随着战场侦察探测技术的快速发展,采用综合手段降低装备目标可探测性的隐身技术已成为当今军事技术的研究热点。其中,雷达波探测在多种战场探测技术中占据了主要部分,雷达吸波涂料则是实现装备雷达波段隐身的重要手段,雷达吸波涂层内部的吸波剂可将电磁能转化为热能耗散,或者使电磁波通过干涉相消,减少电磁波反射,实现雷达隐身效果。由于雷达吸波涂料具有制备简单,施工方便,不受装备外形条件限制等优势,其应用领域正逐步由传统飞行器领域拓展至舰艇等装备。 基于此,近年来科研人员在注重雷达吸波性能的同时,根据耐腐蚀性能要求开展了针对性设计,本文总结了耐腐蚀雷达吸波涂料的相关研究进展,以期为新型耐腐蚀雷达吸波涂料的研制和工程应用提供参考,进而为提高舰艇隐身性能奠定基础。 雷达吸波涂料耐腐蚀组分研究 雷达吸波涂料主要由基体树脂和吸波剂组成,基体树脂主要影响吸波涂料的力学性能和吸波剂纳入量,吸波剂则决定着涂料的吸波性能。 目前,有机涂料广泛应用于金属的防腐蚀中,一般认为有机涂层防腐蚀作用机理为湿附着力、屏蔽作用、导电度等协同机制,本文介绍的耐腐蚀雷达吸波涂料基体树脂主要采用环氧树脂、聚氨酯、氯磺化聚乙烯等,其耐腐蚀性能优异。 周金堂等基于羰基铁的优良吸波性能与环氧树脂的耐腐蚀性能,采用硅烷偶联剂KH560对长度为3~10 μm的片状羰基铁粉进行处理,以形成紧密的网络结构,并研究不同羰基铁比例对涂层吸波性能和防腐性能的影响,以提高涂层的磁导率和介电常数,实现良好的阻抗匹配。当羰基铁粉的体积分数为20%时,涂层综合性能相对最佳,在较宽范围内均拥有良好的吸波性能,涂层厚度为2 mm时,反射损耗小于-10 dB的有效带宽达到4.2 GHz,在8.5 GHz左右达到最小反射损耗值−42.5 dB,同时涂层在酸和盐的环境下进行加速腐蚀后,吸波性能未明显降低。 Jiang等通过溶胶-凝胶法制备了全氟辛基三乙氧基硅烷改性羰基铁,全氟辛基三乙氧基硅烷疏水层阻碍了腐蚀介质与羰基铁的接触,并改善了材料的阻抗匹配,测试结果表明,改性后的羰基铁腐蚀速率较之前降低3个数量级,吸波性能也显著提高,当厚度为3.5 mm时,最小反射损耗在4.08 GHz时为−40.45 dB。 胡悦等通过改进的Stöber方法,通过正硅酸乙酯水解缩聚过程产物在羰基铁粉表面进行包覆,在羰基铁粉表面制备均匀致密的SiO2包覆层,包覆层厚度约为500 nm,包覆后的羰基铁粉介电常数实部由8.7~9.1下降至7.5~8.0,最低反射率由-23.2 dB降至-25.6 dB,有效吸收带宽由7.7 GHz提升为8.3 GHz,同时耐盐水腐蚀性能显著提升,涂层在打磨、刻划后仍保持了优异的耐腐蚀能力。 Zhang等采用甘氨酸作为接枝剂在羰基铁颗粒表面进行PDMS(聚二甲基硅氧烷)涂层改性,由于表面PDMS的阻隔作用,羰基铁颗粒热稳定性、疏水性和耐腐蚀性均有所提高,腐蚀电流较之前降低了2个数量级,由于阻抗匹配,其电磁波吸收能力在特定频率和厚度下也得到改善。 Chen等采用氧化聚合法在盐酸溶液中成功制备了3,4,9,10-苝四甲酸修饰聚苯胺复合材料,该材料在吸收体厚度为2 mm时的最大吸收带宽可达4.4 GHz(11.9~16.3 GHz),而最小反射损耗为−27.8 dB,然后通过电化学方法研究了其作为填料掺入环氧涂层后的腐蚀防护性能,结果显示该复合材料还具有钝化和阻隔作用,涂层在NaCl溶液中长期浸泡具有优异的防腐效能。 Cai等设计合成了一种含有还原氧化石墨烯、花状纳米结构Fe3O4和聚苯胺的三元复合吸波剂,将导电聚苯胺密集涂覆在还原氧化石墨烯/Fe3O4纳米花表面,以实现微波吸收性能和阻抗匹配平衡,厚度为2.5 mm时,最小反射损耗达到-46.49 dB(9.93 GHz),有效吸收带宽为4.25 GHz(8.90~13.15 GHz),与之前相比,涂覆添加聚苯胺的防腐涂层对微波吸收性能没有明显影响。 Li等基于石墨纳米片的高介电损耗能力和优异的化学惰性。设计了一种石墨包覆软磁纳米胶囊,其采用电弧放电策略,引入氮催化剂激发二维石墨纳米片的形成,并通过改变软磁纳米胶囊中磁芯的组成来调控二维纳米复合材料的阻抗匹配和质量比,以实现增强的电磁损耗,吸收体厚度为2 mm时,在7.35 GHz处的最小反射损耗为-35.8 dB,吸收体厚度为3.5 mm时,有效吸收带宽为5.5 GHz(反射损耗RL≤-10 dB)覆盖了整个Ku波段,同时二维石墨纳米片结构和胶囊核壳结构为基底提供了较强的防腐能力,在酸性、中性和碱性盐腐蚀条件下皆可保持原始微观结构。 基于水滑石独特的结构特性、组成、孔结构的可调变性以及优良的催化性能,侯进采用Zn-Al水滑石和石墨复配吸波剂,制备了一种双层环氧基吸波涂料,试验结果表明,当底层水滑石含量为11%,表层石墨含量为16%,底层厚度为1.14 mm,表层厚度为1.38 mm时,最大反射率损耗达到−47.00 dB,为了推广应用至舰艇装备,考察了涂层在浸泡海水前后的吸波变化,发现该样品外观无变化,吸波性能曲线向低频方向移动,反射损耗及频宽仅略有减小。 许雪飞结合原子层沉积技术与水热合成法,在石墨烯表面原位生长镍铝层状双金属氢氧化物复合材料(NiAl-LDH)纳米薄片,合成了NiAl-LDH/G三维结构,通过控制NiAl-LDH纳米片的含量,可以实现良好阻抗匹配,并具备氯离子捕获能力和一定防渗透能力,对电解质的物理屏障作用也延迟了腐蚀发生。NiAl-LDH/G同时表现出优异的微波吸收性能,在涂层中质量分数仅为7%,17.8 GHz频率下获得最小反射损耗值为-41.5 dB,最大有效吸收频宽为4.4 GHz。 宁莉等为延长雷达吸波涂料在海洋环境中的使用寿命,对不同缓蚀剂对羰基铁涂层防腐性能、吸波性能和力学性能的影响进行了系统分析,实验发现十二烯基丁二酸、石油磺酸钡等缓蚀剂的加入,显著提高了吸波涂层的耐盐雾性能,缓蚀剂分子中的氧、硫、氮元素具有孤电子对,其供电子能力使铁原子与缓蚀剂分子可形成配位键而发生化学吸附。同时,缓蚀剂分子中含有的非极性基团具有疏水性,可以把铁基吸波剂与腐蚀介质隔离开以防止形成腐蚀电池,抑制了阳极过程的发生,从而使涂层的腐蚀速率下降。同时他们提出,缓蚀剂不参与涂层的树脂固化反应,对树脂间的交联固化起阻碍作用,使树脂的交联度降低,从而一定程度上减弱了附着力和柔韧性,但是缓蚀剂和涂层中的树脂基体均为低介电物质,吸波性能非常弱,改变其比例对涂层的雷达吸波性能影响很小。 除了直接向涂料中简单引入缓蚀剂的方法,Ma等先通过沉淀-水热法制备出三维空心NiCo2O4结构,然后再负载缓蚀剂苯并三氮唑(BTA),采用该方法制备吸波剂的环氧基雷达吸波涂料,在厚度为2 mm,在16.01 GHz时最小反射损耗值为-35.39 dB,吸收带宽高达4.64 GHz,同时通过激光共聚焦显微镜、有限元计算发现,涂层中的BTA@NiCo2O4可以抑制水过快地扩散到钢的表面,划伤后释放出BTA形成钝化膜,有效抑制钢材表面腐蚀的继续发生。 针对雷达吸波涂料在苛刻海洋环境下的腐蚀失效机理,当前主流的研究观点认为在高温、高湿、盐雾环境下,各类腐蚀因素通过涂层缺陷逐渐扩散,再加之传统吸波剂自身耐蚀性能较差,进一步导致吸波涂料短期应用后就老化失效等。 逄剑峰等详细论述了雷达吸波涂料使用中常见的老化现象机理,尤其以海洋环境下盐雾等腐蚀因素对吸波涂料老化影响很大。当盐雾微粒沉降附着在吸波涂层表面,快速吸潮溶解成氯化物水溶液,并在海洋高温高湿条件下,氯化物水溶液或离解后的氯离子,可通过涂层微孔渗入涂层内部,进而引起涂层老化或金属基材的腐蚀。目前通常采用的办法是采用涂漆、涂蜡或浸渍防老化溶液等手段进行物理防护,但是这些简单的防护方法会改变已经设计好的吸波涂层表面阻抗,增加雷达波反射,降低吸波涂层吸波性能。 田月娥等对吸收剂为碳化硅的雷达吸波涂料的环境适应性问题进行剖析,在我国典型海洋大气环境下,雷达吸波涂层外观腐蚀主要包括变色和粉化、鼓泡和锈蚀、起层与开裂,结合微观形貌分析发现涂层结构中存在较多气孔和缺陷,为腐蚀因素的扩散提供了途径。 周光华等深入分析了雷达吸波涂料在工程应用中的相关问题,提出恶劣海洋环境下吸波涂层老化的主要原因分为紫外线辐射、氧气氧化和水分侵蚀等,认为新型吸波涂料必须尽快研制出轻质宽频吸波剂并完善配方体系,满足环境自适应、耐高温、耐海洋气候、抗辐射等更高的要求,以适应日趋恶劣的未来战场环境。 由于防腐蚀涂料自身材料特点与应用环境复杂性,应用周期较长,研发效率较低,其寿命的快速评价与性能的优化就显得尤为重要。同样在兼顾吸波性能与防腐性能的耐腐蚀雷达吸波涂料上,需要通过设计人工加速试验,贴近应用工况下的腐蚀老化机理,以快速评价性能,进而针对性提出改进方案,提高研发效率。 齐宇等为评价复合吸波涂料的海洋环境适应性,克服传统自然环境老化试验周期较长的缺点,通过人工模拟自然环境因素,合理设计了一种加速试验,快速比选雷达吸波涂料,为其设计、研发提供参考依据。 卢桃丽等在海洋环境用雷达吸波涂料研究方面,将开发重点放在添加吸波剂后吸波涂层腐蚀性能变化对其吸波性能的影响,以含FeSiAl铁磁性材料的吸波涂层作为研究对象,进行室内加速老化试验,研究涂层盐雾加速腐蚀环境对吸波性能的影响,以及长期盐雾试验中吸波涂层腐蚀屏蔽性变化对吸波能力的影响。结果表明盐雾试验中FeSiAl极易被氧化,在经8周中性盐雾试验后涂层表面颜色加深,明显发生氧化腐蚀行为。同时吸波性能与腐蚀屏蔽性能变化一致,吸波性能随着腐蚀屏蔽性能降低而减弱。 殷宗莲等在雷达吸波涂料失效因素研究方面,设计了人工加速实验对吸波涂层失效损伤机理进行研究,发现介质腐蚀因素包括大气中的水,酸性气体中的SO42-,海水环境中的Cl-,这些腐蚀介质通过吸波涂层表面的微孔渗透到涂层内部,最终使涂层脱离底层产生鼓泡和锈蚀。并据此优化了雷达吸波涂料配方和涂装工艺,通过在底层中加入片状防腐填料,并采用梯度式升温涂装,以加速溶剂挥发减少涂层微孔,最终提高吸波涂层防腐蚀能力。 结语 展望未来,相关研究成果必须由实验室研制阶段逐步走向工程化应用,在此关键过程中,国内研究机构必须在深入研究耐腐蚀雷达吸波涂料基础上,注重涂料在实际海洋腐蚀环境下的工程验证,联合相关产品应用单位,明确涂料使用需求,以研制出真正可在海洋环境下应用的耐腐蚀雷达吸波涂料,进一步实现涂料的更多功能化,满足装备性能不断增长的实际要求。
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