CN112680691B

CN112680691B - 一种基于无序电磁周期结构的高温雷达吸波涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN112680691B
Application number: CN202011546674.3A
Authority: CN
Inventors: 刘海韬; 黄文质; 孙逊; 陈颖超; 甘霞云
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-12-24
Filing date: 2020-12-24
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2040-12-24
Also published as: CN112680691A

Abstract

本发明涉及高温隐身材料领域，具体公开了一种基于无序电磁周期结构的高温雷达吸波涂层，所述高温雷达吸波涂层涂覆于金属基材表面，从金属基材表面开始，从下至上依次包括金属粘结层、第一陶瓷损耗层、第一高温有耗无序电磁周期结构层、第二陶瓷损耗层、第二高温有耗无序电磁周期结构层、第三陶瓷损耗层、第三高温有耗无序电磁周期结构层，高温有耗无序电磁周期结构层为贴片阵列结构，贴片阵列单元为短切线，短切线由高温玻璃粘结相和贵金属导电相组成。本发明的涂层具备优异的结合强度、抗热冲击性能和长时高温稳定性，具有好的常温和高温雷达吸波性能，且常温和高温吸波性能一致；对于不同极化方向的入射波均具有吸收作用，有利于工程化应用。

Description

一种基于无序电磁周期结构的高温雷达吸波涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于高温隐身材料领域，特别涉及一种基于无序电磁周期结构的高温雷达吸波涂层及其制备方法。

背景技术

隐身技术可利用各种手段来改变或降低目标的可探测性，从而提高目标的生存与突防能力。吸波材料是能够衰减入射雷达波，从而具有隐身性能的一类材料。吸波材料主要分为结构型吸波材料和雷达吸波涂层两类，相对于结构型吸波材料，雷达吸波涂层因具有工艺技术简单、对装备结构影响小、成本低等优点，在各种飞行器的表面隐身技术处理方面具有广泛的应用前景。随着武器装备飞行速度的提高以及对飞行器尾向隐身性能的新要求，促使雷达吸波涂层从常温型吸波涂层向高温型吸波涂层发展。

传统的高温雷达吸波涂层主要采用低损耗陶瓷涂层中添加高温雷达吸收剂的技术方案，其主要存在三个方面的问题，1）为了实现雷达吸波性能，通常雷达吸收剂的添加量较多，材料均匀性、可控性差，涂层各组分的热物理性能失配容易导致涂层开裂脱落等问题；2）高温雷达吸收剂的微波介电常数频散特性差，宽频吸波性能不理想，实现既定吸波性能目标的涂层厚度大，又会进一步带来可靠性下降和重量增加问题；3）高温雷达吸收剂电性能随温度变化显著，导致涂层常温与高温环境的吸波性能差异明显，对涂覆装备雷达隐身性能常温检测、鉴定与评估带来很大困难。201711498947.X号中国专利文献公开了一种耐高温雷达红外兼容隐身涂层及其制备方法，该涂层采用贴片电阻型高温周期结构层实现雷达吸波性能，可以较好地解决上述问题，但是采用的高温电阻涂层以低熔点无铅玻璃为粘结相、二硅化钼为导电相，造成耐温性低，高温长时使用二硅化钼易氧化物等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术中提到的不足与缺陷，提供一种基于无序电磁周期结构的高温雷达吸波涂层及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于无序电磁周期结构的高温雷达吸波涂层，所述高温雷达吸波涂层涂覆于金属基材表面，从金属基材表面开始，从下至上依次包括金属粘结层、第一陶瓷损耗层、第一高温有耗无序电磁周期结构层、第二陶瓷损耗层、第二高温有耗无序电磁周期结构层、第三陶瓷损耗层、第三高温有耗无序电磁周期结构层，所述第一、第二、第三高温有耗无序电磁周期结构层为贴片阵列结构形式，贴片阵列单元为短切线，所述短切线由高温玻璃粘结相和贵金属导电相组成。

优选的，上述高温雷达吸波涂层中，所述贴片阵列结构的周期单元尺寸为2~10mm，厚度为0.01~0.03mm，周期单元材料电导率为10⁴~10⁵S/m，所述短切线方向随机分布，所述短切线长度在周期单元长度四分之一至周期单元长度内随机分布，所述短切线宽度在0.3~0.8mm之间。

优选的，上述高温雷达吸波涂层中，所述贵金属导电相为Ag、Pd、Pt、Au中的两种或两种以上合金，所述高温玻璃粘结相原料玻璃粉混合物的软化点温度不低于750℃。

优选的，上述高温雷达吸波涂层中，所述金属粘结层为NiCrAlY涂层、CoCrAlY涂层或CoNiCrAlY涂层，厚度为0.03~0.10mm。

优选的，上述高温雷达吸波涂层中，所述第一、第二、第三陶瓷损耗层为掺有导电陶瓷的8YSZ、Al₂O₃或8YSZ-Al₂O₃涂层，所述导电陶瓷为锰酸锶镧、铁酸锶镧、钴酸锶镧中的一种或几种，导电陶瓷的体积含量不大于20%，各陶瓷损耗层厚度为0.3~0.5mm。

一种上述高温雷达吸波涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）对金属基材表面进行粗化处理；

（2）采用大气等离子喷涂工艺在步骤（1）粗化后的金属基材表面制备金属粘结层；

（3）采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料

涂覆在步骤（2）制备的金属粘结层表面，得到第一陶瓷损耗层；

（4）通过丝网印刷或模板常压喷涂将高温导电涂料涂覆在步骤（3）得到的第一陶瓷损耗层表面，经干燥烧结后，得到第一高温有耗无序电磁周期结构层；

（5）采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料

涂覆在步骤（4）得到的第一高温有耗无序电磁周期结构层表面，得到第二陶瓷损耗层；

（6）通过丝网印刷或模板常压喷涂将高温导电涂料涂覆在步骤（5）得到的第二陶瓷损耗层表面，经干燥烧结后，得到第二高温有耗无序电磁周期结构层；

（7）采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料

涂覆在步骤（6）得到的第二高温有耗无序电磁周期结构层表面，得到第三陶瓷损耗层；

（8）通过丝网印刷或模板常压喷涂将高温导电涂料涂覆在步骤（7）得到的第三陶瓷损耗层表面，经干燥烧结后，得到第三高温有耗无序电磁周期结构层，完成高温雷达吸波涂层的制备。

优选的，上述制备方法中，所述步骤（1）中，粗化处理为：将金属基材置于喷砂机中进行喷砂粗化处理，喷砂粗化工艺参数为：压力控制为0.3~0.5MPa，喷砂距离为80~140mm，砂子粒径为60~120μm，喷砂时间为2~5min；

所述步骤（2）中，大气等离子喷涂工艺参数为：氩气流量为35~50L/min，氢气流量为6~10L/min，电流大小控制为480~550A，功率为30~40kW，送粉氩气流量为1.0~3.0L/min，送粉量为15~35%，喷涂距离为80~150mm；

所述步骤（3）、（5）和（7）中，大气等离子喷涂工艺参数为：控制氩气流量为30~45L/min，氢气流量为8~14L/min，电流大小为500~600A，功率为35~42kW，送粉氩气流量为2.0~5.0L/min，送粉量10~30%，喷涂距离为100~150mm；

所述步骤（4）、（6）和（8）中，干燥烧结工艺参数为：干燥温度为150℃~200℃，干燥时间为0.5~1h；烧结温度为800~950℃，烧结时间为10~60min。

优选的，上述制备方法中，所述陶瓷材料

、

和

为8YSZ、Al₂O₃或8YSZ-Al₂O₃粉末与导电陶瓷粉末复合的类球形喷涂粉末；所述导电陶瓷粉末为锰酸锶镧、铁酸锶镧、钴酸锶镧中的一种或几种；所述类球形喷涂粉末的粒度为100~400目，流动性为40~70s，松装密度为1.1~2g/cm³。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1. 由于无序电磁周期结构的引入，不同尺度短切线的电磁谐振结合陶瓷损耗层的吸收作用，允许电磁周期结构层的电阻率范围在一个数量级间变化，从而可以很好的克服由于材料电性能随温度的本征变化带来的吸波性能变化，常温与高温吸波性能较为一致，温度稳定性高。同时，无序电磁周期结构的引入，可使涂层的吸波性能随入射电磁波方向和极化变化不敏感，对于不同极化方向的入射波均具有吸收作用。

2. 陶瓷层材料和周期结构材料均为耐高温（>1000℃）和长时抗氧化材料体系，使涂层具有非常优异的长时高温稳定性。

3. 本发明的高温雷达吸波涂层厚度薄，力学性能优异。涂层结构简单，可设计性强，各功能层性能可调控。

4. 本发明的高温雷达吸波涂层的制备方法工艺简单，工艺稳定性高，涂层可靠性高，工程化可应用性强。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的高温雷达吸波涂层照片。

图2是本发明实施例1制备的高温雷达吸波涂层常温和900℃条件下反射率曲线图。

图3是本发明实施例1制备的高温雷达吸波涂层900℃条件下垂直入射与30°斜入射的反射率曲线图。

图4是本发明实施例1制备的高温雷达吸波涂层900℃热考核1000h的反射率曲线图。

图5是本发明实施例2制备的高温雷达吸波涂层反射率曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例1

一种基于无序电磁周期结构的高温雷达吸波涂层，该涂层涂覆于金属基材表面，从金属基材表面开始，从下至上，依次包括CoNiCrAlY金属粘结层、第一陶瓷损耗层、第一高温有耗无序电磁周期结构层、第二陶瓷损耗层、第二高温有耗无序电磁周期结构层、第三陶瓷损耗层、第三高温有耗无序电磁周期结构层。以下含量均为在复相陶瓷涂层中的含量，第一陶瓷损耗层为8YSZ-Al₂O₃-锰酸锶镧复相陶瓷，其中Al₂O₃质量含量为5%，掺有体积含量15%的锰酸锶镧；第二陶瓷损耗层为8YSZ-Al₂O₃-锰酸锶镧复相陶瓷，其中Al₂O₃质量含量为10%，掺有体积含量10%的锰酸锶镧；第三陶瓷损耗层为8YSZ-Al₂O₃-锰酸锶镧复相陶瓷，其中Al₂O₃质量含量为15%，掺有体积含量5%的锰酸锶镧。

CoNiCrAlY金属粘结层的厚度为0.05mm，各陶瓷损耗层厚度为0.4mm。各高温有耗无序电磁周期结构层为贴片阵列结构形式，周期单元尺寸为4mm，厚度为0.02mm，周期单元材料电导率为4.9×10⁴S/m，贴片阵列单元为短切线，短切线方向随机分布，短切线长度在1.5~4mm内随机分布，其中短切线宽度为0.7mm。短切线由高温玻璃粘结相和Ag-Pd合金导电相组成，其中高温玻璃粘结相为SiO₂、CaO、ZnO、B₂O₃体系，原料玻璃粉混合物的软化点温度为780℃。

本实施例还提供高温雷达吸波涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）将金属基材置于喷砂机中进行喷砂粗化处理，喷砂粗化工艺参数为：压力控制为0.5MPa，喷砂距离为140mm，砂子粒径为80~120μm，喷砂时间为5min；

（2）采用大气等离子喷涂工艺在步骤（1）粗化后的金属基材表制备CoNiCrAlY金属粘结层，大气等离子喷涂工艺参数为：氩气流量为40L/min，氢气流量为8L/min，电流大小控制为550A，功率为38kW，送粉氩气流量为2.0L/min，送粉量为30%，喷涂距离为120mm；

（3）采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料

涂覆在步骤（2）制备的金属粘结层表面，得到第一陶瓷损耗层，陶瓷材料

为8YSZ-Al₂O₃-锰酸锶镧类球形喷涂粉末，其中Al₂O₃质量含量为5%，锰酸锶镧的体积含量为15%；大气等离子喷涂工艺参数为：控制氩气流量为42L/min，氢气流量为12L/min，电流大小为580A，功率为42kW，送粉氩气流量为3.0L/min，送粉量25%，喷涂距离为120mm；

（4）通过丝网印刷将高温导电涂料涂覆在步骤（3）得到的第一陶瓷损耗层表面，在150℃下干燥1h，然后在900℃烧结10min，得到第一高温有耗无序电磁周期结构层；

（5）采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料

涂覆在步骤（4）得到的第一高温有耗无序电磁周期结构层表面，得到第二陶瓷损耗层；陶瓷材料

为8YSZ-Al₂O₃-锰酸锶镧类球形喷涂粉末，其中Al₂O₃质量含量为10%，锰酸锶镧的体积含量为10%；大气等离子喷涂工艺参数为：控制氩气流量为40L/min，氢气流量为12L/min，电流大小为550A，功率为40kW，送粉氩气流量为3.0L/min，送粉量25%，喷涂距离为120mm；

（6）通过丝网印刷将高温导电涂料涂覆在步骤（5）得到的第二陶瓷损耗层表面，在150℃下干燥1h，然后在900℃下烧结10min，得到第二高温有耗无序电磁周期结构层；

（7）采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料

涂覆在步骤（6）得到的第二高温有耗无序电磁周期结构层表面，得到第三陶瓷损耗层；陶瓷材料

为8YSZ-Al₂O₃-锰酸锶镧类球形喷涂粉末，其中Al₂O₃质量含量为15%，锰酸锶镧的体积含量为5%；大气等离子喷涂工艺参数为：控制氩气流量为40L/min，氢气流量为10L/min，电流大小为550A，功率为38kW，送粉氩气流量为2.0L/min，送粉量20%，喷涂距离为120mm；

（8）通过丝网印刷将高温导电涂料涂覆在步骤（7）得到的第三陶瓷损耗层表面，在150℃下干燥1h，然后在900℃下烧结10min，得到第三高温有耗无序电磁周期结构层，完成高温雷达吸波涂层的制备。

本实施例制备的高温雷达吸波涂层如图1所示。图2为涂层在常温和900℃条件下反射率曲线，其反射率在8～18GHz均低于-4dB，具有优异的常温和高温吸波性能，且常温与高温吸波性能较一致。图3为900℃条件下垂直入射与30°斜入射的反射率曲线对比图，从图中可以看出垂直入射与30°斜入射的反射率曲线基本重合，说明本发明的高温雷达吸波涂层的吸波性能随入射电磁波方向变化不敏感。涂层结合强度大于8MPa，力学性能优异。对涂层进行热考核，将涂层在900℃保温10h后空冷，累计考核1000h，考核前后的常温反射率曲线如图4所示，热考核后吸波性能基本不变，涂层具有非常优异的长时高温稳定性。

实施例2

一种基于无序电磁周期结构的高温雷达吸波涂层，该涂层涂覆于金属基材表面，从金属基材表面开始，从下至上，依次包括NiCrAlY金属粘结层、第一陶瓷损耗层、第一高温有耗无序电磁周期结构层、第二陶瓷损耗层、第二高温有耗无序电磁周期结构层、第三陶瓷损耗层、第三高温有耗无序电磁周期结构层。以下含量均为在复相陶瓷涂层中的含量，第一陶瓷损耗层为8YSZ-钴酸锶镧复相陶瓷，其中钴酸锶镧的体积含量为16%；第二陶瓷损耗层为8YSZ-钴酸锶镧复相陶瓷，其中钴酸锶镧的体积含量为8%；第三陶瓷损耗层为8YSZ-钴酸锶镧复相陶瓷，其中钴酸锶镧的体积含量为5%。

NiCrAlY金属粘结层的厚度为0.08mm，各陶瓷损耗层厚度为0.4mm。各高温有耗无序电磁周期结构层为贴片阵列结构形式，周期单元尺寸为3.2mm，厚度为0.03mm，周期单元材料电导率为4.1×10⁴S/m，贴片阵列单元为短切线，短切线方向随机分布，短切线长度在1.5~3.2mm内随机分布，其中短切线宽度为0.6mm。短切线由高温玻璃粘结相和Ag-Pd-Pt合金导电相组成，其中高温玻璃粘结相为SiO₂、CaO、ZnO、B₂O₃体系，原料玻璃粉混合物的软化点温度为780℃。

（2）采用大气等离子喷涂工艺在步骤（1）粗化后的金属基材表制备NiCrAlY金属粘结层，大气等离子喷涂工艺参数为：氩气流量为40L/min，氢气流量为8L/min，电流大小控制为550A，功率为38kW，送粉氩气流量为2.0L/min，送粉量为30%，喷涂距离为120mm；

（3）采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料

为8YSZ-钴酸锶镧类球形喷涂粉末钴酸锶镧的体积含量为16%；大气等离子喷涂工艺参数为：控制氩气流量为38L/min，氢气流量为10L/min，电流大小为550A，功率为38kW，送粉氩气流量为3.5L/min，送粉量20%，喷涂距离为120mm；

（4）采用模板常压喷涂将高温导电涂料涂覆在步骤（3）得到的第一陶瓷损耗层表面，在150℃下干燥1h，然后在850℃烧结30min，得到第一高温有耗无序电磁周期结构层；

（5）采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料

为8YSZ -钴酸锶镧类球形喷涂粉末，其中钴酸锶镧的体积含量为8%；大气等离子喷涂工艺参数为：控制氩气流量为40L/min，氢气流量为10L/min，电流大小为580A，功率为40kW，送粉氩气流量为3.0L/min，送粉量25%，喷涂距离为120mm；

（6）采用模板常压喷涂将高温导电涂料涂覆在步骤（5）得到的第二陶瓷损耗层表面，在150℃下干燥1h，然后在850℃下烧结30min，得到第二高温有耗无序电磁周期结构层；

（7）采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料

为8YSZ-钴酸锶镧类球形喷涂粉末，其中钴酸锶镧的体积含量为5%；大气等离子喷涂工艺参数为：控制氩气流量为40L/min，氢气流量为12L/min，电流大小为580A，功率为42kW，送粉氩气流量为2.0L/min，送粉量20%，喷涂距离为120mm；

（8）采用模板常压喷涂将高温导电涂料涂覆在步骤（7）得到的第三陶瓷损耗层表面，在150℃下干燥1h，然后在850℃下烧结30min，得到第三高温有耗无序电磁周期结构层，完成高温雷达吸波涂层的制备。

本实施例制备的高温雷达吸波涂层反射率如图5所示，其反射率在8~18GHz基本均低于-4dB，具有优异的吸波性能。涂层结合强度大于8MPa，力学性能优异。对涂层进行热考核，将涂层在1100℃累积保温30h后吸波性能基本不变，涂层具有非常优异的长时高温稳定性。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims

1.一种基于无序电磁周期结构的高温雷达吸波涂层，所述高温雷达吸波涂层涂覆于金属基材表面，其特征在于，从金属基材表面开始，从下至上依次包括金属粘结层、第一陶瓷损耗层、第一高温有耗无序电磁周期结构层、第二陶瓷损耗层、第二高温有耗无序电磁周期结构层、第三陶瓷损耗层、第三高温有耗无序电磁周期结构层，所述第一、第二、第三高温有耗无序电磁周期结构层为贴片阵列结构形式，贴片阵列单元为短切线，所述短切线由高温玻璃粘结相和贵金属导电相组成；所述贴片阵列结构的周期单元尺寸为2～10mm，厚度为0.01～0.03mm，周期单元材料电导率为10⁴～10⁵S/m，所述短切线方向随机分布，所述短切线长度在周期单元长度四分之一至单元长度内随机分布，所述短切线宽度在0.3～0.8mm之间；所述第一、第二、第三陶瓷损耗层为掺有导电陶瓷的8YSZ、Al₂O₃或8YSZ-Al₂O₃涂层，导电陶瓷的体积含量不大于20％，各陶瓷损耗层厚度为0.3～0.5mm。

2.根据权利要求1所述的高温雷达吸波涂层，其特征在于，所述贵金属导电相为Ag、Pd、Pt、Au中的两种或两种以上合金，所述高温玻璃粘结相原料玻璃粉混合物的软化点温度不低于750℃。

3.根据权利要求1所述的高温雷达吸波涂层，其特征在于，所述金属粘结层为NiCrAlY涂层、CoCrAlY涂层或CoNiCrAlY涂层，厚度为0.03～0.10mm。

4.根据权利要求1所述的高温雷达吸波涂层，其特征在于，所述导电陶瓷为锰酸锶镧、铁酸锶镧、钴酸锶镧中的一种或几种。

5.一种如权利要求1～4任一项所述高温雷达吸波涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对金属基材表面进行粗化处理；

(2)采用大气等离子喷涂工艺在步骤(1)粗化后的金属基材表面制备金属粘结层；

(3)采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料I涂覆在步骤(2)制备的金属粘结层表面，得到第一陶瓷损耗层；

(4)通过丝网印刷或模板常压喷涂将高温导电涂料涂覆在步骤(3)得到的第一陶瓷损耗层表面，经干燥烧结后，得到第一高温有耗无序电磁周期结构层；

(5)采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料II涂覆在步骤(4)得到的第一高温有耗无序电磁周期结构层表面，得到第二陶瓷损耗层；

(6)通过丝网印刷或模板常压喷涂将高温导电涂料涂覆在步骤(5)得到的第二陶瓷损耗层表面，经干燥烧结后，得到第二高温有耗无序电磁周期结构层；

(7)采用大气等离子喷涂工艺将陶瓷材料III涂覆在步骤(6)得到的第二高温有耗无序电磁周期结构层表面，得到第三陶瓷损耗层；

(8)通过丝网印刷或模板常压喷涂将高温导电涂料涂覆在步骤(7)得到的第三陶瓷损耗层表面，经干燥烧结后，得到第三高温有耗无序电磁周期结构层，完成高温雷达吸波涂层的制备。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，粗化处理为：将金属基材置于喷砂机中进行喷砂粗化处理，喷砂粗化工艺参数为：压力控制为0.3～0.5MPa，喷砂距离为80～140mm，砂子粒径为60～120μm，喷砂时间为2～5min；

所述步骤(2)中，大气等离子喷涂工艺参数为：氩气流量为35～50L/min，氢气流量为6～10L/min，电流大小控制为480～550A，功率为30～40kW，送粉氩气流量为1.0～3.0L/min，送粉量为15～35％，喷涂距离为80～150mm；

所述步骤(3)、(5)和(7)中，大气等离子喷涂工艺参数为：控制氩气流量为30～45L/min，氢气流量为8～14L/min，电流大小为500～600A，功率为35～42kW，送粉氩气流量为2.0～5.0L/min，送粉量10～30％，喷涂距离为100～150mm；

所述步骤(4)、(6)和(8)中，干燥烧结工艺参数为：干燥温度为150℃～200℃，干燥时间为0.5～1h；烧结温度为800～950℃，烧结时间为10～60min。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷材料I、II和III为8YSZ、Al₂O₃或8YSZ-Al₂O₃粉末与导电陶瓷粉末复合的类球形喷涂粉末；所述导电陶瓷粉末为锰酸锶镧、铁酸锶镧、钴酸锶镧中的一种或几种；所述类球形喷涂粉末的粒度为100～400目，流动性为40～70s，松装密度为1.1～2g/cm³。