雷达吸波结构材料的制备

日期：2019-03-19 10:45

1.碳纤维吸波结构的制备

高性能碳纤维的出现真正提供了可替代金属作为主承力构件的结构材料,也迎来了结构吸波材料迅速发展与应用的新时代。高性能碳纤维电阻率较低,约102·cm,是雷达波的强反射体,经高温处理的碳纤维的电导率,适合作为吸波材料的导电性反射材料和增强体。只有经过特殊处理的碳纤维才能吸收雷达波,通过调节碳纤维的电阻率可以使其具有吸波功能。1982年,日本研制了种层压平板材料,由50%碳纤维和环氧树脂组成,厚度为3mm,密度为0.7g(cm3,背面为1mm的金属板,在8~12GHz范围内,反射衰减大于15dB。该技术的关键是采用一种吸波型特种碳纤维,在10GHz频率下其介电常数为(8-12)j(3~5),即c=8~12,∈"=3~5。有许多方法可以使碳纤维具有吸收雷达波的适宜的电阻率。把碳纤维横截面做成三角形或有棱角的方形,对其进行表面改性,在其表面涂覆含有电磁损耗物质的树脂,沉积一层微小孔穴的碳粉,喷涂镍或经氟化物处理都能大大提髙碳纤维的吸波性能。为了制备吸波性能优异的碳纤维结构吸波材料,就需要硏制特殊的吸波型碳纤维,制备吸波型碳纤维的工艺主要有以下几种。

(1)降低碳纤维的碳化温度

随炭化温度的升高,碳纤维的电导率逐步增大,易形成雷达波的强反射体,等面沉但低温处理的碳纤维,由于碳化温度低,结构更加疏松散乱,是电磁波的吸收的热体。把500-1000℃烧成的聚丙烯腈碳纤维或沥青碳纤维(电阻率在半导体范物质围)与环氧树脂复合,以此作为中间层制备的结构型吸波材料,测得反射衰减大于20dB的频宽是8~12GHz。这种低温烧成的碳纤维与环氧树脂复合后的介电常数可以达到c=24-124和=15-j22(碳纤维的体积分数约为50%),具有非常大的介电损耗。由低温碳纤维的单独织物与树脂组成的复合材料的=8~22,用低温碳纤维和玻璃纤维或氧化铝纤维复合织物与树脂组成的复合材料的ε25~50,这样在设计碳纤维结构吸波材料时就有更大的选择余地。

(2)改变碳纤维横截面的形状和大小

场异形截面碳纤维是碳纤维家族中的新成员,不仅具有优异的力学性能,而且具有某些特殊功能,美国的F117、B2和F22隐身飞机都大量使用了这种异形面碳纤维隐身材料。美国把碳纤维制成有棱角的方形或三角形,这种非圆形横截面碳纤与PEK等很多树脂的复丝或单丝混杂编织物制成的复合材料,对吸收雷达注非常有效,并能进一步提高碳纤维的韧性和强度。日前,国外结构吸波材料大分是采用这种有棱角的方形或三角形横截面碳纤维制造的。

(3)对碳纤维进行表面改性

通过表面改性可以使碳纤维具有吸波性能,在碳纤维表面沉积一层有微小孔穴的碳粒或SC薄膜,表面喷涂一层金属镍或把碳纤维表面用氟化物进行处理等,均可改善碳纤维的微波电磁性能,使碳纤维具有一定的吸波性能。碳纤维表面沉积一层微小孔穴的碳粒,能有效地提高碳纤维的吸波性能,并能降低碳纤维的热传导性,而且国外结构吸波材料用的碳纤维表面都掺和一层吸波物质(吸波物质可以是SC粉、碳粒、热塑性树脂粉或其他具有吸波性能的吸波剂),美氰胺公司将碳纤维喷镀一层金属镍,使碳纤维具有良好的吸波性能,采用7%含镍量的碳纤维制成的聚酯复合材料吸波性能最好。

(4)对碳纤维进行掺杂改性

在碳纤维制备过程中将纤维的制造原料与其他成分混合从而得到一种新型碳纤维,这样就开辟了碳纤维电磁改性的新途径。国外曾报道将铁系0.5-10m的金属粉末按一定体积比混入聚丙烯腈或木质系碳纤维等有机纤维原料中,经过350~800℃加热碳化,可以制得不仅具有较高电导率而且具有较高磁导率的、质地柔高强度的碳纤维,是一种较为理想的吸波碳纤维。

(5)制备复合型碳纤维

碳纤维的电阻率很低,SiC纤维的电阻率较高,吸波效果均不佳,将碳、碳化硅以不同比例,通过人工设计的方法,控制其电阻率,便可制成耐高温、抗氧化、具有优异力学性能和良好吸波性能的SiCC复合纤维。SiCC复合纤维和接枝酰亚胺基团与环氧树脂共聚改性为基体组成的结构材料,吸波性能都很优异在各向同性沥青中均匀混入聚碳硅烷,通过熔融纺丝、不熔化处理,烧结制备出SCC纤维,其电阻率为10~1050·cm,而且电阻率可以连续调节,这种纤维与环氧树脂复合制成的复合材料对8~12GHz的雷达波反射衰减达10B以上,最女可达29B,是一种吸波性能优良的吸波材料。

(6)制备螺旋形(手性)碳纤维

手性是指物体与它的镜像之间不存在几何对称性,且不能通过任何操作使物体与镜像相重合。研究证实具有合适尺寸的手性材料具有特殊的微波吸收特性,螺旋形碳纤维是典型的手性结构,是吸波性能优异的导电螺旋手性吸波剂，用催化裂解基板法成功制备了螺旋形导电碳纤维,并研究了它的微波电磁性能,研究表明导电螺旋手性碳纤维具有比较高的电磁损耗。

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