钆-铁氧体复合吸波粉体材料与雷达吸波涂料的研制项目立项可行性研究报告

钆-铁氧体复合吸波粉体材料与雷达吸波涂料的研制可行性研究报告一、总论（一） 项目的主要内容及技术原理简述隐身技术是指在一定探测环境中控制、降低各种武器装备的特征信号，使其在一定范围内难以被发现、识别和攻击的技术；用于隐身目的的材料称为隐身材料。目前飞行器隐身技术主要存在两种发展趋势，一是发展高性能隐身飞行器，其雷达散射截面 RC&0.01m2（要综合运用外形技术和雷达吸波材料RAM（RadarAbsorbingMaterial）技术）；二是准隐身飞行器，RCS为0.5~2m2。隐身材料按其吸波机制可分为电损耗型和磁损耗型。电损耗型隐身材料包括SiC纤维，金属短纤维，SiC粉末，钛酸钡陶瓷体，导电高聚物，导电性石墨粉等；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。雷达波隐身材料又分为雷达吸波材料和雷达透波材料，在减小雷达散射截面积方面，透波材料所起的作用不大，主要是使用雷达吸波材料。雷达吸波材料能吸收透射到它表面的电磁波，并将其能量转化为热能消耗掉。实现目标隐身，方法主要是外形隐身技术和材料隐身技术。外形隐身技术难度较大，容易使目标的结构性能劣化，而采用隐身材料技术相对简单易行。以其成型工艺和承载能力可分为结构型和涂层型。结构型吸波材料具有承载和减小电磁波反射双重功能，已得到广泛应用；而涂层型材料因其工艺简单，使用方便，容易调节而受到重视。吸波材料作用机理研究：电磁波通过介质时，电场强度E和磁场强度H的振幅随传播方向而衰减，其电磁特性可用复介电常数£和复磁导率卩表征。电磁波能量的衰减与通过介质时磁损耗与电损耗有关。介电常数虚部£或磁导率虚部卩”越大，对电磁波的衰减越大。电磁波传播过程中，在介质界面上将产生反射。在军事上，易为雷达探测，在无线通信、电视接收方面，产生信号重叠。吸波材料吸收电磁波的机理：首先，吸波材料本身应具有电磁波衰减特性，应使进入材料内部的电磁波能量迅速衰减。这就要求材料应具有足够大的介电常数虚部与足够大的磁导率虚部；同时，应使入射电磁波能最大限度地进入吸波材料内部而不在其前表面上反射，即材料应具有匹配特性。另一方面，利用电磁波在不同介质界面上的多次反射机理，使入射电磁波在材料内部不同介质界面上多次入射和反射，从而可以大大提高吸收效率。吸波材料一般由基本材料与损耗介质复合而成，其中损耗介质的性能、数量及匹配选择是吸波材料的重要环节。根据吸波机理的不同，吸波材料的损耗介质可以分为电损耗型和磁损耗型两大类。电损耗型：包括导电性石墨粉、碳化硅粉末或碳化硅纤维、特种碳化硅、碳粒、金属短纤维、BaTiO3陶瓷及各种导电性高聚物等，其主要特点是具有较高的电损耗正切角，依靠介质的电子极化或界面极化衰减来吸收电磁波。电损耗型吸波材料的有效厚度与电磁频率有关，尺寸在cm-dm级。磁损耗型：包括各种铁氧体粉、羧基铁粉、超细金属粉和纳米相材料等，具有较高的磁损耗正切角，依靠磁滞损耗、剩磁损耗、畴壁共振、涡流损耗及共振损耗等磁极化机制衰减，即电磁波能量的衰减主要来自磁损耗。磁损耗型吸波材料的厚度远远小于电损耗型，尺寸在mn级。目前广泛使用的吸波材料是铁氧体。铁氧体作为吸波材料，主要特点是吸波效率高，吸波层厚度远远小于电损耗型材料。铁氧体吸波材料是研究较多而且比较成熟的吸波材料，由于吸波性能优良，价格低廉，一直受到重视，至今仍是雷达吸波材料中的主要成分之一。按微观结构的不同，铁氧体有三种基本晶型：六角晶系磁铅石型（W型），立方晶系尖晶石型和稀土石榴石型。W型六角晶系磁铅石型铁氧体具有较好的吸波性能，吸波性能优于尖晶石与石榴石型铁氧体。印度研制了钡基六角晶系铁氧体吸波材料用于飞机隐身。铁氧体材料的制备一般采用粉磨－烧结法，生产效率高但制得的产物颗粒尺寸较大，一般在微米级。铁氧体作为吸波剂应用时，主要问题是密度较大，涂层厚度大时质量较大，这与铁氧体颗粒尺寸较大有关。试验表明：减小颗粒尺寸，可增大电磁波的衰减。因此，减小吸波材料的颗粒尺寸，是提高吸波效率的途径之一。近年来，美、俄、英、日等国正在研制开发新组成的铁氧体吸波剂，它具有频带宽、重量轻、厚度薄及吸附能力强等特点。改进方案：在改进铁氧体配方的同时，将铁氧体制成超细粉末，大大降低其比重，改变其磁、电、光等物理性能。当铁氧体颗粒尺寸减小后，在电磁波作用下，更多的微粒磁畴内电子作急剧循环运动增加磁畴消耗，令电磁能量急剧衰减，从而提高铁氧体的吸波性能。近年来，随着纳米技术的发展，纳米吸波材料受到重视。纳米级吸波材料由于其颗粒尺寸远小于电磁波波长，因此电磁波的透过率要比常规材料强得多，这将大大减少波的反射率，降低电磁波的反射，即材料具有更好的匹配特性；同时纳米微粒的比表面积远远大于传统吸波材料，电磁波通过纳米吸波材料时，更多微粒产生畴壁共振与涡流损耗，从而电磁波的吸收率大于较大尺寸颗粒的吸波材料，具有良好的吸波作用。由于其特殊的表面效应和体积效应，纳米铁氧体材料具有更优良的吸波性能。美国研制出的“超黑粉”纳米吸波材料，对雷达波的吸收率大于99%。铁氧体材料是研究较多也比较成熟的磁介质型吸波材料，其吸收强、频带宽、成本低。单一铁氧体材料难以满足吸波频带宽、厚度薄和面密度小的要求，在铁氧体复合电磁波吸波材料中掺入微量稀土氧化物制得的复合材料，其能全面大幅度提高材料的吸波特性，而且匹配厚度有所减少。多数稀土族元素的4f壳层不满，因而有固有原子磁矩。本项目采用稀土钆氧化物具有简单的铁磁/顺磁转变，而其他稀土氧化物具有复杂的磁序转变。（二）项目的目的和意义1.吸波材料作为最有效的雷达隐身手段之一，越来越受到重视。对使用吸波材料涂层的要求是厚度薄，质量轻，吸波频带宽。对于雷达吸波涂层，在使用中常要求在一定频率范围内对雷达波强烈的吸收。2.本项目与江西洪都航空工业集团公司飞机设计研究所合作对隐身飞机的吸波材料进行研制，项目成功后进行扩大试验和使用，以至达到使用要求；江西洪都航空工业集团公司在所生产的飞机上采用该项目研制的吸波材料达到隐身，将提高我国军用飞机的作战性能。。以针对所选型的飞机或飞行器制定产品标准，产品用于江西洪都航空工业集团公司后，可推广在其他飞机和飞行器上使用，其应用前景可观。（三）相关技术领域国内外发展现状、趋势早在第二次世界大战期间，美、英、德等国出于各自的军事目的，针对雷达电子的侦探与反侦探，开始对吸波材料进行了大量的探索工作。目前美国约有20多家大小公司对隐身和雷达吸波材料（RAM的研究都十分感兴趣，它们不仅都参与了吸波技术的研究工作，其中包括RAM和声纳屏蔽技术，而且有10多家公司在生产RAM和涂层吸波材料。波音和洛克希德公司将开发重点放在多频谱产品上，这对于无线电及红外频率波段都是有效的。柯尼公司已研制出了一系列的RAM产品，包括ML—P窄频和MC宽频等型号的材料，适用于航空、航天和通讯等方面。在欧洲，从1947年开始，英国的普莱西（Plessy）微波公司已涉及到了RAM技术，现在它已具有发展和生产可覆盖从500MH到100GH濒谱的吸波材料的能力。普莱西公司的系列产品包括窄波段和宽波段材料，它们适用于飞机、导弹、直升机、无人飞机以及舰船表面等。德国的MBE公司正在生产宽、窄波段RAM系列产品，主要有多级层材料、宽波段RAS20寄生FUL10/14合成橡胶、调谐窄波段FM和宽波WUF20[6。目前的隐身舰艇和隐身飞机上所使用的吸波涂料和吸波材料，主要是针对厘米波雷达的，而对米波、毫米波、红外波段雷达等传感器，其隐身效果就大大下降。在长波雷达面前就更加“原形毕露”。世界各国已经使用或正在研制中的超视距雷达、激光雷达、多频信号雷达、无源雷达等，都具有较强的反隐身能力。世界上正在研制的第四代超音速歼击机，机体结构采用复合材料、翼身融合体和吸波涂层，使其真正具有了隐身功能，而电磁波吸收涂料和电磁、屏蔽涂料已开始在隐身飞机上涂装。美国、俄罗斯等国家新一代空对地、地对空导弹的隐身正朝着轻质、宽频带吸波、可喷涂、具有空气动力学和热稳定性良好的隐身材料方向发展。据报道，法国最近宣布研制成功一种宽频带雷达吸波材料涂层—纳米CoNi超微粉，该材料复磁导率，在0.1~18GHz频段内，均大于6,大大超过金属微粉磁导率理论值3的限制；美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料，对雷达波的吸收率大于99%。磁性纳米颗粒、纳米颗粒膜和多层膜是纳米材料作隐身材料的主要形式。在电磁波吸波材料的研究开发方面，国内水平在8~18GHz频率范围内，全频段吸收率为10dB,面密度为5kg/m2，厚度为2mm本项目所研究的钆-铁氧体复合吸波纳米粉体材料，是根据钆-铁氧体复合体组成的元素电子轨道特性所设计，通过前期试验结果分析，此种吸波材料可大大降低其比重，改变其磁、电、光等物理性能。当铁氧体颗粒尺寸减小后，在电磁波作用下，更多的微粒磁畴内电子作急剧循环运动增加磁畴消耗，令电磁能量急剧衰减，从而提高铁氧体的吸波性能。本项目至今未见有相关文献资料报道。项目申请单位、主要合作申请单位及项目主要负责人的基本情况本项目组中，(1)项目申请单位江西省科学院应用化学研究所隶属于江西省科学院，主要从事高分子材料、有机合成、稀土冶金与分离及应用、农副产品资源化深加工和食品化学等领域产品研究开发，现有高级研究开发人员20人，其中7人为正高，获政府特殊津贴四人。人员专业齐全，承担过国家“六五”、“七五”、“八五”、“九五”、“十五”重点攻关项目，省科委．省计委．省经贸委等省部级项目138项，近年来获得省科学技术进步奖七项，其中二等奖2项.三等奖5项；三项获经贸委新产品奖，数十项已在企业推广应用，业已形成产业，取得较好的经济和社会效益。所直属研究室有高分子材料研究室、有机化学研究室、食品技术开发中心、稀土化学研究室、功能材料研究室、矿产综合利用研究室、新产品开发室。所控股企业有江西省科院天工科技有限公司（主要从事特种涂料、胶粘剂及防腐耐磨材料等系列产品的生产）。参加项目的科技人员由研究所新组建的江西省科学院涂附材料研究工程中心科研人员组成，中心研究与开发领域范围：特种高分子胶粘剂、非金属耐磨材料（衬里）及自润滑固体和液体材料、特种涂料（吸波涂料、防腐涂料、高温耐磨抗蚀涂料、稀土荧光涂料、防水抗渗涂料等）、建筑内外墙功能涂料、塑胶涂附材料、纳米功能涂附材料。（2）项目合作单位江西洪都航空工业集团公司飞机设计研究所参加本项目的科技人员长期从事飞机和有关飞行器的研究，在隐身技术和吸波材料的应用研究中具有独特关键技术的研究成果。项目主要负责人：（1）程斌，男，1955年11月生，研究员；1982年1月毕业于华东工程学院化学工程系炸药合成专业，在军工单位工作四年，1985年底调入江西省科学院应用化学研究所，长期从事高分子化学与高分子材料、精细化工、腐蚀与防腐化学及天然产物分离与提取的应用研究与开发工作，曾主持参与多项国家、省部级科研项目，多次获院、所先进工作者，工会积极分子奖励。1999-2001年曾任江西恒大高新技术实业有限公司总工、副总经理，在高温涂料、高温耐磨衬里材料、设备防腐、金属喷涂等生产技术和施工技术进行了创新性研究与指导。1992年参加中国民主同盟，为十届、十一届民盟江西省代表大会委员，民盟江西省委科技工作委员会副主任。2002年任副所长，从事所科研管理，组织所科研项目的申报和产品转化，并组建江西省科院天工科技有限公司，任公司总经理。2002年当选江西省第九届省政协委员。（2）张弘，男，1962年9月生，研究员高工，1983年毕业于华东工程学院机械系火炮制造专业，同年分配到江西洪都机械制造厂后长期从事飞机设计，现任江西洪都航空工业集团公司飞机设计研究所所长，集团公司飞机总设计师。（五）有关本项目的现有工作基础和支撑条件项目申请单位江西省科学院应用化学研究所和合作企业江西省科院天工科技有限公司（研究所所属企业）的科技人员由新组建的江西省科学院涂附材料研究工程中心科研人员组成，组员长期从事高分子材料、无机功能材料、特种涂料和特种胶粘剂的研究；本项目进行了前期试验，并在洪都航空工业集团航空飞机研究所进行了定性测试，其效果较好。江西洪都航空工业集团公司飞机设计研究所EMC测试站是为国家重点型号投入建设的配套设施，EMC测试设备是从德国R&S公司引进的，EMC测试站设备齐全，具有强大测试和检测功能。 EMC测试站测试站技术力量雄厚，现有高工3人、工程师2人、设计员2人，专为各类民用、军用设备和复合材料、隐身材料提供EMC测试服务和技术支持。二、项目研究目标、思路与依据本项目在前期研究工作中，在改进铁氧体配方方面，将立方晶系、六方晶系和反铁磁铁氧体通过改变铁氧体的化学成分、混合量和表面处理等综合技术上，提高铁氧体吸波性能取得较大进展。单一铁氧体材料难以满足吸波频带宽、厚度薄和面密度小的要求，在W型铁氧体复合电磁波吸波材料中掺入微量稀土氧化物制得的复合材料，其能全面大幅度提高材料的吸波特性，而且匹配厚度有所减少。多数稀土族元素的4f壳层不满，因而有固有原子磁矩。本项目采用稀土钆氧化物具有简单的铁磁/顺磁转变，其他稀土氧化物具有复杂的磁序转变。本项目的研究方向：从吸波材料的吸波性能比较、纳米吸波材料的特性，以及对吸波材料的作用机理与发展动向研究表明，纳米级钆-W型铁氧体吸波材料具有良好的发展前景；本项目研究纳米级钆 -W型铁氧体吸波涂层及吸波性质。本项目的技术路线：纳米级钆-W型铁氧体吸波材料的研制本项目已开展了纳米级钆-W型铁氧体的研究并获得初步研究成果。利用柠檬酸盐溶胶-凝胶法，将体系中的阳离子络合于具有多官能团的柠檬酸分子上，达到原子级上的均匀混合，通过高温烧灼，有机物挥发，可制备高纯度复合氧化物。迄今为止未见采用柠檬酸盐溶胶-凝胶法制取钆-W型铁氧体材料的报道。本项目研究采用柠檬酸盐溶胶-凝胶法制取钆-W型铁氧体材料。SEM电镜研究表明，制得的钆-W型铁氧体材料尺寸为纳米级；X衍射研究表明制得的钆-W型铁氧体材料结晶良好，杂质含量少；采用微波网络分析仪对微波吸波性能测定表明，制得的纳米钆-W型铁氧体与烧结铁氧体吸波材料比较，具有更好的吸波性能。金属离子掺杂改性钆-W型铁氧体纳米级吸波材料的研制本项目研究采用钻、锰等金属离子、羰基铁掺杂改性钆 -W型铁氧体制备纳米级材料。铁氧体材料作为吸波材料，其特点是吸波效率较高，但吸波频率较窄。不同的铁氧体材料，其有效吸波频率范围是不同的，采用钻、锰等金属离子、羰基铁，掺杂改性钆-W型铁氧体制备纳米级吸波材料，组合不同材料的有效吸波频率，可大大拓宽材料的吸波频率范围，达到宽频、有效吸波的效果。界面吸波涂层的研究铁氧体吸波材料与基相材料结合制备吸波涂层。采用配方不同的吸波材料，形成界面吸波涂层。吸波涂层涂覆于电磁辐射设施，可有效吸收电磁辐射，降低电磁信号反射率。基相粘结材料选用可耐—40C〜+80C温差变化的改性聚氨酯、改性聚乙烯基酯、改性环氧树脂等材料。其作用是粘结吸波材料于荫身设施表面。所选用的基相材料应与吸波材料很好兼容，与基底材料的热膨胀系数适应，粘结力良好。界面吸波涂层：在基相材料中混合掺加钆-W型铁氧体纳米材料组成吸波-阻抗变换层；掺杂金属离子和羰基铁改性钆-W型铁氧体纳米材料组成吸波—低阻抗谐振层以形成界面吸波涂层，利用电磁波在不同介质界面上的多次反射机理，使入射电磁波在吸波材料内部各界面上多次入射和反射，从而更有效地提高吸收效率。研究工作的任务是：以高性能钆-W型铁氧体纳米吸波材料为主，复合掺加不同类型的吸波材料组成复合吸波涂层，通过材料的电、磁性能的实验，分析材料的磁导率、介电常数以及微波衰减率，遴选电磁波吸收剂优化体系，研究电磁波吸收剂的配比与制备工艺参数并使之达到产业化的目的。三、研究方案研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标本项目研制的新型吸波材料具有以下特性：高效、宽频特性：反射率R-20dB（相当于入射波功率的99%被吸收），吸波频段为30MH旷100GHz范围内；基相粘结剂具有良好的粘结性；涂层厚度1~2mm研究内容纳米级钆-W型铁氧体的研究；掺杂金属离子改性钆-W型铁氧体纳米材料的研究：基相粘结剂的材料选择、吸波材料与粘结材料的综合作用研究；界面吸波涂层体系及其作用机理；界面吸波涂层内部构造优化模式与组合；界面吸波涂层优化设计理论及模型。1.3拟解决的关键问题研制掺杂金属离子改性钆-W型铁氧体纳米材料以拓宽吸波频率；基相粘结材料与吸波介质的组合性能研究及工艺化；界面吸波涂层内部吸波介质的优化组合及性能测试；拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析研究方法根据飞行器的特点，研制以基相粘结材料为载体的界面高效吸波涂层。通过吸波性能的检测分析，展开钆-W型铁氧体及掺杂金属离子改性钆-W型铁氧体纳米材料的研究；电、磁性能的研究；分析吸波剂的磁导率、介电常数以及微波衰减量；研究吸波剂制备的优化工艺参数。技术路线221纳米级钆-W型铁氧体吸波材料的研制本项目已开展了纳米级钆-W型铁氧体的研究并获得初步研究成果。吸波材料涂层经江西洪都航空工业集团公司飞机设计研究所EMC测试站测试，吸波性能良好。2.2.2金属离子掺杂改性钆-W型铁氧体纳米级吸波材料的研制本项目研究采用钻、锰等金属离子和羰基铁，掺杂改性钆-W型铁氧体制备纳米级材料。以拓宽材料的吸波频率范围，达到宽频、有效吸波的效果。2.2.3界面吸波涂层的研究基相材料中混合掺加钆-W型铁氧体纳米材料组成吸波-阻抗变换层；掺杂金属离子改性钆-W型铁氧体纳米材料组成吸波-低阻抗谐振层以形成界面吸波涂层。研究不同的基相结合材料性质以制备吸波涂层。基相粘结材料拟选用改性聚氨酯、改性聚乙烯基酯或改性环氧树脂等材料。所选用的基相材料应与吸波材料很好兼容，与基底材料的热膨胀系数适应，粘结力良好。与粉体铁氧体材料结合时有良好的工艺性。界面吸波涂层的研究应使配比与制备工艺参数达到实用型、产业化的目的。2.3实验方案及可行性分析根据材料的吸波特性选择各元素组成，采用正交法按不同的配比制备吸波纳米粉体，与树脂基料、油漆添加助剂混合分散，经研磨制成吸波涂料。通过一系列测试分析，选定最佳配方