CN107804470A - 一种兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道及其制备方法 - Google Patents
一种兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道及其制备方法。从内而外由雷达隐身与红外隐身兼容区涂层、陶瓷涂层、吸波承载一体化层、电磁屏蔽层、陶瓷涂层和低发射率红外隐身涂层组成。雷达隐身与红外隐身兼容区涂层具有周期性图案，是由贵金属和SiO2粘结而成；陶瓷涂层由玻璃层或莫来石层构成；吸波承载一体化层由纤维增强耐高温陶瓷基吸波复合材料构成；电磁屏蔽层由高电导率的碳纤维或碳化硅纤维构成；红外隐身区涂层由低发射率贵金属镀膜构成。该耐高温进气道具有工作温度高、可设计性强，同时兼容雷达隐身与红外隐身等优点，可解决高超声速飞行器进气道在剧烈气动加热条件下的雷达隐身和红外隐身问题。
Description
技术领域
本发明属于高超声速飞行器隐身技术领域，具体涉及一种兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道及其制备方法。
背景技术
超声速飞行条件下(Ma2以上)产生的剧烈气动加热会导致高超声速飞行器进气道的环境温度超过600℃，最高可达800℃，红外辐射异常突出。由于进气道是高超声速飞行器前向最主要的雷达散射源与红外辐射源，因此，迫切需要发展兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道以提高飞行器的隐身性能。
兼容雷达隐身与红外隐身的难点在于两者之间存在设计矛盾：中国专利《一种兼容雷达和红外隐身织物及其制备和应用》(授权号：CN 103710991 B)中公开了一种兼容雷达和红外隐身织物及其制备方法，其不足之处在于，雷达隐身涂层红外发射率偏高，不能满足进气道对红外隐身的应用需求；中国专利《在涂有雷达吸波层物体表面加涂红外隐身涂层的方法》(授权号：CN 103980806 B)中公开了一种雷达吸波层物体表面加涂红外隐身涂层的方法，其不足之处在于，由于红外隐身涂层具有雷达波高反射特性，使其雷达隐身性能变差，不能满足进气道对雷达隐身的应用需求；中国专利《雷达与红外兼容隐身材料及其制备方法》(授权号：CN 102179968 B)中公开了一种兼容雷达和红外隐身织物及其制备方法，该方法可初步实现雷达和红外隐身的兼容，其不足之处在于，该雷达与红外兼容隐身材料采用树脂基复合材料，不能耐受超声速飞行器的高温条件，所公开的制备技术不适用于耐高温进气道。综上可知，目前针对兼容雷达隐身与红外隐身的研究主要集中在平板材料级，而部件级原理样件对电磁波的散射特性与平板材料存在本质不同。
发明内容
针对上述不足和应用需求，本发明公开了一种兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道。根据进气道不同部位对雷达隐身和红外隐身的贡献程度，对其隐身性能进行分区优化设计：进气道的雷达散射主要来源于内表面的腔体散射，红外辐射则来源于进气道的内、外表面，因此可将进气道分为雷达隐身与红外隐身兼容区(内表面)和红外隐身区(外表面)两部分。其核心在于在雷达隐身与红外隐身兼容区的设计：在耐高温吸波承载一体化陶瓷基复合材料内表面复合具有周期性图案的耐高温低发射率红外隐身涂层，获得对电磁波的低通高阻特性和低发射率特性，最终实现进气道内表面在高温下雷达隐身与红外隐身的兼容；红外隐身区是在耐高温吸波承载一体化陶瓷基复合材料外表面复合具有低红外发射率的耐高温贵金属薄膜涂层，实现进气道在高温下的红外隐身特性。本发明同时给出了一种上述耐高温进气道的制备方法。
为解决常规进气道隐身方案不能应用于高超声速飞行环境以及雷达隐身与红外隐身兼容性差的问题，本发明人提出了一种在高超声速飞行环境下可以兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道。发明人根据超声速飞行器进气道红外辐射特性与雷达散射特性，及其面临的探测拦截威胁角域，对进气道的电性能进行分区优化设计：进气道通道的内表面对红外辐射特性和雷达散射特性(主要来源于内表面的腔体散射)影响较大，可定为雷达隐身与红外隐身兼容区，其隐身设计要实现雷达隐身与红外隐身的兼容；进气道外表面对前向雷达隐身性能影响较小，对红外辐射特性影响较大，可定为红外隐身区，其隐身设计以红外隐身设计为主，即将进气道分为雷达隐身与红外隐身兼容区(内表面)和红外隐身区(外表面)两部分：采用耐高温陶瓷基吸波材料作为进气道吸波承载结构，并在吸波承载一体化层底部增加电磁屏蔽层以提高其对电磁波的谐振损耗和反射性能，同时在进气道内、外表面喷涂陶瓷涂层提高其高温环境的耐受能力与表面平整状态，最后在进气道内表面使用具有低通高阻特性和低发射率的红外隐身涂层以兼容雷达隐身和红外隐身特性，在进气道外表面使用具有低红外发射率的耐高温贵金属薄膜涂层以提高其红外隐身特性。在进气道上综合应用多种性能的耐高温隐身材料，解决好雷达隐身红外隐身兼容的难题，更大可能地发挥好现有材料的潜能。
本发明的技术方案如下：
一种兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道，从内而外由由雷达隐身与红外隐身兼容区涂层、陶瓷涂层、吸波承载一体化层、电磁屏蔽层、陶瓷涂层和红外隐身区低发射率涂层组成。
雷达隐身与红外隐身兼容区设计的核心在于在雷达吸波结构的内表层设计具有周期性图案的低通高阻的低发射率红外隐身涂层，以实现对红外波的高反射和雷达波的高透过特性，在确保内层材料吸波性能基本不变的前提下赋予其低红外发射率特性，实现雷达隐身与红外隐身的兼容；红外隐身区设计的核心在于在进气道外表面使用具有低红外发射率的耐高温贵金属薄膜涂层以提高红外隐身特性。
兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道从内而外由由雷达隐身与红外隐身兼容区涂层、陶瓷涂层、吸波承载一体化层、电磁屏蔽层、陶瓷涂层和红外隐身区低发射率涂层组成。
雷达隐身与红外隐身兼容区涂层是以耐高温低发射率贵金属(金、铂或钯等)、石英玻璃粉和增稠剂(羧甲基纤维素钠或糊精等)为原材料，使用机械球磨混合均匀获得耐高温导体浆料，通过印刷或喷涂法将导体浆料均匀涂覆在进气道内表面，待干燥后通过烧结工艺制备出导体整体涂层，再通过激光刻蚀工艺等微纳加工工艺使导体涂层图案化，最终获得具有低通高阻特性和低红外发射率的兼容涂层。
陶瓷涂层由玻璃或莫来石构成，可以解决雷达吸波材料在高温环境下的氧化问题和表面平整状态。
吸波承载一体化层作为进气道的吸波承载一体化结构，为陶瓷纤维增强的耐高温吸波型陶瓷基材料。吸波承载一体化层可以起到承载和吸波作用：增强材料可以为Al2O3纤维、SiN纤维或SiC纤维中的一种或多种混编/混铺而成，陶瓷基体材料可以为Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、SiO2玻璃陶瓷、莫来石或Si3N4陶瓷中的一种。吸波承载一体化层复合材料的介电性能随着吸波频段和厚度的具体要求而变化。
电磁屏蔽层由具有高电导率的碳纤维或碳化硅纤维构成，起到电磁屏蔽反射衬底的作用。
采用磁控溅射技术在进气道外表面制备具有低红外发射率的耐高温贵金属薄膜涂层以提高红外隐身特性。
本发明还提供了上述兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道的制备方法，按如下步骤制备成型：
第一步：制备吸波承载一体化层和电磁屏蔽层
选用耐高温吸波型陶瓷纤维和电磁屏蔽层纤维按照进气道模型进行编织获得预制体，采用纤维浸渍裂解(PIP)工艺制备粗坯，待预制件具备足够的强度和韧性后，根据进气道模型外形进行机械加工获得吸波承载一体化层和电磁屏蔽层。
第二步：后期致密化处理及精细机械加工
进行多个周期常规陶瓷先驱体浸渍裂解工艺(PIP)处理，将第一步中获得的产品由开孔结构转化为闭孔结构，待进气道不增重后停止，再进行精确机械加工，使其外形与进气道外形一致。
第三步：制备陶瓷涂层
采用等离子喷涂技术在进气道外表面喷涂玻璃层或莫来石层。
第四步：制备雷达隐身与红外隐身兼容区涂层
以耐高温低发射率贵金属粉(金、铂或钯等)、石英玻璃粉和增稠剂(羧甲基纤维素钠或糊精等)为原材料，使用机械球磨混合均匀获得耐高温导体浆料；
通过印刷或喷涂法将导体浆料均匀涂覆在进气道内表面，待干燥后通过烧结工艺制备出导体整体涂层；
最后通过激光刻蚀工艺等微纳加工工艺使导体涂层图案化，获得具有低通高阻特性和低红外发射率的兼容涂层。
第五步：制备红外隐身区低发射率涂层
采用磁控溅射技术在进气道外表面制备低红外发射率的耐高温贵金属薄膜涂层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
在耐高温陶瓷基复合材料吸波承载层和电磁屏蔽层采用简单可靠的一体化成型工艺；实现耐高温进气道的功能分区设计，进气道内表面复合具有周期性图案的耐高温低发射率红外隐身涂层以获得对电磁波的低通高阻特性和低发射率特性，同时进气道外表层复合低红外发射率的耐高温贵金属薄膜以降低红外发射率，最终获得兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道。
本发明所涉及的兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道，具有工作温度高、可设计性强，同时兼容雷达隐身与红外隐身等优点，可解决高超声速飞行器进气道在剧烈气动加热条件下雷达隐身和红外隐身问题。
附图说明
本发明共有7幅附图
图1、图2为本发明兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道及其分区示意图
图3为兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道的功能层示意图；
图4为本发明兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道的横截面图；
图5、图6、图7为本发明低发射率红外隐身涂层结构单元图案示意图：长方形、正方形和三极子图案。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
第一步：制备吸波承载一体化层和电磁屏蔽层
选用吸波型SiC纤维(介电常数实部为14～20)和T300碳纤维(电导率约为50000S/m)按照进气道模型进行编织，采用纤维浸渍裂解工艺(PIP)制备粗坯，待编织件具备足够的强度和韧性后，根据进气道模型外形进行机械加工获得吸波承载一体化层和电磁屏蔽层。
第二步：后期致密化处理及精细机械加工
进行五个周期常规陶瓷先驱体浸渍裂解工艺(PIP)处理，将第一步中获得的产品由开孔结构转化为闭孔结构，待进气道不增重后停止，再进行精确机械加工，使其外形与进气道外形一致。
第三步：制备陶瓷涂层
采用等离子喷涂技术在进气道外表面喷涂莫来石层，厚度0.1mm；
第四步：制备雷达隐身与红外隐身兼容区涂层
以耐高温低发射率铂、石英玻璃粉和糊精为原材料(相对含量为5％:80％:15％)，以去离子水为溶剂，使用机械球磨获得耐高温导体浆料；
通过印刷或喷涂法将导体浆料均匀涂覆在进气道表面，待干燥后通过烧结工艺制备出导体整体涂层，其中厚度约为10μm；
最终通过激光刻蚀工艺使导体涂层图案化，最终获得具有低通高阻特性和低红外发射率的兼容涂层，其中结构单元图案为正方形，正方形单元尺寸为1000μm。
第五步：制备红外隐身区低发射率涂层
采用磁控溅射技术在进气道外表面制备低红外发射率的耐高温贵金属-金-薄膜涂层，镀膜厚度约为100nm。
实施例2：
第一步：制备吸波承载一体化层
以SiN纤维(介电常数实部3～8)作为匹配层(厚度为1.3mm)、SiC纤维(介电常数实部为16～20)作为吸波层(厚度为2.8mm)、T300碳纤维(电导率约为50000S/m)作为电磁屏蔽层(厚度为0.15mm)，按照进气道模型进行一体化编织，采用纤维浸渍裂解工艺(PIP)制备粗坯，待编织件具备足够的强度和韧性后，根据进气道模型外形进行机械加工获得吸波承载一体化层和电磁屏蔽层。
第二步：后期致密化处理及精细机械加工
进行六个周期常规陶瓷先驱体浸渍裂解工艺(PIP)处理，将第二步中获得的产品由开孔结构转化为闭孔结构，待进气道不增重后停止，再进行精确机械加工，使其外形与进气道外形一致。
第三步：制备陶瓷涂层
采用等离子喷涂技术在进气道外表面喷涂玻璃层，厚度0.2mm。
第四步：制备雷达隐身与红外隐身兼容区涂层
以耐高温低发射率金、石英玻璃粉和羧甲基纤维素钠为原材料(相对含量为40％:59.5％:0.5％)，以去离子水为溶剂，使用机械球磨混合均匀获得耐高温导体浆料；
通过印刷或喷涂法将导体浆料均匀涂覆在进气道内表面，待干燥后通过烧结工艺制备出导体整体涂层，其中厚度约为800μm；
最终通过激光刻蚀工艺使导体涂层图案化，最终获得具有低通高阻特性和低红外发射率的兼容涂层，其中结构单元图案为长方形，单元尺寸长宽分别为100μm和10μm。
第五步：制备红外隐身区低发射率涂层
采用磁控溅射技术在进气道外表面制备低红外发射率的耐高温贵金属-铂-薄膜涂层，镀膜厚度约为5nm。
实施例3：
第一步：制备吸波承载一体化层和电磁屏蔽层
选用吸波型SiC纤维(介电常数实部为12～20)和屏蔽型SiC纤维(电导率约为50S/m)按照进气道模型进行编织，采用纤维浸渍裂解工艺(PIP)制备粗坯，待编织件具备足够的强度和韧性后，根据进气道模型外形进行机械加工获得吸波承载一体化层和电磁屏蔽层。
第二步：后期致密化处理及精细机械加工
进行五个周期常规陶瓷先驱体浸渍裂解工艺(PIP)处理，将第一步中获得的产品由开孔结构转化为闭孔结构，待进气道不增重后停止，再进行精确机械加工，使其外形与进气道外形一致。
第三步：制备陶瓷涂层
采用等离子喷涂技术在进气道外表面喷涂莫来石层，厚度0.5mm；
第四步：制备雷达隐身与红外隐身兼容区涂层
以耐高温低发射率钯、石英玻璃粉和糊精为原材料(相对含量为25％:70％:5％)，以去离子水为溶剂，使用机械球磨获得耐高温导体浆料；
通过印刷或喷涂法将导体浆料均匀涂覆在进气道表面，待干燥后通过烧结工艺制备出导体整体涂层，其中厚度约为420μm；
最终通过激光刻蚀工艺使导体涂层图案化，最终获得具有低通高阻特性和低红外发射率的兼容涂层，其中结构单元图案为正方形，正方形单元尺寸为600μm。
第五步：制备红外隐身区低发射率涂层
采用磁控溅射技术在进气道外表面制备低红外发射率的耐高温贵金属-金-薄膜涂层，镀膜厚度约为20nm。
实施例4：
第一步：制备吸波承载一体化层
以Al2O3纤维(介电常数实部4～9)作为匹配层(厚度为2.1mm)、SiC纤维(介电常数实部为16～20)作为吸波层(厚度为2.8mm)、T300碳纤维(电导率约为50000S/m)作为电磁屏蔽层(厚度为0.15mm)，按照进气道模型进行一体化编织，采用纤维浸渍裂解工艺(PIP)制备粗坯，待编织件具备足够的强度和韧性后，根据进气道模型外形进行机械加工获得吸波承载一体化层和电磁屏蔽层。
第二步：后期致密化处理及精细机械加工
进行六个周期常规陶瓷先驱体浸渍裂解工艺(PIP)处理，将第二步中获得的产品由开孔结构转化为闭孔结构，待进气道不增重后停止，再进行精确机械加工，使其外形与进气道外形一致。
第三步：制备陶瓷涂层
采用等离子喷涂技术在进气道外表面喷涂玻璃层，厚度0.4mm。
第四步：制备雷达隐身与红外隐身兼容区涂层
以耐高温低发射率金、石英玻璃粉和羧甲基纤维素钠为原材料(相对含量为40％:59.95％:0.05％)，以去离子水为溶剂，使用机械球磨混合均匀获得耐高温导体浆料；
通过印刷或喷涂法将导体浆料均匀涂覆在进气道内表面，待干燥后通过烧结工艺制备出导体整体涂层，其中厚度约为650μm；
最终通过激光刻蚀工艺使导体涂层图案化，最终获得具有低通高阻特性和低红外发射率的兼容涂层，其中结构单元图案为长方形，单元尺寸长宽分别为500μm和320μm。
第五步：制备红外隐身区低发射率涂层
采用磁控溅射技术在进气道外表面制备低红外发射率的耐高温贵金属-铂-薄膜涂层，镀膜厚度约为25nm。
Claims (10)
1.一种兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道，其特征在于，所述的进气道从内而外包括雷达隐身与红外隐身兼容区涂层(1)、第一陶瓷涂层(2)、吸波承载一体化层(3)、电磁屏蔽层(4)、第二陶瓷涂层(5)和红外隐身区低发射率涂层(6)；
所述雷达隐身与红外隐身兼容区涂层(1)是由导电贵金属与SiO2粘结而成的周期性单元结构图案；
所述第一陶瓷涂层(2)、第二陶瓷涂层(5)由玻璃或莫来石构成；
所述吸波承载一体化层(3)为陶瓷纤维增强的耐高温吸波型陶瓷基材料构成；
所述电磁屏蔽层(4)为具有高电导率的碳纤维或SiC纤维构成；
所述红外隐身区低发射率涂层(6)由贵金属镀膜构成。
2.一种如权利要求1所述的兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道，其特征在于，所述的雷达隐身与红外隐身兼容区涂层(1)的周期性单元结构图案为正方形、长方形、圆形、十字形或三极子中的一种，周期性单元尺寸为10μm～1000μm。
3.一种如权利要求1所述的兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道，其特征在于，所述的雷达隐身与红外隐身兼容区涂层(1)厚度为10μm～800μm。
4.一种如权利要求1所述的兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道，其特征在于，所述的第一陶瓷涂层(2)、第二陶瓷涂层(5)特征厚度为0.1mm～0.5mm。
5.一种如权利要求1所述的兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道，其特征在于，所述的吸波承载一体化层(3)的陶瓷纤维为Al2O3纤维、SiN纤维或SiC纤维中的一种或多种混编/混铺而成，陶瓷基材料为Al2O3陶瓷、SiC陶瓷、SiO2玻璃陶瓷、莫来石或Si3N4陶瓷中的一种。
6.一种如权利要求1所述的兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道，其特征在于，所述的吸波承载一体化层(3)的相对介电常数实部为3～20。
7.一种如权利要求1所述的兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道，其特征在于，所述的电磁屏蔽层(4)的特征电导率大于50S/m。
8.一种如权利要求1所述的兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道，其特征在于，所述的红外隐身区低发射率涂层(6)中贵金属为金、铂或钯，薄膜涂层特征厚度为5nm～100nm。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道的制备方法，其特征在于，按如下步骤制备成型：
第一步：制备吸波承载一体化层(3)和电磁屏蔽层(4)
选用耐高温吸波型陶瓷纤维和电磁屏蔽层纤维按照进气道模型进行编织获得预制体，采用纤维浸渍裂解PIP工艺制备粗坯，待预制件具备足够的强度和韧性后，根据进气道模型外形进行机械加工获得吸波承载一体化层(3)和电磁屏蔽层(4)；
第二步：后期致密化处理及精细机械加工
进行多个周期常规陶瓷先驱体浸渍裂解工艺PIP处理，将第一步中获得的产品由开孔结构转化为闭孔结构，待进气道不增重后停止，再进行精确机械加工，使其外形与进气道外形一致；
第三步：制备第一陶瓷涂层(2)和第二陶瓷涂层(5)
采用等离子喷涂技术在进气道内外表面喷涂玻璃层或莫来石层；
第四步：制备雷达隐身与红外隐身兼容区涂层(1)
以耐高温低发射率贵金属粉、石英玻璃粉和增稠剂为原材料，使用机械球磨混合均匀获得耐高温导体浆料；通过印刷或喷涂法将导体浆料均匀涂覆在进气道内表面，待干燥后通过烧结工艺制备出导体整体涂层；最后通过激光刻蚀工艺等微纳加工工艺使导体涂层图案化，获得具有低通高阻特性和低红外发射率的兼容涂层；
第五步：制备红外隐身区低发射率涂层(6)
采用磁控溅射方法在进气道外表面制备低红外发射率的耐高温贵金属薄膜涂层。
10.一种如权利要求9所述的兼容雷达隐身与红外隐身的耐高温进气道的制备方法，其特征在于，所述的增稠剂为羧甲基纤维素钠或糊精，用高温浆料中贵金属粉的质量百分比含量为5％～40％，羧甲基纤维素钠的质量百分比含量为0.05％～0.5％或糊精的质量百分比含量为5％～15％，剩余为石英玻璃粉。
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