CN113135775A - 超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料及制备方法，该隐身材料为层状结构，自下而上依次包括：基底、粘接层、雷达吸波层和红外低发射率层；雷达吸波层由复合吸收剂基陶瓷材料喷涂而成；复合吸收剂由La1‑xSrxMnO3与钇掺杂的YSZ组成，La1‑xSrxMnO3的质量分数为10～30％，其中x＝0.1～0.4；红外低发射率层由钇掺杂的YSZ基陶瓷材料喷涂而成。该隐身材料在≥1400℃的温度下的工作时间不低于20min，经1400℃热循环后涂层不脱落，在8～18GHz频段内雷达反射率≤‑3dB、3～5μm红外发射率≤0.4。该制备方法工艺简单，制备获得的隐身材料在超高温条件下对电磁散射与红外辐射兼容抑制。

Description

超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料及制备方法
技术领域
本发明涉及高速飞行器技术领域，尤其是一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料及制备方法。
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，隐身探测技术的出现对现代武器装备产生了深远影响，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。根据不同的作战条件与探测手段，隐身探测技术可分为雷达、红外、声波隐身等。通过降低雷达回波强度、红外辐射信号、噪音等方式，可达到隐身的目的，而雷达远程探测是最有效的发现手段。
由于高温部位红外辐射特征和雷达散射特征不断增加，新一代高速飞行器面临着严峻的红外探测和雷达制导的攻击威胁，严重影响了其在未来战场中高效突防和生存能力。而目前的高温吸波材料和红外隐身材料的使用温度均不高于1200℃，无法满足超高温下(1400℃以上)电磁散射与红外辐射兼容抑制的需求。
发明内容
本发明提供一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料及制备方法，用于克服现有技术中无法满足超高温下电磁散射与红外辐射兼容抑制的需求等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料，所述隐身材料为层状结构，自下而上依次包括：基底、粘接层、雷达吸波层和红外低发射率层；
所述雷达吸波层由复合吸收剂基陶瓷材料喷涂而成；所述复合吸收剂由La1- xSrxMnO3与钇掺杂的YSZ组成，La1-xSrxMnO3的质量分数为10～30％，其中x＝0.1～0.4；
所述红外低发射率层由钇掺杂的YSZ基陶瓷材料喷涂而成。
为实现上述目的，本发明还提出一种如上述所述的隐身材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：选取基底，并对基底进行预处理；
S2：根据基底选取粘接层材料，喷涂，在基底上形成粘接层；
S3：按质量比(10～30):(70～90)称取La1-xSrxMnO3与钇掺杂的YSZ，通过离心喷雾干燥进行造粒，利用等离子喷涂在粘接层上形成雷达吸波层；
S4：称取钇掺杂的YSZ粉体，通过离心喷雾干燥进行造粒，利用等离子喷涂在雷达吸波层上形成红外低发射率层，得到隐身材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提供的超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料为层状结构，自下而上依次包括：基底、粘接层、雷达吸波层和红外低发射率层；雷达吸波层由复合吸收剂基陶瓷材料喷涂而成；复合吸收剂由La1-xSrxMnO3与钇掺杂的YSZ组成，La1-xSrxMnO3的质量分数为10～30％，其中x＝0.1～0.4；红外低发射率层由钇掺杂的YSZ基陶瓷材料喷涂而成。该隐身材料在≥1400℃的温度下的工作时间不低于20min，经1400℃热循环后涂层不脱落，在8～18GHz频段内雷达反射率≤-3dB、3～5μm红外发射率≤0.4。
La1-xSrxMnO3具有钙钛矿结构，为对锰酸镧(LaMnO3)的A位(La3+所在位置)进行Sr掺杂后的产物，即Sr2+替代部分La3+，为了保持电中性，部分Mn3+变价为Mn4+。两种价态的Mn离子通过O2+耦合产生双交换(DE)作用；同时，LaMnO3的晶格结构也会因掺杂离子尺寸不匹配而发生畸变，畸变伴随有Jahn-Teller(JT)效应。JT效应通常使得Mn-O-Mn键发生弯曲从而减弱双交换作用。而JT效应和双交换作用的竞争造成了金属-绝缘体转变。在一定范围内增加Sr掺杂量有利于双交换作用，使La1-xSrxMnO3向金属态转变，而温度升高则更有利于JT效应，使La1-xSrxMnO3向绝缘态转变，在JT效应和DE作用的共同影响下，La1-xSrxMnO3的电阻率往往存在最大值。本发明通过选择合适的Sr掺杂量来调节雷达吸波层的电阻，从而有效提高雷达吸波层的吸波效果。
雷达吸波层的吸波性能主要取决于复合吸收剂的电磁参数(复介电常数和复磁导率)，本发明通过调控复合吸收剂中La1-xSrxMnO3与钇掺杂的YSZ的比例关系来控制雷达吸波层的电磁参数，从而使得雷达吸波层的雷达反射率在8～18GHz范围内≤-3dB。
红外低发射率层中钇掺杂的YSZ粉体电导率升高时，其折射系数也会随之变大，继而YSZ粉体的反射率也会升高，而相对应的红外发射率就会降低，从而使得红外低发射率层的红外功能效果有明显的提高。而YSZ粉体的电导率通过钇的掺杂量来进行调控，在一定范围内随着钇的掺杂量增加，YSZ粉体电导率升高，则红外低发射率层的红外发射率降低。
粘接层的作用在于调控雷达吸波层与基底的界面应力，使得隐身材料在高温服役环境下不易发生涂层脱落。
2、本发明提供的制备方法主要包括造粒和喷涂，其中通过离心喷雾干燥进行造粒，可通过离心喷雾干燥的工艺条件控制来控制得到的颗粒粒径在25～100μm范围内，以利于等离子喷涂。再利用等离子喷涂在粘接层上形成雷达吸波层，等离子喷涂时形成的片层交错分布，相互之间不能完全相互覆盖，而且部分原料颗粒不能在等离子焰体中熔化，冲击到基底上时仍为固体，加大了相互之间填充孔隙的难度，因而涂层中存在相当数量的孔隙，可增强涂层的隔热性能。本发明提供的制备方法工艺简单，制备获得的隐身材料在超高温条件下对电磁散射与红外辐射兼容抑制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料的结构图；
图2为本发明某个实施例中提供的超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料的结构图；
图3为实施例1～3中隐身材料中雷达吸波层的高温电导率测量图谱；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
本发明提出一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料，如图1所示，该隐身材料为层状结构，自下而上依次包括：基底、粘接层、雷达吸波层和红外低发射率层；
雷达吸波层由复合吸收剂基陶瓷材料喷涂而成；所述复合吸收剂由La1-xSrxMnO3与钇掺杂的YSZ组成，La1-xSrxMnO3的质量分数为10～30％，其中x＝0.1～0.4；
红外低发射率层由钇掺杂的YSZ基陶瓷材料喷涂而成。
钇掺杂的YSZ，即为[ZrO2]a·[Y2O3]b，a表示的ZrO2质量百分比，b表示钇的掺杂量，a+b＝100％。
优选地，所述钇掺杂的YSZ中钇的掺杂量为3～8％。
钇的掺杂量为3％时，记为3YSZ，[ZrO2]0.97·[Y2O3]0.03。
钇的掺杂量为5％时，记为5YSZ，[ZrO2]0.95·[Y2O3]0.05。
钇的掺杂量为7％时，记为7YSZ，[ZrO2]0.93·[Y2O3]0.07。
钇的掺杂量为8％时，记为8YSZ，[ZrO2]0.92·[Y2O3]0.08。
在钇的掺杂量为3～7％时，YSZ的稳定性随着钇掺杂量的增加而明显地提高，而且当钇掺杂量为7～8％时，YSZ在高温下可保持相结构稳定。
此外，YSZ粉体的电导率通过钇的掺杂量来进行调控，在一定范围内随着钇的掺杂量增加，YSZ粉体电导率升高，则红外低发射率层的红外发射率降低。
优选地，所述雷达吸波层的厚度为0.7～0.9mm；所述红外低发射率层的厚度为0.15～0.25mm；所述粘接层的厚度为0.08～0.12mm。涂层太薄，达不到预期的效果；太厚，易发生脱落。
优选地，所述基底为Cf/SiC复合材料(C纤维增强SiC陶瓷基复合材料)，所述粘接层为Si粘结层。根据基底材料选择合适的粘接层，使得雷达吸波层与基底结合更牢固。
优选地，所述基底为合金，所述粘接层为金属粘结层；
所述金属粘结层以镍钴铬铝钇金属粉末为原料，通过等离子喷涂制备而成。
镍钴铬铝钇金属粉末，是指以镍为基，含钴、铬、铝和钇元素的抗高温热腐蚀金属粉末。
一般通过等离子喷涂的次数控制金属粘结层的厚度，金属粘结层起到过渡作用，可以提高基底与雷达吸波层之间的结合力与抗热震性能。
优选地，所述隐身材料还包括频率选择表面层，该频率选择表面层为红外低发射率的频率选择表面层，位于所述红外低发射率层远雷达吸波层侧，如图2所示。通过在红外低发射率层上在增加频率选择表面层，进一步更强隐身材料的红外低发射率性能。
优选地，所述频率选择表面层由红外低发射率金属导体浆料制备而成。
优选地，所述红外低发射率金属导体浆料以铝、铁、铜、银、金和铂中的至少一种为金属材料；将所述金属材料分散到树脂或无机粘接相中得到红外低发射率金属导体浆料。
红外低发射率金属导体浆料的红外吸收辐射由能带间的电子跃迁引起。将具有红外低发射率的金属微粉分散到树脂或无机粘接相中形成频率选择表面层，其发射率主要受金属微粉种类、含量、颗粒形貌、尺寸、粘接相及其金属微粉分散情况等影响。不同颗粒形状的金属微粉为填料的频率选择表面层发射率从低到高的顺序为鳞片状、小棒状和球状(包括空心、实心)。其中鳞片状铝粉为填料组成的涂层红外发射率最低。根据粘接相材料不同，可将其分为树脂基金属微粉涂层和玻璃基金属微粉涂层，树脂基金属微粉不适合在更高温度环境下使用，玻璃基微粉则可以。
本发明还提出一种如上述所述的隐身材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：选取基底，并对基底进行预处理；
S2：根据基底选取粘接层材料，喷涂，在基底上形成粘接层；
S3：按质量比(10～30):(70～90)称取La1-xSrxMnO3与钇掺杂的YSZ，通过离心喷雾干燥进行造粒，利用等离子喷涂在粘接层上形成雷达吸波层；
S4：称取钇掺杂的YSZ粉体，通过离心喷雾干燥进行造粒，利用等离子喷涂在雷达吸波层上形成红外低发射率层，得到隐身材料。
优选地，步骤S4之后，还包括：
将带有设计图案的丝网固定在所述红外低发射率层表面，使用药勺蘸取红外低发射率金属导体浆料并涂抹在橡胶刮板上，利用橡胶刮板在丝网表面进行印刷以使红外低发射率金属导体浆料透过丝网制备在所述红外低发射率层表面，去除丝网，干燥，热处理，得到频率选择表面层。
在热处理之后，还包括冷却，采用3M羊毛球+W1金刚石研磨膏对频率选择表面层进行轻微抛光处理，观察到金属光泽即为合格。
优选地，所述干燥的温度为150℃，时间为30min；所述热处理的温度为900℃，时间为10min。
优选地，在步骤S1中，所述预处理包括对基底进行表面清理和表面粗化，以利于与涂层的牢固结合。
优选地，在步骤S2中，根据基底选取粘接层材料，若基底为Cf/SiC复合材料(C纤维增强SiC陶瓷基复合材料)，则粘接层为Si粘结层；若基底为合金，则粘接层为金属粘结层。
粘接层一般均采用直接喷涂。
喷涂，可采用现有的喷涂技术，如等离子喷涂等。
优选地，在步骤S3中，离心喷雾干燥的进口温度为240℃，出口温度为120℃，雾化器频率为26Hz，以阿拉伯树胶为粘结剂、以柠檬酸铵为消泡剂进行造粒。
造粒获得的颗粒粒径在25～100μm范围内。
造粒，可采用现有的造粒技术，如离心喷雾干燥等。
实施例1
本实施例提供一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料，该隐身材料为层状结构，自下而上依次包括：基底(Cf/SiC复合材料)、粘接层(Si粘接层，厚度0.08～0.12mm)、雷达吸波层(厚度0.7～0.9mm)和红外低发射率层(厚度0.15～0.25mm)；
雷达吸波层由复合吸收剂基陶瓷材料喷涂而成；复合吸收剂由La1-xSrxMnO3(LSM)与钇掺杂的YSZ组成，La1-xSrxMnO3的质量分数为30％，其中x＝0.4；钇掺杂的YSZ中钇的掺杂量为8％，记为8YSZ。
红外低发射率层由钇掺杂的YSZ基陶瓷材料喷涂而成，钇掺杂的YSZ中钇的掺杂量为8％，记为8YSZ。
本实施例还提供一种上述所述的隐身材料的制备方法，包括：
S1：选取基底，并对基底进行预处理；
S2：根据基底选取粘接层材料，喷涂，在基底上形成粘接层；
S3：按质量比30:70称取La0.6Sr0.4MnO3与8YSZ，通过离心喷雾干燥进行造粒，利用等离子喷涂在粘接层上形成雷达吸波层；
S4：称取8YSZ粉体，通过离心喷雾干燥进行造粒，利用等离子喷涂在雷达吸波层上形成红外低发射率层，得到隐身材料。
本实施例制备的隐身材料在≥1400℃的温度下的工作时间不低于20min，经1400℃热循环后涂层不脱落，在8～18GHz频段内雷达反射率≤-3dB、3～5μm红外发射率≤0.4。
实施例2
本实施例提供一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料，与实施例1相比，本实施例雷达吸波层中钇掺杂的YSZ中钇的掺杂量为5％，记为5YSZ；红外低发射率层中钇掺杂的YSZ中钇的掺杂量为5％，记为5YSZ。其他同实施例1。
实施例3
本实施例提供一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料，与实施例1相比，本实施例雷达吸波层中钇掺杂的YSZ中钇的掺杂量为3％，记为3YSZ；红外低发射率层中钇掺杂的YSZ中钇的掺杂量为3％，记为3YSZ。其他同实施例1。
分别对实施例1～3中隐身材料中雷达吸波层进行高温电导率测量，如图3所示，由图可知，随着钇掺杂的增加，雷达吸波层的高温电导率得到明显的提升。
分别对实施例1～3中隐身材料中雷达吸波层1000℃条件下的发射率特性与表面电阻进行测试，结果如表1所示，随着钇掺杂量的增加，雷达吸波层的电导率在增加，而雷达吸波层红外发射率逐渐下降。当钇掺杂量为8％时，雷达吸波层的电导率为0.28，满足透波要求，且1000℃条件下发射率为0.14，满足技术指标要求。
表1实施例1～3中隐身材料中雷达吸波层1000℃条件下的发射率特性与表面电阻测试结果表
钇掺杂量 发射率(1000℃) 电导率(s/m)
3％ 0.32 0.025
5％ 0.26 0.06
8％ 0.14 0.28
实施例4
本实施例提供一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料，与实施例1相比，本实施例La1-xSrxMnO3中x＝0.3。其他同实施例1。
实施例5
本实施例提供一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料，与实施例1相比，本实施例La1-xSrxMnO3中x＝0.2。其他同实施例1。
实施例6
本实施例提供一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料，与实施例1相比，本实施例La1-xSrxMnO3中x＝0.1。其他同实施例1。
对实施例1和实施例4～6的隐身材料中雷达吸波层的导电性进行测试，结果表明随着锶(Sr)掺杂量的增大，雷达吸波层电阻下降、导电性变好。
本发明可通过选择合适的Sr掺杂量来调节雷达吸波层的电阻，从而有效提高雷达吸波层的吸波效果。
实施例7
本实施例提供一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料，该隐身材料为层状结构，自下而上依次包括：基底(合金)、粘接层(金属粘接层，厚度0.08～0.12mm)、雷达吸波层(厚度0.7～0.9mm)、红外低发射率层(厚度0.15～0.25mm)和频率选择表面层(厚度0.015～0.025mm)；
雷达吸波层由复合吸收剂基陶瓷材料喷涂而成；复合吸收剂由La1-xSrxMnO3(LSM)与钇掺杂的YSZ组成，La1-xSrxMnO3的质量分数为30％，其中x＝0.4；钇掺杂的YSZ中钇的掺杂量为8％，记为8YSZ。
红外低发射率层由钇掺杂的YSZ基陶瓷材料喷涂而成，钇掺杂的YSZ中钇的掺杂量为8％，记为8YSZ。
本实施例还提供一种上述所述的隐身材料的制备方法，包括：
S1：选取基底，并对基底进行预处理；
S2：根据基底选取粘接层材料，喷涂，在基底上形成粘接层；
S3：按质量比30:70称取La0.6Sr0.4MnO3与8YSZ，通过离心喷雾干燥进行造粒，利用等离子喷涂在粘接层上形成雷达吸波层；
S4：称取8YSZ粉体，通过离心喷雾干燥进行造粒，利用等离子喷涂在雷达吸波层上形成红外低发射率层，得到隐身材料。
将带有设计图案的丝网固定在所述红外低发射率层表面，使用药勺蘸取红外低发射率金属导体浆料并涂抹在橡胶刮板上，利用橡胶刮板在丝网表面进行印刷以使红外低发射率金属导体浆料透过丝网制备在所述红外低发射率层表面，去除丝网，干燥，热处，得到频率选择表面层，得到隐身材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超高温电磁散射与红外辐射兼容抑制的隐身材料，其特征在于，所述隐身材料为层状结构，自下而上依次包括：基底、粘接层、雷达吸波层和红外低发射率层；
所述雷达吸波层由复合吸收剂基陶瓷材料喷涂而成；所述复合吸收剂由La1-xSrxMnO3与钇掺杂的YSZ组成，La1-xSrxMnO3的质量分数为10～30％，其中x＝0.1～0.4；
所述红外低发射率层由钇掺杂的YSZ基陶瓷材料喷涂而成。
2.如权利要求1所述的隐身材料，其特征在于，所述钇掺杂的YSZ中钇的掺杂量为3～8％。
3.如权利要求1所述的隐身材料，其特征在于，所述雷达吸波层的厚度为0.7～0.9mm；所述红外低发射率层的厚度为0.15～0.25mm；所述粘接层的厚度为0.08～0.12mm。
4.如权利要求1所述的隐身材料，其特征在于，所述基底为Cf/SiC复合材料，所述粘接层为Si粘结层。
5.如权利要求1所述的隐身材料，其特征在于，所述基底为合金，所述粘接层为金属粘结层；
所述金属粘结层以镍钴铬铝钇金属粉末为原料，通过等离子喷涂制备而成。
6.如权利要求1所述的隐身材料，其特征在于，所述隐身材料还包括频率选择表面层，位于所述红外低发射率层远雷达吸波层侧。
7.如权利要求1所述的隐身材料，其特征在于，所述频率选择表面层由红外低发射率金属导体浆料制备而成。
8.如权利要求1所述的隐身材料，其特征在于，所述红外低发射率金属导体浆料以铝、铁、铜、银、金和铂中的至少一种为金属材料；将所述金属材料分散到树脂或无机粘接相中得到红外低发射率金属导体浆料。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的隐身材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选取基底，并对基底进行预处理；
S2：根据基底选取粘接层材料，喷涂，在基底上形成粘接层；
S3：按质量比(10～30):(70～90)称取La1-xSrxMnO3与钇掺杂的YSZ，通过离心喷雾干燥进行造粒，利用等离子喷涂在粘接层上形成雷达吸波层；
S4：称取钇掺杂的YSZ粉体，通过离心喷雾干燥进行造粒，利用等离子喷涂在雷达吸波层上形成红外低发射率层，得到隐身材料。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤S4之后，还包括：
将带有设计图案的丝网固定在所述红外低发射率层表面，使用药勺蘸取红外低发射率金属导体浆料并涂抹在橡胶刮板上，利用橡胶刮板在丝网表面进行印刷以使红外低发射率金属导体浆料透过丝网制备在所述红外低发射率层表面，去除丝网，干燥，热处理，得到频率选择表面层。
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