高温吸波材料研究现状

    碳纤维电阻率较低约 10 - 2Ω· cm ,是雷达波的强反射体 ,只有经过特殊处理的碳纤维才具有一定的吸波性能。通过调节碳纤维的电阻率可以使其具有吸波功能 ,调节碳纤维电阻率使其具备吸波性能的方法有多种 ,如把碳纤维横截面做成三角形或有棱角的方形 ,对其进行表面改性 ,在其表面涂覆含有电磁损耗物质的树脂 ,沉积一层微小空穴的碳粉 ,喷涂镍或经氟化物处理等,都能大大提高碳纤维的吸波性能。碳纤维与玻璃纤维、 SiC 纤维混合使用吸波性能较好,能在宽频范围内有效衰减雷达波。碳/碳复合材料也可以制成吸波材料 ,美国威廉斯国际公司研制的碳/碳复合材料适用于高温部位 ,能很好地抑制红外辐射并吸收雷达波 ,还可制成机翼前缘、机头和机尾。特殊碳纤维增强的碳/热塑性树脂基复合材料具有极好的吸波性能 ,能够使频率为0. 1 MHz～50 GHz 的脉冲大幅度衰减 ,现在已用于先进战斗机 (ATF) 的机身和机翼 ,其型号为 APC(HTX) 。另外 APC— 2 是 Calion G40— 700 碳纤维与PEEK复丝混杂纱单向增强的品级 ,特别适宜制造直升机旋翼和导弹壳体 ,美国隐身直升机LHX已经采用此种复合材料。

2. 3 　碳化硅吸收剂

    碳化硅是制作多波段高温吸波材料的主要组分 ,很有应用前景 ,是国外发展最快的吸波材料之一。这里对碳化硅吸收剂的研究作较为详细的介绍。

2. 3. 1 　碳化硅的基本性质

    碳化硅的电阻率介于金属与半导体之间 ,属杂质型半导体。 α- 碳化硅单晶的电阻率为 109Ω· cm～1010Ω· cm , β- 碳化硅单晶的电阻率 > 106Ω· cm。碳化硅的导电类型和电阻率值可以通过B、 P、 Al、 Si、O以及退火和中子或电子辐照等方法来调整。 β-碳化硅的本征电导输出开始于 900 ℃,而α- 碳化硅则开始于1 200℃。 β- 碳化硅吸波性能优于α-碳化硅 ,作为吸收剂应用的是β- 碳化硅。

2. 3. 2 　碳化硅吸收剂的研究

    碳化硅吸收剂具有密度小、耐高温性能好、吸收频带宽的特点 ,但吸收效率不是很高。国内外在这方面已开展了多方面的研究 ,常规制备的碳化硅并不能作为雷达波吸收剂 ,必须对其作进一步的处理 ,其目的就是要控制碳化硅的电导率 ,使其具有吸波性能,可采取以下两种方法:提高 SiC的纯度和对其进行有控制地掺杂。日本利用纯度极高的原料 ,制得几乎不含任何杂质的 SiC 粉体 ,该 SiC 粉具有很宽的吸波频带和很高的吸波性能 ,该方法的缺点是纯度极高的原料难以获得 ,成本高。前苏联利用掺杂的方法研究了 SiC的吸波性能。

2. 3. 2. 1 　碳化硅纤维吸收剂

    碳化硅纤维不仅吸波特性好,而且具有耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高等优点 ,是国外发展最快的吸波材料之一。但是一般的 SiC纤维的电阻率分布在 100Ω· cm～104Ω· cm 的范围内变化 ,SiC纤维必需经过适当的处理 ,调整其电阻率在101

Ω· cm～103Ω· cm 范围内才具备较好的吸波效果。一般采用高温处理法[7 ]或掺杂异元素法[8 ,9 ]来调节其电阻率 ,SiC 纤维在不同热处理温度和时间条件下 ,通过控制工艺参数 ,可以对其显微结构和电磁参数进行控制。

    研究表明 ,Nicalon - SiC纤维中 Si、 O、 C的摩尔比为3∶ 1∶ 4 ,C有一定的过剩。三种元素以 SiO2、 SiC和C的形式存在 ,SiC约占 65 % ,SiO2 约 15 % ,其余为自由碳。由于存在 SiC 和 C ,所以碳化硅纤维具有一定的电导率 ,且随着热处理温度的升高 ,纤维的电导率升高。当碳化硅纤维的电阻率在 101Ω·cm～103Ω· cm时 ,吸收雷达波的效果最好。

2. 3. 2. 2　纳米 SiC粉体吸收剂的研究和发展

    单纯纳米 SiC并不能够吸收雷达波 ,同样需要对其进行一定的掺杂 ,以提高 SiC的电导率 ,通常在SiC中能够进行掺杂的元素有B、 P、 N等。

    西北工业大学通过对纳米 SiC 进行掺杂 ,得到了纳米 Si/ C/ N 吸收剂 ,具有很好的吸波性能。Si/C/ N纳米吸收剂能够吸波的主要原因是在吸收剂中形成的 SiC晶格中固溶了 N 原子 ,固溶的 N 原子在晶格中取代 C原子的位置形成晶格缺陷。在正常的 SiC晶格中 ,每一个碳原子分别与周围四个相邻的硅原子以共价键相连接 ,同样每一个硅原子也与周围的四个碳原子分别形成共价键。当氮原子取代碳原子进入 SiC中后 ,由于N只有三价 ,只能与三个 Si 原子成键 ,而另外的一个硅原子将剩余一个不能成键的价电子 ,形成一个带负电的缺陷。由于原子的热运动 ,这个电子可以在 N 原子周围的四个硅原子上运动 ,从一个硅原子上跃迁到另一