吸波塗料

吸波塗料（absorbing coating），又稱微波吸收塗料或雷達波吸收塗料。該材料可以將入射的雷達波能量轉換成熱能而耗散或通過諧振效應使之消除或減弱，達到有效吸收和衰減的目的。吸波塗料是把具有特定介電參數的粉末（吸收劑）分散在基體（粘結劑）中形成的。

基本介紹

• 中文名：吸波塗料
• 外文名：absorbing coating
• 又稱：微波吸收塗料
• 組成：吸收劑和粘結劑
• 作用：有效吸收和衰減電波的目的
• 套用：航空航天、隱形飛機等

簡介

吸波塗料（absorbing coating），又稱微波吸收塗料或雷達波吸收塗料。是用塗覆層形式覆蓋在目標上實現雷達隱身的一種功能材料。能將入射的雷達波能量轉換成熱能而耗散或通過諧振效應使之消除或減弱，達到有效吸收和衰減的目的。由成膜物質、吸收體等組成。前者為有機聚合物或無機膠粘劑，後者為對電磁波有損耗功能的粉末、短纖維或手性物質。主要性能表征參數有反射率（-dB）、吸收頻頻寬度（Δf）、塗層厚度（d）和面密度（kg/m²）等，基本含義如圖所示。通常在塗層密度和厚度受到嚴格控制的條件下，要求在較寬的頻帶範圍內有較低的反射率。塗料用途是縮小目標的雷達散射截面積（RCS），使飛行器、艦艇等軍事目標具有隱身性能；可用於消除雷達系統的電磁波乾撓及微波設備的電磁波禁止。吸波塗層與結構設計、電子對抗等隱身技術綜合套用，使飛機等武器裝備的自我保護和攻擊能力實現質的飛躍。新型吸收劑的研製是進一步提高塗層性能的關鍵，正在研究的有納米吸波塗料、手征吸波塗料、多晶鐵纖維吸波塗料、功能高分子吸波塗料及智慧型型吸波塗料等。

波段頻率圖

吸波塗料的組成

吸波塗料是把具有特定介電參數的粉末（吸收劑）分散在基體（粘結劑）中形成的。一般來說，基體起粘結、強度和抗環境的作用，吸收劑起電磁損耗作用。

常見基體的分類及特點見下圖表：

基體

常用的吸波塗料吸收劑：

1、鐵氧體系列，分為尖晶石型及含大尺寸二價金屬離子鐵氧體兩類：①石型鐵氧體：如Mn-Zn、Ni-Zn、Li-Ti等系列，套用廣泛。但其ε、μ較小，難以滿足∣μ_r-ε_r∣儘可能小的原則，故往往需要添加其他磁性粉末添加劑；②大尺寸二價金屬離子鐵氧體，如鋇、鍶、鈣、鉛等六方型晶體結構。

2、陶瓷系列，主要是SiC陶瓷，耐高溫、高強度、耐腐蝕，低蠕變、低膨脹係數、化學穩定性好，是製作多波段（厘米、毫米、紅外）較好的吸收劑。

3、導電聚合物系列，導電聚合物是由具有共軛主鏈的絕緣高分子材料通過化學或電化學方法與摻雜劑進行電荷轉移複合而成。電導率變化可控制，獲得主要有：視黃素席夫鹼及其絡合物。

4、金屬微粉系列，包括羰基鐵粉，羰基鎳粉，坡莫合金等，其特點如下：①活性高；②良好的電磁參數且易於調節。

5、多晶鐵纖維繫列包括鐵纖維、鎳纖維、鑽纖維及其合金纖維。其特點如下：①重量輕（面密度小於2kg/m²）；②頻頻寬（4～18GHz）；③易於調節電磁參量（改變纖維長度、直徑及排列方式）。

6、納米材料系列，利用納米材料特殊的表面效應和體積效應，吸波特性良好。

分類

按照塗料吸收劑的不同，下面主要介紹一下幾類常用吸波塗料：鐵氧體吸波塗料、納米吸波塗料、多晶鐵纖維吸波塗料以及導電高聚物吸波塗料。

鐵氧體吸波塗料

鐵氧體吸波材料是研究較多而且比較成熟的吸波材料，由於在高頻下有較高的磁導率，而且電阻率也較大，電磁波易於進入並快速衰減，被廣泛地套用在雷達吸波材料領域中。

與磁性金屬粉相比，鐵氧體材料具有較好的頻率特性，其相對磁導率較大，且相對介電常數較小，適合製作匹配層，在低頻拓寬頻帶方面具有良好的套用前景。主要缺點是密度較大、溫度穩定性較差。為此，各國研究人員期望通過調整材料本身的化學組成、粒徑及其分布、粒子形貌及分散技術等提高損耗特性和降低密度。

鐵氧體吸波材料通常分為尖晶石型鐵氧體與六角晶系鐵氧體兩種類型，其中尖晶石型鐵氧體套用的歷史很長，但尖晶石型鐵氧體的電磁參數（介電常數和磁導率）都比較小，而且難以滿足相對介電常數和相對磁導率儘可能接近的原則，因此單一鐵氧體材料難以滿足吸收頻頻寬、厚度薄和面密度小的要求。但把鐵氧體粉末分散到磁性微粒中而製成的複合鐵氧體材料，可通過鐵氧體粉末的粒徑、組成等來控制其電磁參數。

納米吸波塗料

納米材料具有極好的吸波特性，同時具有寬頻帶、兼容性好、質量輕和厚度薄等特點，美、俄、法、德、日等國都把納米材料作為新一代吸波材料加以研究和探索。

由於納米材料的特殊結構引起的量子尺寸效應和隧道效應等，導致它產生許多不同於常規材料的特異性能。一方面，由於納米微粒尺寸為1～100nm，遠小於雷達發射的電磁波波長，因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規材料要強得多，這就大大減少波的反射率，使雷達接受到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規顆粒大3～4個數量級，對電磁波和紅外光波的吸收率也比常規材料大得多，被探測物發射的紅外光和雷達發射的電磁波被納米粒子吸收，使得紅外探測器和雷達很難探測到被探測目標。此外，隨著顆粒的細化，顆粒的表面效應和量子尺寸效應變得突出，顆粒的界面極化和多重散射可成為重要的吸波機制，量子尺寸效應使納米顆粒的電子能級發生分裂，其間隔正處於微波能量範圍（10^-2～10^-5eV），從而導致新的吸波通道。 納米材料對電磁波的透射率及吸收率比微米級粉體要大得多。美國研製出的“超黑粉”納米吸波材料，對雷達波的吸收率大於99%。磁性納米顆粒、納米顆粒膜和多層膜是納米材料用作隱身材料的主要形式。

多晶鐵纖維吸波塗料

新型的多晶鐵纖維吸收劑是一種質輕的磁性雷達波吸收劑，這種多晶鐵纖維為羰基鐵單絲，直徑為1～5μm，長度為50～500μm，纖維密度低，結構為各向同性或各向異性。研究表明：多晶鐵纖維吸波材料具有吸收頻頻寬、密度小、吸收性能高等優點。中國正大力開展多晶鐵纖維吸波材料的研究，即將磁性纖維用於雷達吸波材料中。這種材料是通過渦流損耗等多種機制損耗電磁波能量，因而可以實現寬頻帶、高吸收，而且可比一般吸波塗料減重40%～60%，克服了大多數磁性吸收劑存在的嚴重缺點。

導電高聚物吸波塗料

這類吸波材料利用某些高聚物具有共軛電子的線形或平面形構型與高分子電荷轉移給絡合物的作用，設計高聚物的導電結構，實現阻抗匹配和電磁損耗。目前，研究具有微波電、磁損耗性能的有機高聚物越來越引起世界各國的重視。美國Garnegie-Mellon大學用視黃基席夫鹼製成的吸波塗層可使目標的RCS（雷達有效截面）減縮80%，而比重只有鐵氧體的10%。國內研製出一種透明吸波材料，就是一種能導電的高分子聚合物苯胺和氰酸鹽晶須的混合物，懸浮在聚氨酯或其他聚合物基體中，這種材料可以噴塗，也可以與複合材料組成層合材料。這種塗層的特點是吸波劑在塗層內分布均勻，改變了傳統吸波材料塗層組分分布不均勻的缺點，因此不必增加厚度來提高頻頻寬度，並且工藝簡單，只要採用改進的噴槍就可以在飛機任何部位（包括機頭、尾翼以及鉚釘、接縫等處）實施噴塗，特別適合對老飛機的隱身改裝。此外這種吸波塗層是光學透明的，適合座艙蓋及夜視紅外裝置電磁視窗的隱藏。

影響性能的因素

在吸波塗料的製備過程中影響塗料性能的因素有：

（1）吸波劑的分散狀況及穩定性。塗料中吸波劑粒子的分散狀況對試樣的吸波性能有重要影響，粒子的高度分散狀態才能夠充分發揮納米吸波劑的優越性。納米粒子金屬複合物粉體的密度較大，在塗料基體中容易發生沉降，而且它與塗料基體的相容性差，難以在塗料基體中均勻分散。為了改善納米吸波劑在樹脂中的分散狀況及穩定性，可用表面偶聯劑修飾和聚合物包覆對其進行改性。

（2）基體材料的選擇。在實際套用過程中，吸收劑都將與其他基體材料複合，製備成吸波材料。基體材料的選擇應著眼於儘量減少對吸波材料中吸收劑的影響，充分發揮吸收劑的性能，並且應綜合考慮吸波複合材料的結構要求、附著力、抗磨損性、耐老化性能、耐沖刷性能等因素。應優先選擇具有剛性基團的聚合物以滿足製備結構型隱身材料的需要，優先選擇本身具有一定吸波性能，且吸收頻段最好與吸收劑互補的基體材料，以達到寬頻吸收的目的。基體材料可以是熱固性樹脂，如常用的環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂等，也可以是熱塑性樹脂，如橡膠、尼龍、聚苯乙烯等。在塗覆型吸波材料中．吸收劑分散到黏結劑中製成吸波塗料，塗覆在套用目標上。黏結劑用得最多的是樹脂基體，常用基體有環氧樹脂、甲基丙烯酸樹脂、酚醛樹脂、乙烯酯樹脂等。

（3）固化劑用量和固化溫度對試樣吸波性能的影響。塗料中吸波劑粒子的接觸狀態對試樣的吸波性能有重要影響，而塗料的固化溫度及固化時間對粒子的接觸狀態有重要影響，進而影響塗料的吸波性能。塗料的固化溫度影響塗料的固化速度，固化溫度高，則固化速度快；固化時間短，但溶劑急劇揮發會導致塗層中出現針孔，使吸波劑粒子之間接觸不良，塗層導電性能差；固化溫度過低，則固化需要的時間長，會造成吸波劑粒子沉降而團聚、環氧樹脂浮於塗層表面的現象，使塗層的吸波性能下降。固化劑用量也影響塗料的固化速度，固化劑用量大，則塗料的固化速度快，固化時間短，但對塗料的機械性能產生不良影響。並不利於塗敷操作；固化劑用量小，則固化速度慢，固化需要的時間長。選用環氧樹脂E-44作為吸波塗料的基體材料時，選用了HF-1作為其固化劑。HF-1型固化劑為室溫固化劑，其使用濃度一般在13%～20%。由於在吸波劑粒子的分散過程中使用了較多溶劑，故將固化劑取為16%，並將塗敷後的鋁板置於30℃烘箱中略烘，使溶劑蒸發，然後在室溫下固化，以縮短固化時間。

微波吸波塗料套用

作為超微粉體的主要功用之一是超微粉體與表面技術結合，形成表面複合塗層。這種塗層可使基體表面的機械、物理和化學性能得到提高，賦予基體表面新的力學、熱學、光學、電磁學和催化敏感等功能。超微或納米塗層材料按其用途可分為結構塗層和功能塗層兩類。結構塗層包括高強、高硬和耐磨塗層，耐熱、耐高溫和抗氧化塗層，耐蝕、防護和裝飾塗層；功能塗層包括熱學塗層、光學塗層、電學塗層、磁學塗層和催化敏感塗層等。

超微粉體和納米塗層被廣泛用作航空航天飛行器的防護塗層、微波濾波和吸波塗層、紫外線防護塗層和“隱身”塗層等。如利用納米材料的表面效應製備吸收不同頻段電磁波的納米複合塗料，可用作雷達波吸收劑的納米粉體有：納米金屬（Fe、Co、Ni等）與合金的複合粉體、納米氧化物（Fe₃O₄、Fe₂O₃、ZnO、NiO₂、TiO₂、MoO₂等）的粉體、納米石墨、納米碳化矽及混合物粉體等。納米氧化鋁、氧化鐵、氧化矽和氧化鈦的複合粉體與高分子纖維結合對中紅外波段有很強的吸收性能，這種複合粉體對該波段的紅外探測器有很好的禁止作用。納米磁性材料，特別是類似鐵氧體的納米磁性材料填入塗料中，既有良好的吸收和耗散紅外線的功能，又有良好的吸收雷達波的特性，加之密度小，在隱身方面套用有一定優勢。納米級硼化物、碳化物，包括納米纖維和納米碳管，在隱身材料方面套用也將大有作為。

微波吸收材料是一種能夠吸收電磁波而反射、散射和透射都很小的功能材料。電磁污染已成為本世紀世界各國將重點治理的環境污染之一，治理電磁波污染最行之有效的辦法就是使用吸波材料將其吸收。例如，採用氧化鐵納米顆粒和聚合物製成的複合材料，能吸收和衰減電磁波及聲波，減少反射和散射，被認為是一種極好的吸波材料。據資料報導，這種納米複合材料多層膜在7GHz～17GHz頻率的吸收峰高達14dB，吸收水平達10dB的頻寬為2GHz，幾十納米厚的多層膜相當於幾十微米厚的通常吸波材料的效果。微波吸收劑是吸收電磁波的主體，應該具有吸收量高、頻頻寬、質量輕等特點。但傳統的吸波劑各有缺點，如介電類吸收材料的厚度大，吸收頻帶窄；鐵氧體吸收劑雖然有吸收強、頻頻寬、成本低的優點，但其密度大，不耐高溫，當溫度升高后，其吸波性能大大下降；超細金屬粉的微波磁導率較高，溫度穩定性好，但其抗氧化、耐酸鹼能力差，介電常數較大，頻譜特性差，低頻吸收性能差，且密度大，其吸收劑體積占空比一般大於50%。近年來，文獻報導了一些新型吸波材料，如手征媒質吸收劑、導電高分子吸收劑、視黃基席夫鹼鹽、納米吸收劑、晶須吸收劑、多晶鐵纖維和放射性同位素以及稀土元素吸收劑等。其中納米微波吸收劑在具有良好吸波性能的同時，兼備了寬頻帶、兼容性好、質量輕、厚度薄等特點，是一種極有發展前途的隱身材料，在軍事、環境保護、人體防護等方面具有良好的套用前景，已成為美、日、俄、法、德等各國研究的熱點。目前研究的主要方面有：納米金屬與合金吸波材料、納米陶瓷吸波材料、納米氧化物吸波材料、過渡金屬硫化物納米吸波材料和納米複合吸波材料等。不同種類納米吸波材料在物理、化學方面各有優缺點。金屬納米吸波材料具有比表面積大、顆粒的表面原子相對較多的特點,但是其磁損耗不夠大，磁導率隨頻率的升高而降低比較緩慢,對頻率拓寬不利,其化學穩定性和耐腐蝕性也不夠理想。納米陶瓷吸波材料具有耐高溫、質量輕、強度大和吸波性能好等特點,但其製備工藝尚需進一步改善,而且這種材料的紅外吸收對退火溫度的依賴性很強。納米氧化物吸波材料具有良好的吸波性能及抑制紅外輻射的功能。過渡金屬硫化物及其摻雜類吸波材料在紫外、近紫外、可見光、近紅外光區都有吸收性能。