隐身材料(中文版)

Morphology control。
涂覆型吸波材料
添加剂性质 填充比例 涂层厚度 磁性吸波涂层 提高 磁导率
吸波涂层
添加剂和吸 波剂设计
提高 吸波性能
介电吸波涂层
阻抗匹配
提高 吸波性能
涂覆型吸波材料
• 吸波涂层一般由吸波剂和粘结剂组成；
• 吸波剂是涂层的关键，决定了吸波涂层对入射电磁波的损耗能力； • 粘结剂是涂层的成膜物质，可以使涂层牢固附着于被涂敷物体表面 ，形成连续膜。粘结剂必须是透波材料。 • 优点：吸波涂层对目标的外形适应能力强；
对装备的改动比较小，特别适用于现有装备的隐身；
吸波涂层施工方便，对武器装备的机动、火力等影响较小。 • 缺点：频段窄，一般只适用于某一固定频段； 粘结性差，易脱落，受外界环境因素影响大； 密度大，影响飞机、导弹等的飞行性能。
美国F-35隐身战斗机
F-35全称“联合攻击战斗机(JSF)” 代号“Lightning” ，2006年12月 首飞，成本1.2亿美元，采用波音 公司的“幽灵工厂”生产的隐身涂 层
(b) “T” shape
异型截面纤维的叶片顶端的曲率明显大于圆截面纤维, 叶片顶端可以富集电荷而产生偶极子, 在电磁波作用 下产生振荡, 异型截面纤维吸波机理的理解还不够深 入, 还有待于进一步研究。
(c) “C” shape
Fig.2
(d) Cross shape
Microwave absorbing silicon carbide fibers with non-circular section
高温吸波涂层
基体：环氧改性有机硅树脂 无机填料：云母粉和玻璃粉 涂层可在600℃短时 间使用
吸收剂：短切碳纤维
传统热压法可以在金属表面制备结合强度高、抗热 应力性能好的玻璃或者陶瓷基吸波涂层, 但是该工艺仅能 应用于平板金属, 不适用于异型表面。热喷涂可以利用热 源将陶瓷粒子加热到熔融或半熔融状态, 同时借助火焰或 者高速气体, 将其喷射到金属表面, 沉积成涂层。由于喷 涂过程中, 陶瓷粒子具有较高的动能与热能, 使得涂层与 基体或粒子之间形成较强结合, 涂层厚度可控, 并且喷涂 受构件形状限制较小, 适于制备高温吸波涂层。
美国F-22隐身战斗机
F-22沿用了F-35使用的隐 身涂层材料，但改善了材 料的耐久性能，节约了维 护时间和成本。
吸波涂层
隐形战机 歼10b Advantage
Convenience
Flexible
Technology Simple
Wave absorption performance is easy to control
施工维护困难 。
2015-5-15
The End Thank you for attention!
高温吸波材料设计准则
1）自由空间与材料表面的阻抗匹配以减少电磁波的反射, 要 求材料的复介电常数与复磁导率接近； 2）进入材料内部的电磁波可以被尽可能多的损耗, 要求材料 有足够大的电损耗或者磁损耗, 即足够高的复介电常数或 者复磁导率。
吸波能力方程
(1)
(2)
RL 表示反射率；Zin表示入射波在自由空间与材料界面处的 阻抗；Z0 为入射波在自由空间的阻抗；μr 与 εr 分别表示材料相 对复磁导率与复介电常数；c 为光速；t 为材料厚度；f 为电 磁波频率。
高温雷达吸波材料研究现状与展望
期刊：无机材料学报 2014年5月 第29卷第5期：461-469 作者：丁东海，罗发，周万成，史毅敏，周亮
报告人：龙华倩
目录
1. 研究背景 2. 高温吸波材料设计准则 3. 4. C、SiC、ZnO 高温吸收剂研究现状 涂覆型与结构型高温吸波材料
研究背景
1）吸波材料：可以将电磁波能量转化为热能而衰减雷达波， 是实现雷达隐身的重要手段。
吸波能力方程
常温下, 吸波材料 RL 是 μr 、 εr 、 f 、 t 的函数。
材料电磁参数与环境温度密切相关, 高温下材料失去磁性, 复磁导率等于 1, 复介电常数随温度不同而变化。高温下, 吸波 材料 RL 是 εr(T) 、f 、t 、T的函数 。
高温吸收剂
高温吸波材料的传统设计思路是将高温吸收剂填入 陶瓷或者玻璃基体, 通过调整吸收剂种类、含量、尺寸、
结构吸波材料
• 结构吸波材料具有承载和隐身的双重功能； • 具备复合材料质轻、高强的优点； • 一般使用于仅靠吸波涂层难以得到隐身效果的部位。 • 优点：可以根据需要设计成所需结构，隐身效果好； 受环境影响小，适应环境能力强； 集吸波、承载及防热于一体。
• 缺点：应用于高温部件仍存在内应力大、 抗热冲击性能差、
Characters 密度低(质轻) 惰性气氛耐高温 电性能可调 来源广泛 电导率较高 高温易氧化
Characters
Characters
高温稳定性优越 介电性能可调 纯SiC介电损耗较低
高温稳定性优越 介电性能可调 纯ZnO介电损耗较低
碳吸收剂
Disadvantage:
One
电导率较高
自由空间阻抗失配
改善阻抗匹配特性。பைடு நூலகம்
图1 苯分子的离域π键
中空多孔炭纤维吸收剂
(a)1℃/min (b)2℃/min (c)3℃/min (d)4℃/min
图2 不同预氧化升温速率、同一碳化条件下获得 的HPCFs截面SEM形貌图
中空多孔炭纤维吸收剂
图3 HPCFs体电导率随预氧化升温速率的变化关系曲线
中空多孔炭纤维吸收剂
ZnO absorber
Disadvantage: Pure ZnO have low Electrical conductivity
How to enhance the Electrical conductivity？
On the one hand，Lattice doped ； On the other hand，
Two
抗氧化能力低
导致电磁波反射较强
通过涂覆抗氧化涂层来 防止含氧气体接触扩散， 从而改善了材料的抗氧 化能力
改善阻抗匹配，减少电磁波反射
热解工艺优化
碳材料的电性能主要决定于石墨化程度, 如果石
墨化程度过低, 损耗能力较弱; 如果石墨化程度过高, 则电导率较高, 碳材料制备工艺, 阻抗匹配变差。因此, 控制石墨化度, 可以通过优化
吸波基本原理
电损耗机理：依靠电介质的极化机理吸收、衰减电磁波。 极化的基本形式包括位移式极化和松弛极化。 弹性，瞬时完成，其 极化过程不消耗能量，一 般发生在物质结构紧密、 规则的地方。 与热运动有关，非 弹性，需一定时间，需 消耗一定的能量。
电损耗介质的吸波机理主要是松弛极化。松弛极化与电 场作用和热运动有关。热运动的作用力图使材料中的质点 分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最终 结果是使质点按电场规律分布，然而在质点移动过程中克 服了一定的势垒，时间较长，需吸收一定能量。
图4 HPCFs体电导率随碳化升温速率的变化关系曲线
小结
1. 升温速率 ↑
不利于HPCFs微孔的形成与保持
体电导率 ↓
2. 热处理升温速率 ↑ 介电常数 ↓
注意：预氧化升温速率较炭化升温速率变化幅度大！
表面涂覆
在碳吸收剂表面制备电导率较低的陶瓷涂层 , 不
仅可以改善阻抗匹配特性, 减少电磁波的反射, 而且可 以提高其抗氧化性能。
形貌、分布状态等实现材料吸波性能的优化。因此, 制备
综合性能优良的吸收剂是高温吸波材料研制首要解决的 问题。密度较大的磁性吸收剂在居里温度以上转变为顺 磁体, 失去磁性, 不适合作为高温吸收剂。高温吸收剂以 电损耗为主, 研究较多的主要是 C、SiC、ZnO 吸收剂。
高温吸收剂
C 吸收剂 SiC 吸收剂 ZnO 吸收剂
2）吸波材料必须具备的条件： 厚度薄、质量轻、吸收频率宽、吸收能力强 耐高温 抗氧化 高强度 高韧性 低密度
吸波基本原理
吸波材料能吸收或衰减入射的电磁波，使 其因干涉而消失或其电磁能转换为其他形式的 能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。
1. 干涉作用
干涉作用是将入射的电磁波分成两部分，一部分从吸 波层表面反射，另一部分透过吸波层后经底层反射后再 穿过吸波层射出来。若经底层反射的波与吸波层表面反 射的波相位正好相反，两段波便可发生干涉而减弱。
SiO2 壳层
BN
C/SiO2 1、方法：静电纺丝 2、厚度：20nm
介电常数与介电损耗都较 低，起始氧化温度超过 800℃, 可以形成致密的B2O3保护膜
SiC absorber
Disadvantage: Low dielectric loss
How to improve the ability of dielectric loss？
On the one hand，Lattice doped ； On the other hand，
SiC fiber absorbent。
1、控制自由碳含量及石墨化度； 2、引入异质金属元素； 3、改变纤维截面形状。
Change the fiber cross section shape
(a) Swirl shape
吸波基本原理
2. 吸收作用
材料对电磁波产生吸收作用有两个条件： (1)电磁波入射到材料上时能最大限度地进入到材料内部， 即电磁匹配要好(匹配特性)； (2)进入材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉，即电磁损 耗要大(衰减特性)。 衰减特性：电磁波在材料内产生电损耗或磁损耗，使电磁 波的电磁性能转为其他形式的能量散失掉，达 到减少反射的目的。