吸波涂料在雷达隐身领域的应用
胡嘉龙，卞美琴，崔 炎，范梦恒，乔鹏翔，张 帅
（中国船舶集团有限公司第七二四研究所，江苏 南京 211153）
雷达能够通过不同频段的电磁波散射来实现对目标的空间定位，如何利用有效的伪装手段来最大限度地弱化电磁波的反射、发射和特征，从而提升雷达隐身能力，已成为众多研究者关注的课题［1-2］。判定目标的隐身性能可通过目标的雷达散射面积（Radar Cross Section，RCS）来衡量［3］。RCS是目标大小、形状和制造材料的一种属性，是入射和反射功率的比率。通过计算可以直观得出RCS对于雷达探测能力的影响，对于同一部雷达而言雷达探测威力与雷达1/4散射面积呈正比［4］。
减少RCS的方法主要包括：吸波整形、主动加载、被动加载和分布式加载。吸波整形是通过改变装备结构，以减少反射电磁波的方法，其通过镜面反射重新定向辐射，因此增加了双站雷达的探测概率。主动和被动装载的目的是针对热点区域的散射减弱。主动材料设计的依据是检测入射辐射，并发射同等幅度和相反相位的信号来抵消信号，而设计被动材料的目的是为了改变表面阻抗，以抵消散射信号。分布式装载则是依靠吸波涂料覆盖在装备外结构，这种材料与辐射的电场或磁场特性耦合，能够产生谐振效应从而消除、减弱或进行能量转化，从而降低装备的RCS，以实现雷达隐身效果［5］。吸波涂料成分复杂，各类选材、搭配、工艺对吸波效能的影响规律需要进一步研究，本文概述了吸波涂料的工作机理和主要组成，并总结归纳了目前新型吸波涂料研究进展，指出了吸波涂料未来主要发展方向。
吸波涂料主要由黏结剂、吸收剂组成［6］，黏结剂作为基体为吸波涂料提供结构强度、环境稳定性和耐久性，通常为有机聚合物或无机胶黏剂；
吸收剂受基体黏结并起到吸收、减弱电磁波的作用［7］，一般为短纤维、手性物质或部分具有吸波能力的粉末。由于武器装备在追求隐身性能的同时，还必须兼顾刚度、散热性、环境耐受性等能力，因此要求吸波材料在密度和厚度都受到严格控制情况下，面对多入射角多频段的电磁波，尽可能降低其反射能量。吸收效能衡量一般以有效吸波带宽Δf和最小反射损耗体现，有效吸波带宽Δf为反射损耗超过-10 dB的区域，Δf越大意味着涂料能够在更多的频率上实现有效吸波；
而最小反射损耗决定了涂料针对该频率电磁波的吸收能力。
常见的基体包括氯磺化聚乙烯、环氧树脂和聚氨酯。良好的基体应当弱化在吸波涂料中的比重，具备一定结构强度、环境耐受性以及与吸收剂相匹配的介电常数，并能够纳入尽可能多的吸收剂。
图1 吸波效能关系图Fig.1 Relationship diagram of absorption efficiency
2.1 磁损耗型吸收剂
磁损耗型吸收剂以铁氧体吸收剂、羰基铁吸收剂为主。铁氧体是一大类具有显著磁性的氧化物，是从赤铁矿（Fe2O3）或磁铁矿（Fe3O4）中提炼而得。铁氧体应用范围包括从毫米波集成电路到功率处理、简单的永磁体和磁记录等各种应用。这些应用基于铁氧体的基本特性：显著的饱和磁化、高电阻率、低电损耗和良好的化学稳定性。民用领域电脑的电源线及信号线上，用铁氧体制作的磁珠，可以避免高频的电磁噪声（电磁干扰）进入设备或从设备中传出。铁氧体颗粒可作为隐形飞机使用的雷达波吸收涂层，用来吸收电磁波，避免反射。铁氧体在米波至厘米波范围内反射损耗可达-20 dB，是通过磁滞效应、涡流效应、磁后效损耗（低频段）、自然共振损耗、畴壁共振损耗、尺寸共振损耗（高频段）等来实现吸波特性［8］。
羰基铁即金属铁和一氧化碳反应生成气态羰基铁，再经分解生成的金属铁粉体［9］，羰基铁吸收剂是目前最为常用的雷达波吸收剂之一，它是一种典型的磁损耗型吸收剂，电磁损耗可达40 dB左右，与高分子黏结剂复合成的吸波涂料具有吸收能力强、应用方便等优点［10］。
2.2 电损耗型吸收剂
电损耗型吸收剂包含陶瓷类吸收剂、导电聚合物吸收剂等。此类材料具有高复介电常数和介电损耗角，通过介质的电子极化和界面衰减来吸收电磁波［11］。陶瓷类吸收剂主要有SiC、Ti3SiC2等，其中SiC凭借其优异的抗氧化性、高温强度保持性、高耐磨性、高热传导性和良好的抗热震性等优点，被认为是一种重要的结构陶瓷材料，具有广阔的应用前景。国防科技大学研制的隐身/承载/防热一体化功能的SiCf/SiC陶瓷基吸波材料，能够在6.5～16.0GHz实现有效吸收［12］。
导电聚合物是一种具导电性的高分子聚合物，又称导电塑料。最简单的例子是聚乙炔。这样的化合物可以具有金属导电性或者可以是半导体，导电聚合物的共轭大π体系使得可通过掺杂改变其导电率来减少电磁波的反射［13］。导电聚合物通常不是热塑性塑料，但是，与绝缘聚合物一样，它们是有机材料，其最大的优点是可加工性。
随着材料科技水平的发展，涌现出更多种类的新型吸波材料，如手性吸收剂和纳米吸收剂。手性吸波材料具有吸波频带更宽，且手性参数可根据实际需求进行调整的优势，使得吸波效果更具有针对性，但手性材料现阶段推广成本相对较高。纳米材料是由直径在1~100 nm的超细颗粒组成的固体材料［14］，纳米吸收剂能够转化电磁能量，以起到减弱反射的作用。其中碳纳米管（CNTs）吸收剂受到热门关注，其质量轻、有效频带宽，属于磁损耗型［15］，但是其应用需要与其他材料进行复合才能达到实际要求［16］。
采用不同吸收剂的吸波涂料在有效吸收带宽、吸波性、结构强度、重量、环境耐受性、经济性上各有优势。想要进一步提升吸波效能，做到优势互补，还需要通过结构整合、比例调配、多材料组合等手段开展复合吸波涂料的研究。
纳米陶瓷吸收剂是利用纳米材料对现有陶瓷类吸收剂进行优化而制备的一类吸收剂。Xu J等［17］通过在碳化硅纤维上复合CNTs，实现在CNTs 0.72 wt.%、填充剂20 %的比例下，4 mm厚的CNTs/SiCf复合涂料最小反射损耗达到了-62.5 dB，有效吸收带宽达到了8.8 GHz，此外，可通过改变CNT的占比和厚度来调整涂料的吸波性能，具备了更强的应用灵活性。Ma L等［18］在聚偏氟乙烯（PVDF）基体中开发了碳化硅-纳米线（SiCnw）/MXene的异质纳米结构。二维MXene纳米片和一维SiCnw的协同作用与结构中的许多堆叠断层在聚合物基体中产生了许多异质界面，聚合物基体中独特的纳米结构带来了卓越的电磁波吸收性能。经实验对比，在SiCnw/MXene比例为7∶1且浓度为20 wt.%、材料厚度为1.45~1.50 mm时，能够实现Ku波段5.0 GHz的有效吸收带宽，最小反射损耗为-75.8 dB。
除纳米陶瓷吸收剂外，CNTs、碳纳米纤维（CNFs）等纳米材料与其他类型吸收剂复合也能产生良好的吸波效能，Huang B等［19］对功能化的CNFs在微波吸收方面的应用进行了研究。采用了直流磁控溅射的方法，研究了新复合材料FeCo/CNFs的微观结构、磁性能和电磁波吸收能力。对于厚度为4 mm的样品，可以观察到位于3.81~4.36 GHz和14.03~16.35 GHz范围内的两个吸收峰。最小反射损耗在14.88 GHz为-24.05 dB，与原始CNFs相比，FeCo/CNFs表现出更强的吸收和更宽的吸收带，这是因为涂料中引入了FeCo涂层以及FeCo和CNFs之间存在破坏性干扰，该方法将为开发基于CNF的电磁波吸收材料铺平一条新路。Fu X等［20］通过冻干技术制造出三维碳纳米管/尼龙66（3D CNT/PA66），其中CNT被涂在PA66上。同时，CNT/PA66气凝胶可以在低CNTs负载下形成一个连续的导电网。因此，CNT/PA66气凝胶具有良好的电磁波吸收特性，在13.9 GHz时最小反射损耗为-44.3 dB，有效吸收带宽为3.5 GHz。Zhao J等［21］通过水热法、热处理和溶液浇注法获得了二氧化锡和多壁碳纳米管（MWCNT）复合的SnO2@MWCNT/硅橡胶吸波复合吸收剂。实验分析得出，当SnO2@MWCNT的质量分数为7.5 wt.%，样品厚度为2.6 mm时，SnO2@MWCNT/硅橡胶吸波复合材料的最小反射损耗为-56.9 dB，有效吸收带宽为3.1 GHz。之后，Zhao J等［22］将二氧化锡和无定形碳同时引入到MWCNT的表面，然后进行热处理，最终得到具有三元异质结构的C-SnO2-MWCNT吸收剂。随后，制备了C-SnO2-MWCNT/硅橡胶吸波复合材料。实验表明：当C-SnO2-MWCNT的质量分数为30 wt.%，厚度为2.65 mm时，其最小反射损耗和有效吸收带宽可以分别达到-53.5 dB和3.16 GHz。
考虑到部分纳米吸收剂环境耐受性不足，例如石墨烯在高温和氧气环境下容易被氧化，Luo C等［23］通过聚合物先驱体转化陶瓷（PDC）法制造出石墨烯@Fe3O4/碳氮化硅硼（SiBCN）纳米复合物，该复合物具有分层的A/B/C结构，其中SiBCN作为“盾牌”保护石墨烯@Fe3O4免受高温氧化。这些纳米复合物即使在1100~1400 ℃的氩气或空气环境中也很稳定。它们的最小反射损耗和有效吸收带宽在环境温度下分别为-43.78 dB和3.4 GHz。在600 ℃氧化后，它们表现出更好的电磁波吸收性能，在600 ℃的高温下，其有效吸收带宽为3.93 GHz，覆盖了X波段的93.6 %的范围。与以前的石墨烯工作能力相比，这些纳米复合物的有效吸收带宽或最小反射损耗在高温和氧化下都很出色。这种新型的纳米材料技术将有助于提升吸波涂料在恶劣环境下的工作能力。
当然，非纳米材料的复合也依然具备研究潜力，Wei D等［24］通过一锅水热法合成了具有电磁波吸收功能的C/ZnO复合涂料。结果表明，在乙酸锌与葡萄糖的摩尔比为1∶8，样品厚度为1.16 mm时，电磁波的有效吸收带宽可达3.52 GHz，最小反射损耗在15.77 GHz时达到-50.43 dB。
复合涂料的另一大优势是可以通过调节涂层厚度、浓度比例来实现多波段吸收效果。Guan Z J等［25］设计了纳米组装的CoFe-CoFe2O4@C复合颗粒，这种独特的材料在不同的频段上表现出优异的分段电磁特性。在3.4 mm涂层中，观察到4.78 GHz的最小反射损耗为-71.73 dB。当涂层厚度缩减至1.56 mm，则观察到13 GHz的最小反射损耗也超过了-60 dB，这一现象为设计多波段吸收提供了新的途径。Feng A等［26］合成了一种新型的CF@NiFe2O4与植酸掺杂的聚苯胺复合涂料CF@NiFe2O4@p-PANI。首先，通过溶剂热法得到CF@NiFe2O4复合材料，然后在CF@NiFe2O4复合材料的表面原位生长植酸掺杂的聚苯胺。分析得出当样品厚度为2.9 mm时，其最小反射损耗为-46 dB，而当样品厚度为1.5 mm时，其有效吸收带宽为5 GHz。
结合研究成果，从最小反射损耗和有效吸收带宽这两大核心指标进行分析，可以发现纳米吸波涂料在最小反射损耗上相较于其他材料具有明显优势，以C/ZnO和SiCnw/MXene为例，在相近的最佳吸波频率，SiCnw/MXene的最小反射损耗明显优于C/ZnO。有效吸收带宽方面也是纳米复合涂料CNTs/SiCf覆盖频段更多，达到了8.8 GHz。值得一提的是，FeCo/CNFs材料具有非连续双频段吸收峰，也为吸波涂料的多频段兼顾性研究开辟了新的思路。
在科技发展、装备升级的时代背景下，吸波涂料作为降低装备RCS、提升装备隐身能力的有效手段，必将受到更多关注。通过对目前吸波材料存在的问题进行分析，其未来发展方向主要有以下几个方面：
（1）提升环境耐受性；
面对高温/极寒、高湿/干燥等极端复杂环境，吸波涂料由于长期与空气接触，需要具备良好的化学稳定性、耐热性、高黏附性和韧性，其环境耐受性将直接影响装备可靠性。
（2）加强轻量化研究；
在保证涂料结构强度的前提下，采取优化结构、精细化处理、多材料复合等手段进行轻量化设计，有助于提升装备的适装性、控制稳定性和机动效能。
（3）拓展多频兼容能力；
随着雷达技术的发展，多频段综合射频系统得到了广泛的应用，隐身装备需要应对更为复杂的电磁环境，吸波涂料的有效吸收带宽将直接决定装备的战场生存能力。
（4）引入新型材料技术；
纳米吸收剂具有反射损耗大、有效带宽覆盖广等优势，是未来主流发展方向，但其环境耐受性和经济性上还有待提升，在后续工程化应用中，还应加强相关研究和实验。