CN112029376A - 一种高性能雷达复合吸波涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及吸波材料技术领域，特别涉及一种高性能雷达复合吸波涂层材料及其制备方法。其中，涂层结构为两层吸波涂层或三层吸波涂层；两层吸波涂层由内向外依次为底层和表层；三层吸波涂层由内向外依次为底层、中层和表层；每层涂层均包括以下组分：环氧树脂，有机溶剂，吸波剂和固化剂；当为两层吸波涂层时，底层的吸波剂为磁损耗型，表层的吸波剂为电损耗型，底层和表层厚度比例为3‑3.5:1；当为三层吸波涂层时，底层和表层的吸波剂均为电损耗型，中层的吸波剂为磁损耗型，底层、中层和表层厚度比例为1:(1.6‑1.7):1。通过设置两层或三层涂层结构，不同涂层选用不同类型吸波材料，以使其吸波性能高于单层涂层，具备轻质、高效吸波、宽频吸波的优点。

Description

一种高性能雷达复合吸波涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及吸波材料技术领域，特别涉及一种高性能雷达复合吸波涂层材料及其制备方法。
背景技术
随着信息技术的高速发展和战争环境的瞬息万变，隐身技术的出现对现代武器装备产生了深远影响，电磁辐射与武器装备的隐蔽性问题受到了高度关注，隐身技术是新世纪信息电子化战争中捕获信息，目标探测的主要手段，是有关国家乃至人类生活的环境与健康安全问题。
现代雷达隐身技术中，主要通过以下手段降低雷达回波强度，即减小雷达散射截面积(Radar Cross Section，简称RCS)：一是对作战武器装备如飞机、坦克、舰艇等外部形状进行改进，通过减少目标反射的雷达信号来减弱其雷达回波强度；二是武器装备表面采用雷达吸波材料，通过吸波材料吸收、衰减、转化雷达波而达到隐身的性能。外形改进包括目标外形、尺寸等因素，改造难度大且成本较高，容易增加附加质量从而降低其综合性能，强度与外形设计通常不能同时满足需求，雷达吸波材料刚好可以弥补这一不足。
雷达吸波材料分为结构吸收材料和涂层吸收材料，结构吸波材料多为导电纤维材料，质轻、吸收强，但设计成本高；而涂层吸波材料制作方法简单、施工方便、可设计选择性强且成本较低。传统的单一吸波涂层材料的密度过大，阻抗匹配性差，有效吸收频宽窄，新型吸波材料的出现改善了密度大的不足。如公开号为CN110423535A，公开日为2019年11月8日，名称为《一种超薄碳纳米管吸波涂层材料的制备方法》的专利文件公开了通过混合强酸联合强氧化剂的方法对碳纳米管进行表面强氧化处理，制备出拥有“毛绒状”特殊表面形貌的改性碳纳米管，选择不同的高分子材料作为基体，通过调节吸收剂含量与高分子材料的比例关系，获得超薄的碳纳米管吸波涂层材料。解决了目前吸波涂层材料密度过大的缺点，但在拓宽有效吸波频宽方面并无明显进步，吸波性能较弱，不能满足隐身材料高性能的综合要求。
发明内容
为解决背景技术中提到的现有的单一类型吸波材料的吸波损耗性能差的问题，本发明提供一种高性能雷达复合吸波涂层材料，其中，涂层结构为两层吸波涂层或三层吸波涂层；所述两层吸波涂层由内向外依次为底层和表层；所述三层吸波涂层由内向外依次为底层、中层和表层；
每层涂层均包括以下组分：环氧树脂，甲苯与醇复配有机溶剂，吸波剂和含多个酰胺基团固化剂；
当所述涂层结构为两层吸波涂层时，所述底层的吸波剂为磁损耗型吸波材料，所述表层的吸波剂为电损耗型吸波材料，所述底层厚度和表层厚度比例为3-3.5:1；
当所述涂层结构为三层吸波涂层时，所述底层和所述表层的吸波剂均为电损耗型吸波材料，所述中层的吸波剂为磁损耗型吸波材料，所述底层厚度、中层厚度和表层厚度比例为1:(1.6-1.7):1。
进一步地，所述磁损耗型吸波材料为铁氧体，所述电损耗型吸波材料为石墨烯；石墨烯作为纳米材料可在涂层中形成丰富的导电网络，增加涂层的电磁损耗、提高吸波性能；铁氧体具有磁性能与介电性能，具有良好的吸波性能，但单一铁氧体的吸波材料因自身密度过大而影响其发挥性能，纳米级石墨烯的加入会迅速降低复合材料的密度，最大反射损耗也逐渐向低频波段移动。
进一步地，所述铁氧体经表面处理，其处理方法包括以下步骤:
步骤a、将铁氧体粉体与水、球磨珠按质量比为1:1-3:0.5-2混合后，放入球磨罐内，以300-600r/min的转速匀速湿法球磨2-3h，取出后干燥，得到粒径均匀的铁氧体粉体；
步骤b、将偶联剂按照质量比1％-20％的比例倒入稀释剂中获得偶联剂分散液，所述偶联剂分散液与步骤a获得的铁氧体粉体按质量比4-8:5混合，在700-1000r/min下持续搅拌40-60min，干燥后过筛得到界面改性的铁氧体粉体。
本发明通过对铁氧体进行表面处理，利用界面偶极增强介电损耗，改善其界面阻抗匹配，提升其电磁波吸收性能，同时增强电磁波吸收体的力学性能和热力学稳定性。
进一步地，所述偶联剂为KH-550、KH-570、KH-792等中的一种或几种；所述稀释剂为异丙醇、甲苯、丙酮等中的一种或几种。
进一步地，当涂层结构为两层吸波涂层时，按重量份计，所述底层包括环氧树脂80-120份，甲苯与醇复配有机溶剂30-50份，吸波剂60-80份和含多个酰胺基团固化剂4-8份；
所述表层包括环氧树脂80-120份，甲苯与醇复配有机溶剂30-50份，吸波剂0.5-3份和含多个酰胺基团固化剂4-8份。
进一步地，当涂层结构为三层吸波涂层时，按重量份计，所述底层包括环氧树脂80-120份，甲苯与醇复配有机溶剂30-50份，吸波剂0.5-3份和含多个酰胺基团固化剂4-8份；
所述中层包括环氧树脂80-120份，甲苯与醇复配有机溶剂30-50份，吸波剂60-80份和含多个酰胺基团固化剂4-8份；
所述表层包括环氧树脂80-120份，甲苯与醇复配有机溶剂30-50份，吸波剂0.5-3份和含多个酰胺基团固化剂4-8份。
虽然增加每层涂层的吸波剂的含量，其吸波反射损耗曲线的峰值所对应的频率逐渐由高频向低频方向移动，考虑到涂层的密度、厚度等问题，会直接影响涂层的吸波性能，如石墨烯含量过多材料内部产生过度导电现场形造成连续传导电流，使得电磁波反射性能增加，影响吸波性能，同时石墨烯含量的增多其分散性也会有一定的影响导致吸波性能下降，因此石墨烯和铁氧体的含量需控制在一定范围内，以提高电磁波吸收性能，进而可以拓宽吸波带宽。
进一步地，当涂层结构为两层吸波涂层时，其中底层厚度为1.8-2.2mm，表层厚度为0.55-0.7mm。
进一步地，当涂层结构为三层吸波涂层时，其中底层厚度为0.5-0.7mm，中层厚度为0.8-1.2mm，表层厚度为0.5-0.7mm。
各涂层的厚度设置在如上所述的范围内可获得高效吸波效果，涂层厚度过大反而降低了整个体系的吸波性能。
进一步地，所述甲苯与醇复配有机溶剂为二甲苯与正丁醇按质量比7:3混合制得。
进一步地，所述含多个酰胺基团固化剂为聚酰胺，但不局限聚酰胺，还可以选用现有的常见的含多个酰胺基团固化剂。
本发明还提供如上任意所述的高性能雷达复合吸波涂层材料的制备方法，其中包括以下制备步骤：
步骤一、制备各涂层涂料：按配方比例，将环氧树脂置于反应容器中搅拌，接着加入甲苯与醇复配有机溶剂进行分散，之后加入吸波剂进行高速搅拌后再进行超声波振荡，最后加入含多个酰胺基团固化剂搅拌，即可得到涂料；
步骤二、将各层涂料，按顺序刷涂至待涂金属板上，经过一天常温固化后得到高性能雷达复合吸波涂层材料。
进一步地，还包括待涂金属板的预处理：先采用250-350目的砂纸对待涂金属板的刷涂面进行打磨以使其处于不光滑的状态，然后采用二甲苯除去刷涂面的污渍。
本发明提供的高性能雷达复合吸波涂层材料，与现有技术相比，具有以下技术原理和技术效果：
1、通过电阻型损耗材料和磁损耗材料两种吸收剂的混合可增强与自由空间的阻抗匹配性，从而增加微波吸收效能；通过不同损耗机制相互协同来改变吸收剂的相对磁导率和相对介电常数，较大程度上增加微波损耗能力；
2、通过设置两层或三层涂层结构，不同涂层选用不同类型的吸波材料，以使其吸波性能高于单层涂层，克服了现有的单一类型吸波材料的吸波损耗性能差的问题，具备轻质、高效吸波、宽频吸波的优点。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供如下实施例和对比例：
实施例1
涂层结构为两层吸波涂层，按重量份计，底层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，铁氧体70份和含多个酰胺基团固化剂5份；
表层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
其中，底层厚度为2mm，表层厚度为0.6mm。
实施例2
涂层结构为三层吸波涂层，按重量份计，底层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
中层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，铁氧体70份和含多个酰胺基团固化剂5份；
表层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
其中，底层厚度为0.6mm，中层厚度为1.0mm，表层厚度为0.6mm。
实施例3
涂层结构为两层吸波涂层，按重量份计，底层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，铁氧体70份和含多个酰胺基团固化剂5份；
表层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
其中，底层厚度为2mm，表层厚度为0.6mm；
铁氧体需经表面处理，其处理方法包括以下步骤:
步骤a、将铁氧体粉体与水、球磨珠按质量比为1:2:1.5混合后，放入球磨罐内，以500r/min的转速匀速湿法球磨2.5h，取出后干燥，得到粒径均匀的铁氧体粉体；
步骤b、将KH-570按照质量比15％的比例倒入异丙醇中获得偶联剂分散液，所述偶联剂分散液与步骤a获得的铁氧体粉体按质量比5:5混合，在900r/min下持续搅拌50min，干燥后过筛得到界面改性的铁氧体粉体。
实施例4
涂层结构为三层吸波涂层，按重量份计，底层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
中层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，铁氧体70份和含多个酰胺基团固化剂5份；
表层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
其中，底层厚度为0.6mm，中层厚度为1.0mm，表层厚度为0.6m；
铁氧体需经表面处理，其处理方法包括以下步骤:
步骤a、将铁氧体粉体与水、球磨珠按质量比为1:2.5:1混合后，放入球磨罐内，以500r/min的转速匀速湿法球磨2.5h，取出后干燥，得到粒径均匀的铁氧体粉体；
步骤b、将KH-792按照质量比20％的比例倒入丙酮中获得偶联剂分散液，所述偶联剂分散液与步骤a获得的铁氧体粉体按质量比6:5混合，在900r/min下持续搅拌50min，干燥后过筛得到界面改性的铁氧体粉体。
对比例1
涂层结构为两层吸波涂层，按重量份计，底层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
表层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，铁氧体70份和含多个酰胺基团固化剂5份；
其中，底层厚度为0.6mm，表层厚度为2mm。
对比例2
涂层结构为三层吸波涂层，按重量份计，底层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，铁氧体70份和含多个酰胺基团固化剂5份；
中层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
表层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，铁氧体70份和含多个酰胺基团固化剂5份；
其中，底层厚度为1.0mm，中层厚度为0.6mm，表层厚度为1.0mm。
对比例3
涂层结构为四层吸波涂层，按重量份计，底层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，铁氧体60份和含多个酰胺基团固化剂5份；
第一中间层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
第二中间层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，铁氧体60份和含多个酰胺基团固化剂5份；
表层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
其中，底层厚度为0.8mm，第一中间层厚度为0.6mm，第二中间层厚度为0.8mm，表层厚度为0.6mm。
对比例4
其涂层结构和各涂层配方与实施例1一致，其中底层厚度为1mm，表层厚度为1.2mm。
对比例5
其涂层结构和各涂层配方与实施例2一致，其中底层厚度为0.6mm，中层厚度为2.0mm，表层厚度为0.6mm。
对比例6
涂层结构为单层吸波涂层，按重量份计，该涂层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，铁氧体70份和含多个酰胺基团固化剂5份；
其中，涂层厚度为2mm。
对比例7
涂层结构为单层吸波涂层，按重量份计，该涂层包括环氧树脂100份，甲苯与醇复配有机溶剂40份，石墨烯1份和含多个酰胺基团固化剂5份；
其中，涂层厚度为2mm。
上述实施例和对比例中的甲苯与醇复配有机溶剂为二甲苯与正丁醇按质量比7:3混合制得；含多个酰胺基团固化剂为聚酰胺。
本发明还提供上述实施例和对比例的高性能雷达复合吸波涂层材料的制备方法，其中包括以下制备步骤：
步骤一、制备各涂层涂料：按配方比例，将环氧树脂置于反应容器中搅拌5min，接着加入甲苯与醇复配有机溶剂经过高速分散搅拌器均匀搅拌半小时，之后加入吸波剂以2000r/min的转速高速搅拌30min后再进行超声波振荡30min，最后加入含多个酰胺基团固化剂搅拌5min，即可得到涂料；
步骤二、将各层涂料，按顺序刷涂至已预处理过的待测金属样板上，经过一天常温固化后得到高性能雷达复合吸波涂层材料；
其中，待测金属样板的预处理方法为：先采用300目的砂纸对待测金属样板的测试面进行打磨以使其处于不光滑的状态，然后采用二甲苯除去刷涂面的污渍。
采用弓形测量对实施例和对比例的得到的涂层材料的吸波性能进行测试，测试结果如表1所示，
表1
Figure BDA0002638676120000101
从测试结果可以看出，本发明提供的高性能雷达复合吸波涂层材料，通过设置两层或三层涂层结构，不同涂层选用不同类型的吸波材料，以使其吸波性能高于单层涂层，克服了现有的单一类型吸波材料的吸波损耗性能差的问题，具备轻质、高效吸波、宽频吸波的优点。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高性能雷达复合吸波涂层材料，其特征在于：涂层结构为两层吸波涂层或三层吸波涂层；所述两层吸波涂层由内向外依次为底层和表层；所述三层吸波涂层由内向外依次为底层、中层和表层；
每层涂层均包括以下组分：环氧树脂，甲苯与醇复配有机溶剂，吸波剂和含多个酰胺基团固化剂；
当所述涂层结构为两层吸波涂层时，所述底层的吸波剂为磁损耗型吸波材料，所述表层的吸波剂为电损耗型吸波材料，所述底层厚度和表层厚度比例为3-3.5:1；
当所述涂层结构为三层吸波涂层时，所述底层和所述表层的吸波剂均为电损耗型吸波材料，所述中层的吸波剂为磁损耗型吸波材料，所述底层厚度、中层厚度和表层厚度比例为1:(1.6-1.7):1。
2.根据权利要求1所述的高性能雷达复合吸波涂层材料，其特征在于：所述磁损耗型吸波材料为铁氧体，所述电损耗型吸波材料为石墨烯。
3.根据权利要求1所述的高性能雷达复合吸波涂层材料，其特征在于：
当涂层结构为两层吸波涂层时，按重量份计，所述底层包括环氧树脂80-120份，甲苯与醇复配有机溶剂30-50份，吸波剂60-80份和含多个酰胺基团固化剂4-8份；
所述表层包括环氧树脂80-120份，甲苯与醇复配有机溶剂30-50份，吸波剂0.5-3份和含多个酰胺基团固化剂4-8份。
4.根据权利要求1所述的高性能雷达复合吸波涂层材料，其特征在于：
当涂层结构为三层吸波涂层时，按重量份计，所述底层包括环氧树脂80-120份，甲苯与醇复配有机溶剂30-50份，吸波剂0.5-3份和含多个酰胺基团固化剂4-8份；
所述中层包括环氧树脂80-120份，甲苯与醇复配有机溶剂30-50份，吸波剂60-80份和含多个酰胺基团固化剂4-8份；
所述表层包括环氧树脂80-120份，甲苯与醇复配有机溶剂30-50份，吸波剂0.5-3份和含多个酰胺基团固化剂4-8份。
5.根据权利要求1所述的高性能雷达复合吸波涂层材料，其特征在于：当涂层结构为两层吸波涂层时，其中底层厚度为1.8-2.2mm，表层厚度为0.55-0.7mm。
6.根据权利要求1所述的高性能雷达复合吸波涂层材料，其特征在于：当涂层结构为三层吸波涂层时，其中底层厚度为0.5-0.7mm，中层厚度为0.8-1.2mm，表层厚度为0.5-0.7mm。
7.根据权利要求1所述的高性能雷达复合吸波涂层材料，其特征在于：所述甲苯与醇复配有机溶剂为二甲苯与正丁醇按质量比7:3混合制得。
8.根据权利要求1所述的高性能雷达复合吸波涂层材料，其特征在于：所述含多个酰胺基团固化剂为聚酰胺。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的高性能雷达复合吸波涂层材料的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
步骤一、制备各涂层涂料：按配方比例，将环氧树脂置于反应容器中搅拌，接着加入甲苯与醇复配有机溶剂进行分散，之后加入吸波剂进行高速搅拌后再进行超声波振荡，最后加入含多个酰胺基团固化剂搅拌，即可得到涂料；
步骤二、将各层涂料，按顺序刷涂至待涂金属板上，经过一天常温固化后得到高性能雷达复合吸波涂层材料。
10.根据权利要求9所述的高性能雷达复合吸波涂层材料的制备方法，其特征在于：还包括待涂金属板的预处理：先采用250-350目的砂纸对待涂金属板的刷涂面进行打磨以使其处于不光滑的状态，然后采用二甲苯除去刷涂面的污渍。
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