CN101699564B - 纤维金属基复合宽带轻质薄型雷达波隐身涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纤维金属基复合宽带轻质薄型雷达波隐身涂层的制备方法，是将酒精稀释的偶联剂涂在金属板上，取多根直径为5-15μm、长度≤1cm表面蘸有胶合剂的聚丙烯腈基碳纤维按纵向间距0.5-1.5cm、横向间距0.5-1.5cm均匀粘合在金属板板面上形成碳纤维层并干燥2-4h，在碳纤维层上分多次喷涂吸波涂料形成吸波涂层，再在60℃烘箱内固化5小时即可。本发明采用具有微波散射特性的碳纤维多列横向均匀排布，吸收频带宽，且吸波涂层面密度小，力学性能高，在8-18GHz频率范围内反射率小于-8dB，整体吸波性能强，隐身效果好，适用于多种对面密度要求高的武器装备和航空航天飞行器。
Description
技术领域
本发明涉及隐身材料，具体说是一种具有宽带轻质隐身特性的纤维金属基复合雷达波隐身涂层的制备方法。
背景技术
现代信息化军事技术的发展对武器在战场的生存能力提出更高的要求。三军装备隐身化是我国乃至世界武器发展的必然趋势。涂敷型隐身材料由于工艺简便且能满足各种不同外型装备的需要一直受到广泛关注并被应用到具体武器型号中去，已经在我国装备隐身化中发挥了重要作用。随着现代军事技术的发展，对涂敷型隐身材料也提出了更高的要求，即：涂层薄、频带宽、密度小、强度大。尤其对于一些航空航天飞行器，面密度的大小将直接影响到飞行器的飞行性能，因此对隐身材料的面密度有着苛刻的要求。
传统隐身涂层材料主要以羰基铁粉为主体，通过和胶合剂复合制备出隐身涂层材料。羰基铁粉在涂料中含量体积比通常达到50％，1mm厚度涂层材料面密度往往达到4kg/m2，且在8-18GHz频段其反射率也难以达到-8dB。飞机涂层厚度超过1mm，面密度超过4kg/m2，直接影响到其飞行性能。
近年，为了实现隐身材料轻质宽频带吸收，多种隐身涂层材料被深入研究。碳纳米管作为一种新型的纳米材料，在雷达波频段表现出优秀的吸波性能，被制备成隐身涂层，涂层面密度虽然较低，但低反射率吸收频带较窄；一些导电碳纤维材料作为隐身材料也被广泛研究。不同纤维结构形态和填充密度的涂层材料表现出不同的隐身特性，但往往难以达到宽带轻质吸收的目的。按吸波材料的成型工艺和承载能力，主要分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料，因涂敷型吸波材料施工方便、成本低、适应各种外型而被广泛利用于民用和军事。
现有新型涂敷型电磁波吸收材料常用磁粉和其它具有吸波功能的增强体(如碳纤维或碳化硅纤维)混合构成兼有吸波和结构功能的复合材料。如专利申请号为200810092492.6公开的一种高吸收轻量型电磁波吸收材料，将树脂、碳微粉、碳纤维、TiO2微粉均匀混合，涂成厚0.5-0.8mm的涂层，常温下干燥制备出涂料型薄片状电磁波吸收体，其不足之处是：吸收材料中磁性材料与增强体或基体是相互独立，虽然混合均匀后涂成涂层，但各组分材料在涂层中分布未必均匀，单位面积内的分布情况各不相同，面密度不均匀，吸收频带窄，严重影响了涂层吸波性能和力学性能。
发明内容
为了克服现有技术中兼有涂敷型和结构型的吸波材料中各组成材料在吸波涂层中分布不均，面密度不均匀，吸收频带窄，涂层吸波性能低，吸波材料力学性能低的不足，本发明提供了一种在金属基上碳纤维均匀分布，面密度均匀，吸收频带宽，吸波涂层吸波能力强、力学性能高的纤维金属基复合宽带轻质薄型雷达波隐身涂层的制备方法。
为了达到上述目的，本发明所述的一种纤维金属基复合宽带轻质薄型雷达波隐身涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)取金属板用砂纸打磨后经丙酮擦洗干净，将酒精稀释的氨基硅烷偶联剂KH-550涂在金属板上，酒精与氨基硅烷偶联剂KH-550的重量百分比为(90-95)∶(10-5)；
(2)取多根直径为5-15μm、长度小于等于1cm的聚丙烯腈基碳纤维放入胶合剂中使碳纤维表面均匀蘸有胶合剂，所述胶合剂按重量分数包括环氧树脂(E-44)、二甲苯、乙酸丁酯、丙酮＝60∶24∶8∶8；
(3)将步骤(2)的多根碳纤维按纵向间距0.5-1.5cm、横向间距0.5-1.5cm均匀粘合在步骤(1)的金属板上形成碳纤维层，干燥2-4h；
(4)将氨基硅烷偶联剂KH-550、由二甲苯和正丁醇按体积比6∶4混合而成的混合溶剂加入到改性球形羰基铁粉中混合搅匀后静置30min，再向该混合物中加入环氧树脂、固化剂D-400搅匀后用高速剪切机剪切10-20分钟，静置冷却制备成吸波涂料，所述吸波涂料中各组份重量为氨基硅烷偶联剂3-5、混合溶剂45-55、改性球形羰基铁粉380-420、环氧树脂100-110、固化剂(D-400)30-35；
(5)在步骤(3)干燥后的碳纤维层上分多次喷涂吸波涂料形成吸波涂层，单次喷涂吸波涂料厚度0.08-0.1mm，单次喷涂吸波涂料后放入30℃的烘箱中固化25-35min后进行下一次喷涂，喷涂后的吸波涂层厚度0.8-1mm；
(6)将步骤(5)多次喷涂吸波涂料后的金属板在30℃烘箱放置2小时，再将烘箱温度升至60℃固化5小时即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在金属板上设有碳纤维层，利用碳纤维材料的微波散射特性，在8-18GHz频率范围内反射率小于-8dB，吸波性能高，具有很好的宽频带隐身效果。
2、碳纤维层上喷涂吸波涂料，改性球形羰基铁粉的含量较低，吸波涂层面密度小于3kg/m2，面密度均匀，适用于各种对面密度要求高的航空航天飞行器。
3、金属板上采用碳纤维按多列横向均匀排布在金属板上构成碳纤维层，碳纤维层上分多次喷涂吸波涂料，碳纤维和吸波涂料分散均匀，柔韧性≤10mm，抗冲击强度：50kg·cm，附着力≥10Mpa，制作成本低，外型整齐，使用寿命长。
本发明采用碳纤维结构和吸波涂料涂敷制备雷达波隐身材料，碳纤维按多行多列均匀分布，碳纤维分布均匀整齐，吸收频率宽，且吸波涂层面密度小，整体吸波性能高，力学性能高，制作成本低，适用于多种条件的武器装备和航空航天飞行器。
附图说明
图1为本发明实施例一碳纤维的分布示意图；
图2为本发明实施例二碳纤维的分布示意图；
图3为本发明实施例三碳纤维的分布示意图；
图4为8085吸波涂敷板反射率测试曲线；
图5为8088吸波涂敷板反射率测试曲线；
图6为8089吸波涂敷板反射率测试曲线；
图7为金属板未粘合碳纤维的吸波涂敷板反射率测试曲线；
图8-12为本发明改性球形羰基铁粉的电磁谱及扫描电镜图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，本实施例只用于对本发明进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的内容作出一些非本质的改进和调整，均属于本发明保护范围。
实施例一：
取300×300×5mm的铝板用砂纸打磨，打磨后用丙酮擦洗干净，将95％酒精稀释的5％氨基硅烷偶联剂KH-550涂在铝板上；取多根直径为10μm、长1cm的聚丙烯腈基碳纤维放入胶合剂溶液中使碳纤维表面均匀蘸有胶合剂；采用纵向间距1cm、横向间距1cm的列式横向排列方式(如图1所示)，将多根碳纤维均匀粘合在铝板板面上形成碳纤维层；将所得粘有碳纤维层的铝板干燥2.5h；取4g氨基硅烷偶联剂KH-550、50g由二甲苯和正丁醇按体积比6∶4混合而成的混合溶剂加入到400g改性球形羰基铁粉中搅匀后静置30min，向该混合物中加入环氧树脂106.24g、固化剂D-40032.25g搅匀后用高速剪切机剪切15分钟，静置冷却制备成吸波涂料；在铝板的碳纤维层上分多次喷涂吸波涂料，单次喷涂厚度0.1mm，单次喷涂后放入30℃的烘箱中固化30min后进行下一次喷涂，喷涂后的吸波涂层厚度0.9mm，将喷涂有吸波涂料的铝板在30℃烘箱放置2小时，再将烘箱温度升至60℃固化5小时即可。该实施例为最佳实施例，制得的吸波涂敷板编号为8085，如图4所示为8085吸波涂敷板反射率测试曲线，该吸波涂敷板厚度为5.91mm，面密度3kg/m2，在8-18GHz频段内雷达波反射率小于-8.15dB。
实施例二
碳纤维的排列方式按照图2所示的“回”字型排列，其余制备工艺与实施例一相同，制得的吸波涂敷板编号为8088，如图5所示为8088吸波涂敷板反射率测试曲线图，面密度3kg/m2，在8-18GHz频段内雷达波反射率小于-7.62dB。
实施例三
碳纤维的排列方式按照图3所示的“工”字型排列，其余制备工艺与实施例一相同，制得的吸波涂敷板编号为8089，如图6所示为8089吸波涂敷板反射率测试曲线，面密度3kg/m2，在8-18GHz频段内雷达波反射率小于-7.58dB。
对比实施例：
在金属板上直接喷涂如实施例一所述的吸波涂料，喷涂工艺与实施例一相同，只是在金属板上未粘合碳纤维层，所制得的吸波涂敷板厚度为5.9mm，面密度为3kg/m2，在8-18GHz频段内雷达波反射率小于-7.1dB，如图7吸波涂敷板反射率测试曲线所示。
本发明采用的改性球形羰基铁粉从市场上购得，该改性球形羰基铁粉是通过CO与铁在高温高压下反应生成改性球形羰基铁粉油状物，经低压分离后得到产品，粒径为1-2μm，图8为该改性球形羰基铁粉复介电常数的实部，图9为该改性球形羰基铁粉复介电常数的虚部，图10为该改性球形羰基铁粉复磁导率的实部，图11为该改性球形羰基铁粉复磁导率的虚部，图12为该改性球形羰基铁粉扫描电镜图。
由各实施例和附图以及与对比实施例可以看出，本发明所采用的吸收剂改性球形羰基铁粉有利于更好地吸波，改性球形羰基铁粉的粒度为1-2μm，吸波性能高，可以获得最佳的吸波效果；采用碳纤维是为了调控吸收剂的复介电常数，吸收频带宽，吸波性能得到进一步提高；经过碳纤维的各种排布试验，图1所示的碳纤维列式横向的排列方式为最佳方式，在厚度和面密度不改变的情况下，制备的吸波涂层吸波性能改善效果最为明显。
Claims (5)
1.一种纤维金属基复合宽带轻质薄型雷达波隐身涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)取金属板用砂纸打磨后经丙酮擦洗干净，将酒精稀释的偶联剂涂在金属板上，酒精与偶联剂的重量百分比为(90-95)∶(10-5)；
(2)取多根直径为5-15μm、长度小于等于1cm的聚丙烯腈基碳纤维放入胶合剂中使碳纤维表面均匀蘸有胶合剂；
(3)将步骤(2)的多根碳纤维按纵向间距0.5-1.5cm、横向间距0.5-1.5cm均匀粘合在步骤(1)的金属板上形成碳纤维层，干燥2-4h；
(4)将偶联剂、混合溶剂加入到改性球形羰基铁粉中混合搅匀后静置30min，再向该混合物中加入环氧树脂、固化剂D-400搅匀后用高速剪切机剪切10-20分钟，静置冷却制备成吸波涂料；
(5)在步骤(3)干燥后的碳纤维层上分多次喷涂吸波涂料形成吸波涂层，单次喷涂吸波涂料厚度0.08-0.1mm，单次喷涂吸波涂料后放入30℃的烘箱中固化25-35min后进行下一次喷涂，喷涂后的吸波涂层厚度0.8-1mm；
(6)将步骤(5)多次喷涂吸波涂料后的金属板在30℃烘箱放置2小时，再将烘箱温度升至60℃固化5小时即可。
2.根据权利要求1所述的纤维金属基复合宽带轻质薄型雷达波隐身涂层的制备方法，其特征是：所述胶合剂为环氧树脂E-44、二甲苯、乙酸丁酯、丙酮组成的混合物。
3.根据权利要求1所述的纤维金属基复合宽带轻质薄型雷达波隐身涂层的制备方法，其特征是：所述偶联剂选用氨基硅烷偶联剂KH-550。
4.根据权利要求1所述的纤维金属基复合宽带轻质薄型雷达波隐身涂层的制备方法，其特征是：所述混合溶剂由二甲苯和正丁醇混合而成，二甲苯和正丁醇的体积比6∶4。
5.根据权利要求1所述的纤维金属基复合宽带轻质薄型雷达波隐身涂层的制备方法，其特征是：所述吸波涂料中各组份重量为氨基硅烷偶联剂3-5g、混合溶剂45-55g、改性球形羰基铁粉380-420g、环氧树脂100-110g、固化剂D-40030-35g。
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