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隐身涂层材料和隐身结构材料介绍(2) 发布时间:2020-09-10   浏览量:38次

单一型红外隐身材料


导电高聚物材料重量轻、材料组成可控性好且导电率变化范围大,因此作为单一红外隐身材料使用的前景十分乐观,但其加工较困难且价格相当昂贵,除聚苯胺外尚无商品生产。E. R. Stein等人研究发现, 导电聚合物聚吡咯在 1. 0~2. 0GHz 对电磁波的衰减达26dB。中科院化学所的万梅香等人研制的导电高聚物涂层材料,当涂层厚度在 10~15μm 时,一些导电高聚物在8~20μm 的范围内的红外发射率可小于0. 4。


复合型红外隐身材料


复合型红外隐身材料主要有涂料型隐身材料、多层隐身材料和夹芯材料。


(1) 涂料型隐身材料


涂料型红外隐身材料一般由粘合剂和填料两部分组成。填料和粘合剂是影响红外隐身性能的主要因素,目前的研究大多针对热隐身。


(2) 多层隐身材料


多层隐身材料中最常见的是涂敷型双层材料。一般有微波吸收底层和红外吸收面层组成。德国的 Boehne研制了一种双层材料, 底层有导电石墨、炭化硼等雷达吸收剂 ( 75%~85%) , Sb2O3 阻燃剂( 6%~8%) 和橡胶粘合剂( 7%~18%) 组成,面层含有在大气窗口具有低发射率的颜料。国内研制出了面层为低发射率的红外隐身材料, 内层雷达隐身材料可用结构型和涂层型两种吸波材料的双层隐身材料。


(3) 夹芯材料


夹芯材料一般由面板和芯组成。面板一般为透波材料, 芯为电磁损耗材料和红外隐身材料。


纳米复合隐身材料


纳米材料的特性


表面效应。纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例,随着粒径的减小,表面原子数量比迅速增加。由于表面原子数量比增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的活性,极不稳定,很容易与其他原子结合。


量子尺寸效应。粒子尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子连续能级离散化,致使纳米材料具有高的光学非线性,特异的催化及光催化特性。


小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长或德布罗意波长及超导态的相干长度等物理尺寸特征相当或者更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏,从而产生一系列的光学、热学、磁学和力学性质。


纳米复合隐身材料的隐身机理


由于纳米材料的结构尺寸在纳米数量级,物质的量子尺寸效应和表面效应等方面对材料性能有重要影响。隐身材料按其吸波机制可分为电损耗型与磁损耗型。电损耗型隐身材料包括SiC粉末、SiC纤维、金属短纤维、钛酸钡陶瓷体、导电高聚物以及导电石墨粉等;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。下面分别以纳米金属粉体(如Fe、Ni等)与纳米Si/C/N粉体为例,具体分析磁损耗型与电损耗型纳米隐身材料的吸波机理。


金属粉体(如Fe、Ni等)随着颗粒尺寸的减小,特别是达到纳米级后,电导率很低,材料的比饱和磁化强度下降,但磁化率和矫顽力急剧上升。其在细化过程中,处于表面的原子数越来越多,增大了纳米材料的活性,因此在一定波段电磁波的辐射下,原子、电子运动加剧,促进磁化,使电磁能转化为热能,从而增加了材料的吸波性能。一般认为,其对电磁波能量的吸收由晶格电场热振动引起的电子散射、杂质和晶格缺陷引起的电子散射以及电子与电子之间的相互作用三种效应来决定。


纳米Si/C/N粉体的吸波机理与其结构密切相关。但目前对其结构的研究并没有得出确切结论,本文仅以M.Suzuki等人对激光诱导SiH4+C2H4+NH3气相合成的纳米Si/C/N粉体所提出的Si(C)N固溶体结构模型来作说明。其理论认为,在纳米Si/C/N粉体中固溶了N,存在Si(N)C固溶体,而这些判断也得到了实验的证实。固溶的N原子在SiC晶格中取代C原子的位置而形成带电缺陷。在正常的SiC晶格中,每个碳原子与四个相邻的硅原子以共价键连接,同样每个硅原子也与周围的四个碳原子形成共价键。当N原子取代C原子进入SiC后,由于N只有三价,只能与三个Si原子成键,而另外的一个Si原子将剩余一个不能成键的价电子。由于原子的热运动,这个电子可以在N原子周围的四个Si原子上运动,从一个Si原子上跳跃到另一个Si原子上。在跳跃过程中要克服一定势垒,但不能脱离这四个Si原子组成的小区域,因此,这个电子可以称为“准自由电子”。在电磁场中,此“准自由电子”在小区域内的位置随电磁场的方向而变化,导致电子位移。电子位移的驰豫是损耗电磁波能量的主要原因。带电缺陷从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置,相当于电矩的转向过程,在此过程中电矩因与周围粒子发生碰撞而受阻,从而运动滞后于电场,出现强烈的极化驰豫。


纳米复合隐身材料因为具有很高的对电磁波的吸收特性,已经引起了各国研究人员的极度重视,而与其相关的探索与研究工作也已经在多国展开。尽管目前工程化研究仍然不成熟,实际应用未见报道,但其已成为隐身材料重点研究方向之一,今后的发展前景一片光明。而其一旦应用于实际产品,也必将会对各国的政治、经济、军事等多方面产生巨大影响。


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