耐高温吸波陶瓷及其涂层的研究进展

随着近现代科技的发展,高速飞行器对生存能力需求不断提高,其鼻锥、机翼、尾喷管等高温部件极易暴露。传统吸波材料普遍不能应用于高温环境,为了能够隐藏高速飞行器的高温部件,吸波材料的高温应用引起了研究人员的重视,耐高温吸波陶瓷材料可以实现上述背景下的应用。为提供分析和改善陶瓷吸波材料高温程度有限和吸收带宽较窄问题的依据,对引入温度影响后,耐高温吸波陶瓷材料的吸波机理进行了阐述。耐高温吸波陶瓷材料与涂层可以分为碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、氧化物陶瓷和聚合物转化陶瓷。本文在此分类的基础上,对陶瓷吸波材料和涂层损耗电磁波机理及其高温条件下的吸波性能进行了归纳总结,并指出未来耐高温吸波陶瓷材料应改善现有材料耐高温程度不足以及有效吸收带宽较窄的问题,进而加强其在高温条件下的服役能力。

高温吸波材料研究现状

论述了常见的石墨、乙炔炭黑吸收剂、碳纤维和碳化硅高温吸收剂的性能和应用概况 ,重点论述了碳化硅纤维、纳米碳化硅吸收剂处理方法和性能。

高温吸波材料研究面临的问题

分析了目前高温吸波材料研究面临的问题,指出提高高温吸波材料的高温吸波性能一直都是高温吸波材料研究追求的方向,深入基础研究,认清各种材料微观缺陷在电磁场中的响应及其机理,是进一步提高吸波材料高温吸波性能的主要方向,周期结构吸波材料(包括超材料)的可设计性使得这种材料成为很有希望的高温吸波材料。高温吸波材料研究与应用必须解决的问题是高温吸波材料的氧化、化学反应和扩散。高温吸波涂层研究面临的主要问题是涂层的结合强度和抗热震性。对高温吸波复合材料应用性能的优化往往与其高温吸波性能的优化存在矛盾,应用性能和吸波性能的综合优化成为高温吸波复合材料研究面临的最大难题。与其他同类材料相比,高温吸波材料在具有同样应用性能要求的基础上,增加了高温吸波性能的要求,因此,高温吸波材料比其它同类材料面临更大的挑战。

耐高温吸波材料的研究进展

耐高温雷达隐身材料对提高武器装备的生存能力具有重要意义和实际应用价值。本文总结了耐高温吸波材料的研究进展,详细论述了SiC基无氧陶瓷材料、三元层状化合物、碳材料和金属氧化物高温吸波剂的研究现状,主要介绍了电子结构调控、掺杂、多层结构设计和多孔结构设计等提高材料吸波性能的方法与机制,指出了现阶段高温吸波材料研究中存在高温氧化和变温吸波特性不明晰的问题。最后,展望了耐高温吸波材料应用化和智能化的研究趋势。

高温吸波涂层的多目标优化模型设计

大多数高温吸波材料都属于非磁损耗型,单层往往很难达到理想的吸波性能。为解决此问题并优化涂层厚度,通过差分进化算法建立了多层高温吸波涂层的多目标优化模型,重点以8.2~12.4 GHz内反射率RL<-10 dB频率带宽和涂层总厚度d为优化目标。设定三种高温吸波材料,研究表明,单层涂层很难达到理想的吸波性能;在单目标优化中,以频率带宽为优化目标,得到了3.2 GHz的有效带宽,吸波性能显著提升;在多目标优化中,同时对涂层总厚度d进行优化,优化结果同单目标相比,在保持良好吸波性能的同时,涂层厚度下降30%,结果表明模型能够优化吸波性能,并最大限度降低厚度。本文建立的模型适用于多种材料,不局限于文中设定的三种材料,能够达到理想的优化结果。

钴酸钙薄膜的制备及高温吸波性能研究

以溶胶凝胶法制备的钴酸钙粉体为基础材料,在氧化铝陶瓷基板上涂覆烧结形成了钴酸钙薄膜,研究了薄膜的物相结构、温阻特性及电磁波吸收性能。研究发现,溶胶凝胶法制备的钴酸钙粉体由Ca_(9)Co_(12)O_(28)相组成,粉体颗粒均匀,具有一定的取向性生长,呈明显的片层状结构。烧结后的钴酸钙薄膜由细小的Ca_(3)Co_(4)O_(9)相组成,与氧化铝基板结合紧密,厚度在20μm左右,薄膜的方阻值随着温度的升高迅速下降,在300~800℃保持在20Ω/□左右。800℃钴酸钙电阻膜型超材料吸波体在8~18 GHz显示出了对电磁波双吸收峰特征。

磁性金属吸波剂的高温氧化问题及其对策研究进展

目的针对磁性金属吸波剂由组成元素化学性质活泼导致的高温氧化和电磁性能恶化问题展开现状调研和讨论,解析磁性金属吸波剂高温氧化的机理,并提出相应的解决策略。方法从氧气在金属吸波剂中的吸附、反应和传质过程出发,讨论高温氧化对吸波剂电磁性能的影响规律,系统总结并评述表面包覆隔绝氧气、生成致密金属氧化膜和抑制氧原子扩散3种策略对吸波剂抗高温氧化的作用机制。结论表面包覆策略通过引入有机高分子、无机化合物或磁性金属等包覆物质,以隔绝氧气,从而抑制磁性金属吸波剂的高温氧化。其中,无机化合物包覆体系最具潜力,但尚未达到理想的超薄致密状态。生成致密氧化膜策略通过溶质元素的选择性氧化,形成保护膜,能够有效抑制氧化进程,但引入较高含量的非铁磁性溶质元素容易降低磁导率、恶化吸波性能。抑制氧原子扩散策略通过形成晶界氧化物来有效减缓氧化,目前其实现手段有限且不够成熟。在耐温磁性吸波剂的研制中应综合考虑使用温度、基体材料、目标吸波频段和期望吸波性能等,采用合适的抗氧化策略。

耐高温吸波材料的研究进展

雷达探测技术的发展对武器装备热端部件提出更高的隐身要求,而耐高温吸波复合材料是解决雷达隐身问题的关键材料,具有重要应用前景和战略意义,因此国内外研究学者针对吸波材料进行了大量研究。本文介绍了电磁波的不同吸收原理,包括磁损耗型、介电损耗型、电损耗型。综述了碳基、金属基、三元层状化合物以及陶瓷基吸波复合材料等常用耐高温吸波材料的最新研究进展。碳基材料(石墨、炭黑、石墨烯、碳纳米管等)多采用复合耐高温材料的方式发挥其吸波性能并解决高温氧化问题;金属氧化物材料(ZnO、MnO_(2)、Fe_(3)O_(4)等)采取调整材料微结构的方式来增加界面极化损耗;三元层状化合物材料(主要为Ti_(3)SiC_(2))主要配合Al2O3、堇青石等不同的热稳定性基体中使用,以此解决纯度以及高温氧化的问题。而陶瓷吸波材料因其出色的热稳定性成为在相对高温下研究最多的类别,本文总结了SiC二元以及SiCN、SiOC、SiBCN多元陶瓷吸波材料的最新研究进展,SiC二元吸波材料多采用元素掺杂及微结构调控的方式来提升吸波性能;SiCN三元吸波材料介电性能优异,目前的研究大多数采用复合磁性颗粒(Fe、Co、Ni)的方法;SiOC三元吸波材料成本低、导电性好,研究人员通过添加超高温陶瓷、BN等第二相组元方式来进一步发挥其吸波性能;而针对SiBCN四元吸波材料的吸波性能提升措施主要包括材料复合(高介电常数材料或者过渡金属)以及前驱体分子结构调整两种方式。最后本文从吸波频宽、耐温性能、多频谱兼容隐身等方面展望了耐高温吸波复合材料的发展趋势,旨在为未来新型吸波材料的发展提供新的研究思路。

锆基复合高温吸波材料的研究进展

随着军事装备的快速发展,高速飞行器和武器装备的关键部件需要满足高温等严苛条件下的隐身要求,开发卓越的耐高温电磁波吸收材料已经成为研究热点之一,其中锆基复合材料由于耐高温和抗氧化等特性被广泛关注。本文介绍了锆基复合吸波材料的制备方法、吸波机制,以及室温与高温下的吸波性能,尤其针对其中的核壳复合结构进行了详细阐述,分析了锆基壳层与磁核间的协同损耗效应,进而总结了高温下吸波带宽窄、吸收弱等的原因和改进方法。最后,本文凝练了锆基复合吸波材料研究中的关键科学与技术问题,基于此提出了可能的优化方法与发展方向,为未来高温吸波材料的研究开发提供参考。

炭黑&耐高温磁粉/PI树脂基吸波复合材料的制备和性能研究

以聚酰亚胺(PI)树脂为基体、连续玻璃纤维为增强体、耐高温磁粉掺杂炭黑(CB)为吸收剂,采用预浸料-热压工艺制备了吸收剂配料比不同和填料比不同的PI树脂基结构吸波复合材料层合板,测试并探究了不同CB质量分数和不同填料比对复合材料吸波性能与力学性能的影响。结果表明,当树脂和填料比为1∶1、CB质量分数为3.0%时,复合材料在常温和高温下的吸波性能最好,不超过﹣10.000 dB时的有效带宽分别为3.030 GHz和1.690 GHz;添加一定量的CB可以提高复合材料的吸波性能和力学性能,但过多的CB对复合材料性能的提升作用很小甚至有所减弱;当CB质量分数为5.0%时,复合材料在350℃下的高温弯曲强度保持率为65.8%、层间剪切强度保持率为65.3%,具有较好的耐热性能和力学性能。

高温雷达吸波材料研究现状与展望

"薄、宽、轻、强"已经不能完全满足新型武器装备对雷达吸波材料提出的耐高温、抗氧化、高强度及高韧性等新要求。高温雷达吸波材料受到广泛关注,本文首先综述了C、ZnO、SiC三类高温吸收剂研究现状,主要介绍了它们吸波性能改进途径及电磁参数的温度响应机理;然后对比了涂覆型与结构型高温吸波材料的特点;在此基础上,阐述了连续纤维增强陶瓷基复合材料作为高温结构吸波材料的优势、研究现状及存在的问题;最后,提出了高温吸波材料未来潜在的发展方向。

两种连续SiC纤维的高温介电及吸波性能对比

采用XPS、XRD、Raman光谱等方法分析了两种典型SiC纤维的微观结构,研究了微观结构对纤维电导性能的影响,并揭示了其高温介电性能和吸波性能的演变规律,对高温结构吸波复合材料的研究具有重要意义。研究表明:KD-I SiC纤维表面富碳,而SLF SiC纤维以Si-C-O结构为主,前者具有较高的电导率和复介电常数,从而导致KD-I纤维与空气阻抗匹配差,而SLF纤维的损耗较小,因此两者在X波段的室温反射率仅为-3.2 d B和-0.3 d B。KD-I纤维的复介电常数随着温度的升高显著增大,SLF纤维的实部增幅较大而虚部略小,两者在700℃时的复介电常数分别达到20.9-j25.0和5.0-j0.37,高温条件下由于阻抗匹配均变差,吸波性能无明显改善。

高温吸收剂研究进展及改性碳化硅吸波特性

针对装备高温部位雷达隐身需求,论述了高温吸收剂的研究现状和最新进展。采用改性碳化硅高温吸收剂,制备了高温吸波材料,在室温和580℃高温下,材料在26.5～40GHz频段内的反射率均小于-10dB,具有良好的吸波性能。

Al2O3填料对SiCf/BN/SiC复合材料弯曲强度和高温吸波性能的影响

用有机先驱体浸渍裂解(PIP)法制备SiCf/BN/SiC复合材料,研究了微米Al2O3粉体对其弯曲强度、高温介电和高温吸波性能的影响。结果表明,随着Al2O3的含量从5%提高到20%,SiCf/BN/SiC的弯曲强度呈现出先升高后降低的趋势,最大值达到295 MPa;随着温度的升高复合材料复介电常数的实部和虚部均逐渐增大,加入Al2O3填料能降低高温复介电常数及其随温度增大的幅度。无填料复合材料的室温和高温吸波性能均较差,而添加20%Al2O3的复合材料在8.2~12.4 GHz频段的室温反射损耗均低于-8 dB,且适用厚度为3.0~3.5 mm,700℃时厚度为3.0 mm的反射损耗为-5^-8 dB,在实际工程应用中具有较强的可设计性。

含短切碳纤维耐高温树脂基吸波复合材料的制备与研究

制备了短切碳纤维(Csf)为吸波剂、聚酰亚胺树脂(PI)为基体、连续石英纤维(QF)为增强体的耐高温树脂基吸波复合材料,设计了多层Csf/QF/PI吸波材料并研究4~18 GHz频段范围内的常温与高温吸波性能,探讨了材料吸波性能随温度变化的原因,研究了短切碳纤维吸波剂对于QF/PI复合材料玻璃化转变温度(Tg)的影响。所制备的QF/PI复合材料DMA-Tg为319℃,经Csf改性后达340℃。在4~18GHz频段内,随着温度的升高(23℃~300℃),材料的反射率吸收峰强度先增大后减小,100℃~200℃时强度最大。

航空类新型高温雷达吸波材料研究进展

受使用条件及环境因素的制约,航空用雷达吸波材料具有更为严格的使用温度要求。传统高温雷达吸波材料由于存在吸收频段窄、低频吸收性能差、抗氧化性能不佳等缺点,使用受到限制。本文综述了近年来研究较多的新型高温雷达吸波材料的研究现状,包括ZnO及其复合材料、Ti_3SiC_2及其复合材料等,总结了现阶段高温雷达吸波材料研究中面临的问题,并对高温雷达吸波材料的发展方向进行了展望。

氧化铝基吸波材料研究进展

雷达波吸收材料在国防领域发挥着重要的作用。厚度薄、密度低、吸收频带宽、吸收强是当前吸波材料的研究重点。高马赫飞行的武器装备会因空气阻力而使机体局部温度很高,常温吸波材料不适用,亟待研究耐高温并高效吸收电磁波的吸波材料。以氧化铝为基体,复合不同类型吸收剂制备的高温吸波材料已被广泛关注与研究。本文系统总结近年来金属(合金)/氧化铝复合吸波材料、非金属/氧化铝复合吸波材料、其他含氧化铝复合吸波材料的研究现状,对不同结构(纳米线、微球及纳米颗粒等)吸收剂与多种形态(多孔膜、纤维或纳米颗粒)氧化铝基体制备的复合吸波材料的结构、性能和吸波机理进行了分析,并对金属(合金)/氧化铝复合吸波材料及非金属/氧化铝复合吸波材料的发展方向做出展望。在金属(合金)/氧化铝复合吸波材料方面应加强:(1)开发纳米级的球形超细金属吸收剂,利用纳米粒子的特殊效应来提高吸波性能;(2)进一步探索合理的制备工艺,达到吸收剂与基体良好匹配。在非金属/氧化铝复合吸波材料方面:(1)进一步加强氧化铝纤维布和氧化铝网状基体与纳米吸波剂复合的研究;(2)加强高分子特殊核壳结构、阻抗匹配层等方面的研究;(3)加强宽频吸波材料及吸波剂改性增强吸波材料的研究;(4)开展金属氧化物粉体与无机黏结剂组成的无机基体方面研究。

SiC纤维增强SiC高温结构吸波材料研究现状

高温结构吸波材料集吸波、防热、承载于一体,其发展对实现航空航天器雷达隐身至关重要。连续Si C纤维增强Si C(SiC_f/SiC)高温结构吸波材料具有高温抗氧化、断裂韧性高、阻抗与空气容易匹配等优点,被认为是最有前途的高温结构吸波材料之一。本文主要从SiC纤维预制体、界面层、基体3个方面对SiCf/SiC高温结构吸波材料改性研究现状进行评述,然后介绍SiC_f/SiC高温结构吸波材料介电温度响应特性的研究进展,总结了SiC_f/SiC高温结构吸波材料存在的问题并指明未来潜在的研究方向。

耐高温宽带吸波超材料的设计及实验研究

提出了一种耐高温的宽带吸波超材料的设计和制备方法,得到了在整个X波段均具有90%以上宽带吸收率、可在室温到400℃工作的吸波超材料。该超材料结构由上层石墨电阻膜方片单元,底层石墨反射层以及中间氧化铝介质层构成,结构参数经过有限元模拟优化得到,通过丝网印刷法制备完成。实测与模拟吸收性能吻合良好,且在不同温度下能保持稳定的吸收性能。超材料的宽带强吸收源于磁共振机制带来的宽带阻抗匹配,以发生在电阻膜层的欧姆损耗为主。得益于磁共振机制,其吸波性能保持了较好的稳定性。与传统耐高温吸波超材料相比,该耐高温吸波超材料具有频带宽、吸收强、厚度薄、制备便捷、温度适应性好等特点,有望运用于高温吸波隐身及电磁兼容等领域。

FeCo纳米晶吸波剂高温晶粒尺寸及电磁性能

研究了热处理温度对片状FeCo纳米晶吸波剂表面形貌、晶粒尺寸、电磁和吸波性能的影响规律。结果表明,随着温度升高,FeCo纳米晶吸波剂的宏观形貌保持稳定,但晶粒尺寸不断增大:室温到300℃,晶粒尺寸随着温度的升高缓慢变大,从11.6nm增加到19.4nm;300℃到600℃,晶粒尺寸随温度的升高显著增大,在600℃热处理后达到54.5nm。由于晶粒长大和内应变降低,FeCo纳米晶吸波剂的饱和磁化强度随温度升高逐渐增大,而矫顽力则逐渐减小。吸波剂的电磁参数随温度升高有明显变化:复介电常数随温度升高逐渐增大,以低频复介电常数增幅最大;磁导率实部随温度升高总体呈下降的趋势;磁导率虚部随温度升高先增大后减小,且共振峰向低频偏移。模拟计算表明,涂层吸收强度随着热处理温度升高而逐渐降低。