碳纤维复合材料在吸波材料中的应用分析

  现代战争中,隐身技术降低了各种武器装备的特征信号,大大提高了战斗机、舰艇等兵器的生存能力,使其在一定范围内难以被发现、识别和攻击。吸波材料能将入射的电磁波大部分吸收并转化成机械能、电能、热能或其他形式的能量而几乎不进行反射。吸波材料是隐身技术中的关键环节,将吸波材料引入隐身技术的研究受到世界各国的高度重视。目前,吸波材料多种多样,如石墨、导电炭黑和铁氧体等,但是这些材料吸收频带窄、密度大,吸波范围有限,使用后会带来质量的增加,均不是很理想。而碳纤维具有很多优越性能,碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、导电导热性能好,具有较强的抗拉性和良好的可加工性。

  吸波材料要求材料对电磁波实现有效吸收,电磁波能量入射到介质中能迅速衰减转变成其他形式的能。吸波材料通常分为吸收型和干涉型两种:吸收型吸波材料对雷达波进行吸收损耗,基本类型有复磁导率与复介电常数基本相等的吸收体、阻抗渐变“宽频"吸收体和衰减表面电流的薄层吸收体;干涉型则是利用吸波层表面和底层两列反射波的振幅相等而相位相反进行干涉相消,如1/4波长“谐振"吸收体,这类材料的缺点是吸收频带较窄。

  吸收剂多涂敷在材料表面或者分散夹杂在层状材料中,金属铁微粉吸波剂主要是通过磁滯损耗、涡流损耗等吸收衰减电磁波,主要包括金属铁粉、铁合金粉、羰基铁粉等。金属铁微粉吸收剂微波磁导率高,温度稳定性好,但其抗氧化、抗酸碱能力差,介电常数大,频谱特性弱,低频吸收性能较弱,而且密度大。

  铁氧体吸波材料是研究较多也较成熟的吸波材料。它的优点是吸收效率高、涂层薄、频带宽;不足之处是相对密度大,影响部件的整体性能,高频时不太理想。乙炔炭黑粒径为纳米级,不仅能吸收电磁波,还能有效抑制红外辐射,密度低,导电炭黑与高分子材料复合调节材料的导电率,达到吸波效果;但石墨、乙炔炭黑高温抗氧化性差。

  碳纤维是由有机纤维或低分子烃气体原料加热所形成的纤维状碳材料,它是不完全的石墨结晶沿纤维轴向排列,其碳含量达90%以上。碳纤维经高温处理后,纤维结构由乱层结构向三维石墨结构转化,层间距减小,电导率逐步增大,易形成雷达波的强反射体。

  低温处理的碳纤维结构疏松散乱,是电磁波的吸收体,是良导电性的电损耗材料。碳纤维结构吸波材料具有承载和减少雷达反射面的双重功能,是功能与结构一体化的优良微波吸收材料,与其他吸波材料相比,具有硬度高、高温强度大、热膨胀系数小、热传导率高、耐蚀抗氧化、质轻和吸收频带宽等优点。