多也比较成熟的磁介质型吸波材料，其吸收强、频带宽、成本低。单一铁氧体材料难以满足吸波频带宽、厚度薄和面密度小的要求，在铁

氧体复合电磁波吸波材料中掺入微量稀土氧化物制得的复合材料，其能全面大幅度提高材料的吸波特性，而且匹配厚度有所减少。多数稀土族元素的4f壳层不满，因而有固有原子磁矩。本项目采用稀土钆氧化物具有简单的铁磁/顺磁转变，而其他稀土氧化物具有复杂的磁序转变。

（二）项目的目的和意义

1. 吸波材料作为最有效的雷达隐身手段之一，越来越受到重视。对使用吸波材料涂层的要求是厚度薄，质量轻，吸波频带宽。对于雷达吸波涂层，在使用中常要求在一定频率范围内对雷达波强烈的吸收。

2. 本项目与江西洪都航空工业集团公司飞机设计研究所合作对隐身飞机的吸波材料进行研制，项目成功后进行扩大试验和使用，以至达到使用要求；江西洪都航空工业集团公司在所生产的飞机上采用该项目研制的吸波材料达到隐身，将提高我国军用飞机的作战性能。。以针对所选型的飞机或飞行器制定产品标准，产品用于江西洪都航空工业集团公司后，可推广在其他飞机和飞行器上使用，其应用前景可观。

（三）相关技术领域国内外发展现状、趋势

早在第二次世界大战期间，美、英、德等国出于各自的军事目的，针对雷达电子的侦探与反侦探，开始对吸波材料进行了大量的探索工作。目前美国约有20多家大小公司对隐身和雷达吸波材料（RAM）的研究都十分感兴趣，它们不仅都参与了吸波技术的研究工作，其中包括RAM和声纳屏蔽技术，而且有10多家公司在生产RAM和涂层吸波材料。波音和洛克希德公司将开发重点放在多频谱产品上，这对于无线电及红外频率波段都是有效的。柯尼公司已研制出了一系列的RAM产品，包括ML—P窄频和MC宽频等型号的材料，适用于航空、航天和通讯等方面。在欧洲，从1947年开始，英国的普莱西（Plessy）微波公司已涉及到了RAM技术，现在它已具有发展和生产可覆盖从500MHz到100GHz频谱的吸波材料的能力。普莱西公司的系列产品包括窄波段和宽波段材料，它们适用于飞机、导弹、直升机、无人飞机以及舰船表面等。德国的MBB公司正在生产宽、窄波段RAM系列产品，主要有多级层材料、宽波段RAS20，寄生FUL10/14合成橡胶、调谐窄波段FM和宽波WUF20[6]。

目前的隐身舰艇和隐身飞机上所使用的吸波涂料和吸波材料，主要是针对厘米波雷达的，而对米波、毫米波、红外波段雷达等传感器，其隐身效果就大大下降。在长波雷达面前就更加“原形毕露”。世界各国已经使用或正在研制中的超视距雷达、激光雷达、多频信号雷达、无源雷达等，都具有较强的反隐身能力。世