多層結構設計在吸波材料中的應用

馬覓洋 張西軍 曾一兵

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

多層結構設計在吸波材料中的應用

馬覓洋 張西軍 曾一兵

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 簡述了多層結構吸波材料設計的理論模型、設計原則及優化設計方法，從吸收劑材料的電磁特性方面總結了多層結構吸波材料的特點，詳細論述了多層結構設計對吸波材料性能的影響，最后提出了多層吸波材料的技術難點和發展趨勢。

吸波材料，多層結構，材料設計，電磁參數

0 引言

雷達隱身技術是現代戰爭中最重要、最有效的突防技術手段。可通過外形設計和使用吸波材料對武器裝備進行隱身設計。而單一的吸波材料結構存在著電磁參數可調范圍小、頻響特性差、吸收頻帶窄等問題，不能滿足隱身技術對輕質寬頻的要求；理想的吸波材料應具有厚度薄、質量輕、吸收頻帶寬、吸波能力強(薄、輕、寬、強)等特點，多層結構吸波材料可通過設計靈活度彌補材料本身的缺陷，能在一定程度上降低面密度有效改善吸波效果，拓寬材料吸波帶寬[1-5]。本文介紹了多層結構吸波材料設計的理論模型及優化設計方法，論述了多層結構設計對吸波材料性能的影響，展望了多層結構吸波材料的發展趨勢。

1 多層結構吸波材料的理論模型及優化設計方法

1.1 理論模型

材料的吸波性能通常以反射率表示，反射率為負值，其值越小，表明其吸波性能越好。根據電磁場理論，可用復介電常數ε和復數磁導率μ以及材料厚度d來表征其反射率，典型的理論模型為傳輸線理論[6]。等效傳輸線法是目前應用最廣的一種多層材料反射系數求解方法，該方法利用傳輸線理論導出多層涂層反射系數，具有計算簡潔的優點。多層材料結構示意圖見圖1，圖1中右方最底端為金屬板，即全反射板，電磁波由左側垂直入射到吸波材料上。假設第i層為均質、等厚平板吸波材料，則n層平板吸波材料的綜合吸波性能可以用(1)～(6)式表示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 設計原則

在多層結構吸波材料設計中，采用最多的是阻抗漸變原則，即自下而上，每層材料的阻抗逐漸變大(圖2)，實現材料阻抗變化可通過吸收劑濃度改變或更換材料種類兩種方式進行。采用阻抗漸變原則設計吸波材料類同于尖劈吸波材料(圖3)，不同的是尖劈材料從物理形狀上實現了阻抗的變化，多層材料結構從每層材料的電磁參數差異或含量變化實現阻抗的變化[11-16]。阻抗漸變設計材料的最大優勢是可以在很寬的頻率范圍內實現大吸收，這一點可以從50 mm蜂窩尖劈材料的吸波性能得到驗證(圖4)。在某些情況下，如在需要提高低頻吸收峰時，采用阻抗逐漸變小的設計則更為有效，其主要原因在該頻段產生了諧振吸收，能在某些頻帶出現強吸收峰，但是犧牲了吸收帶寬。

如圖5所示為一種雙層阻抗逐漸變小的吸波材料反射率曲線，在3.36 GHz出現了強烈的吸收峰，但在-20 dB以下峰寬小于1 GHz。

1.3 優化設計方法

多層吸波材料的吸波性能與各層的電磁常數、介電常數、厚度等參數有關，在上述參數已知的情況下，通過優化設計可預估材料吸波性能，進行材料結構層數優化設計，大幅度提高效率。遺傳算法(GA)是一類借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機化搜索算法，其基本思想是從一組候選解開始迭代,在每次迭代的過程中保留其中優秀的候選解,通過遺傳操作,如雜交、變異等運算,產生新一代候選解。重復以上過程,直到滿足某個收斂條件為止，主要特點是群體搜索策略和群體中個體之間的信息交換，搜索不依賴于梯度信息，具有自組織、自適應和自學習功能，通過優勝劣汰的原理，達到快速收斂的目的，適于處理多層吸波材料的優化這類多參數復雜系統的設計問題[17-25]。肖剛等[26]對多層吸波材料進行遺傳算法優化,計算了2～4層材料,得到了最優解；周志安等[27]采用了帶約束條件的單目標標準遺傳算法(SGA)來設計高性能的吸波涂層,還成功的將多目標遺傳算法引入到多層納米吸波材料的設計中,得到性能優異的多層結構吸波材料；陳良等[28]采用混合遺傳算法(模擬退火算法與遺傳算法的結合)，利用該方法優化的結果，可使五層平板浸炭泡沫吸波材料在寬頻帶范圍(2～18 GHz)內平均吸收性能達到-15 dB以上。

2 多層結構設計對吸波材料性能的影響

2.1 電磁特性

吸波材料種類繁多，從吸收原理來分，大致可分為兩類：一是磁性吸收材料，主要以鐵氧體、羰基鐵、磁纖維、碳化硅等為吸收劑的材料；二是介電型吸收材料，主要以碳黑、碳纖維、碳管、金屬纖維、導電高聚物等為吸收劑的材料[29-33]。

鐵粉吸收劑是目前最常用、也是最有效的吸收劑，主要為羰基鐵或其改性體，其優異的磁性能可使吸波材料具備厚度薄、吸收頻帶寬等優點，缺點是材料的密度大、防腐效果差。典型鐵粉吸收劑的電磁參數見圖6。碳黑吸收劑是常用介電吸收劑之一，具有質量輕、防腐性能好的優點，缺點是材料厚度大、吸收頻帶窄。典型的碳黑電磁參數見圖7。

由式(1)～(3)的推導可見，材料吸波性能為電磁參數(ε=ε′-jε″、μ=μ′-jμ″)、頻率f以及厚度d的函數，在實際應用過程中，涂層厚度為一定量值，如果在一定的頻率范圍內需要良好的吸收性能，由式(4)～(6)可知，必然要求其電磁參數隨著頻率的變化而變化，形成頻散效應，保證輸入阻抗的穩定或升高，從而具有寬頻帶吸波性能。從圖6可見，對鐵粉類吸收劑材料而言，介電常數隨頻率變化不大，但是其磁導率和磁損耗有較好的頻率響應特性，因此該類涂層吸收帶寬較大。

圖8為該鐵粉材料在不同厚度時的仿真反射率，結果顯示，隨著涂層厚度的增加，反射率逐漸傾向于成為一條平線，且在厚度超過6 mm以后，反射率不再發生明顯變化，全頻段位于-8.5 dB左右。實際應用中，一般在高頻(8～18 GHz)要求10 dB吸收時，單層鐵粉材料可以實現，但如果吸收性能要求更高時，則需要材料本身的電磁參量隨頻率變化幅度應更大才能滿足設計要求，現實中材料不具備該種特性，因此需考慮采取多層結構設計方案，采用不同參數的吸波材料實現大幅度的磁導率和磁損耗變化。圖7所示碳黑類吸收劑作為介電類材料其磁導率與磁損耗基本符合理論值(μ′=1，μ″=0)，其介電常數隨頻率變化僅有小幅變動，所以該類材料反射率呈現單一的吸收峰，如圖9所示，且隨著厚度增加，吸收峰向低頻偏移，無法滿足寬頻吸收要求，因此介電類材料寬帶設計也需采用多層結構或改變材料的頻率響應特性才可滿足寬帶吸收性能。

2.2 吸波性能

吸波材料多層結構設計從本質上來講，是將材料厚度分成若干層，每層可設置不同的電磁參數，從宏觀上引入材料參數變化梯度，增加參數調整的靈活度，對吸波性能影響表現在以下幾方面。

2.2.1 拓寬吸收頻帶

寬帶吸收的本質是對材料(單層或多層)等效電磁參數頻響特性進行調整，其調整幅度大小及變化趨勢決定了材料吸收性能，而多層設計正是由于從厚度方向引入了不同參數的材料，具備調整等效參數的功能，因此可以實現吸收頻帶的展寬。從目前報道中可知，何山等[34]研制的JB-5多層吸波材料，在6～17 GHz頻段，反射率小于-12 dB；其研制的一種寬帶輕質泡沫型吸波材料在8～18 GHz頻段反射率均小于-15 dB[35]。趙宏杰等[14]采用多層阻抗漸變設計的三層4 mm厚吸波層板在5～18 GHz頻段反射率小于-10 dB；其研制的六層吸波泡沫在8～12 GHz頻段反射率小于-30 dB。航天材料及工藝研究所研制的一種20 mm厚多層泡沫吸波材料在8～12 GHz頻段反射率小于-30 dB， 8～18 GHz頻段反射率小于-20 dB(圖10)。

在多層結構吸波涂層的研制過程中，僅采用表1中1、2兩種材料的雙層結構時，反射率呈現窄而深的單吸收峰，如圖11中曲線①所示。進一步優化改進為1～5五層結構后，通過引入不同電磁參數的材料，改善了材料整體的頻率響應特性，使其在較寬頻率范圍內形成阻抗匹配，有效拓寬了多層結構吸波涂層的吸收帶寬，反射率曲線如圖11中曲線②所示，多層吸波材料在8～12 GHz頻段反射率<-18 dB，且具有優異的RCS(雷達散射截面積)性能。

2.2.2 降低材料面密度

在多層結構設計中，往往會引入介質層(低介電損耗材料)作為匹配層來調整材料等效參數，介質層一般為含有空氣的材料，如空心玻璃微球、酚醛微球、泡沫材料等，該類材料一般密度較小，引入后具有降低等效電磁參數、增大頻響幅度的特性，從而改善材料吸波性能。實際測試結果表明，在相同厚度和吸波性能的情況下，引入介質層能降低材料的面密度，如1.0 mm涂層在8～18 GHz達到8 dB吸收時，無介質層時其面密度為3.6～3.7 kg/m2，而引入介質層后面密度降低0.3～0.4 kg/m2。

2.2.3 提高吸收峰值

窄帶大吸收類吸波材料常用于解決電磁干擾問題，其吸收帶寬一般在1 GHz范圍內，吸收性能則要求大于20 dB，而要實現此吸收效果，材料的介電損耗須盡可能小，從而能與自由空間的波阻抗進行匹配[36]，而不至于在電磁波未能進入材料內部而在表面產生大量反射，在多層設計中，介質層正好具有降低材料等效介電損耗的特性，因此可用于提高材料的吸收峰值。天津大學以短切活性碳纖維作為吸收劑設計的4 mm厚四層吸波材料，在2～18 GHz頻段內反射率達到-10 dB以下的頻帶寬度為8 GHz，最大反射衰減-39.3 dB[37]。航天材料及工藝研究所的多層泡沫結構吸波材料通過將參數特性接近于自由空間的泡沫材料A[圖12(a)]和吸波材料B[圖12(b)]進行復合優化設計。

將泡沫材料A與吸波材料B按照厚度比5∶1復合后，得到的復合材料C(等效電磁參數見圖13)，從材料電磁參數變化可見，通過加入介質層(泡沫材料)，吸波材料的厚度增加，但使材料的ε′及ε″均大幅度下降；圖14為A、B材料復合前后的反射率變化，A、B在復合之前，反射率均趨于0，通過復合設計后，在8～12 GHz反射率達到-8 dB。可見通過與介質材料復合設計有利于多層結構吸波材料設計中材料參數調整，促進吸波性能的提升。

(a) 泡沫材料A (b) 吸波材料B

圖12 泡沫材料A和吸波材料B的電磁參數

Fig.12 Electromagnetic parameter of A polyfoam and B absorbing material

3 結語

多層結構吸波材料設計是與每層材料的電磁參數和厚度相關，而且相互影響的多目標設計問題，故在設計制造過程中，存在以下技術難點：(1)多層結構吸波材料涉及多種材料、多種厚度的匹配設計，相較于單層材料，其工藝容差性小，累計誤差大，由實際測試結果與模擬結果比較，反饋優化調節是其一大難點；(2)設計過程中的測量誤差易產生累計放大，故制造過程中需要嚴格的工藝精細化控制，執行最優設計厚度；(3)多層結構材料層間界面多，材料種類不一，使材料其他性能(如附著力、粘接性能、韌性、界面應力等)的影響復雜化，界面相容性問題突出，同時需要兼顧工藝流程及可行性。

隨著隱身材料技術的長足發展，材料種類增多、層數增加、應用復合化，多層結構吸波材料將呈現出多樣化、復雜化發展態勢。此外，多層結構設計技術作為實現吸波材料寬頻段、大吸收的一條主要技術途徑，未來多層結構設計將依賴于吸波理論模型的優化發展，計算機輔助設計系統的應用，以及材料制造工藝技術水準的提升，三者共同推動復雜結構吸波材料的工程化應用，促進隱身材料技術的發展。

[1] 張月芳,郝萬軍. 吸波材料研究進展及其對軍事隱身技術的影響[J].化工新型材料,2012(1):13-15.

[2] 張健,張文彥,奚正平.隱身吸波材料的研究進展[J].稀有金屬材料與工程,2008(S4):504-508.

[3] 劉獻明,付紹云,張以河,等. 雷達隱身復合材料的進展[J].航空電子技術,2004(2):31-36.

[4] 唐恩凌,王崇. 納米雷達隱身吸波材料[J]. 飛航導彈,2009(3):57-60.

[5] 李斌玲,謝國治,宋曉龍,等. 多層雷達波段吸波涂層的研究現狀及展望[J]. 河海大學學報(自然科學版),2011(4):464-469.

[6] BRONWELL A. Transmission-Line Analogies of Plane Electromagnetic-Wave Reflections[J]. Proceedings of the Ire, 1944, 32(4):233-241.

[7] 唐宏,趙曉鵬,邢麗英,等. 多層吸波材料的數值優化設計[J]. 微波學報,2003(3):55-58.

[8] 王俊鳴,朱志軍,章志敏. 基于遺傳算法的多層吸波材料優化設計[J]. 現代雷達,2013(11):66-70.

[9] 魏永生,郭玉寶,趙新生,等. 多層吸波材料的優化設計模型[J]. 北京交通大學學報,2015(3):95-100.

[10] 李艷廈. 結構型吸波材料的理論研究及其優化設計[D].燕山大學,2008.

[11] KOSTORNOV A G, MOROZ A L, SHAPOVAL A A, et al. Composite structures with gradient of permeability to be used in heat pipes under microgravity[J]. Acta Astronautica, 2015(115):52-57.

[12] CHEN M, ZHU Y, PAN Y, et al. Gradient multilayer structural design of cnts/SiO2composites for improving microwave absorbing properties[J]. Materials & Design, 2011, 32(5):3013-3016.

[13] TAMBURRANO A, RINALDI A, PROJIETTI A, et al. Multilayer graphene-coated honeycomb as wideband radar absorbing material at radio-frequency[C].// IEEE, International Conference on Nanotechnology，2015.

[14] 趙宏杰,宮元勛,邢孟達,等. 結構吸波材料多層阻抗漸變設計及應用[J]. 宇航材料工藝,2015,45(4):19-22,34.

[15] 馮彬. 層板結構吸波復合材料吸波性能研究[D].武漢理工大學,2010.

[16] 呂述平. 微波暗室用諧振型角錐吸波材料的研究[D].大連理工大學,2006.

[17] 亓家鐘,陳倍京,陳利民. 多層吸波材料反射損失計算機模擬[J]. 金屬功能材料,2006(2):33-36.

[18] 袁杰,王榮國,李穎慧,等. 多層吸波材料的計算機輔助優化設計[J]. 哈爾濱工程大學學報,2000(2):51-54.

[19] 何山,熊克敏. 雷達罩內用泡沫型吸波材料研究[J]. 航空材料學報,2001(3):19-23.

[20] PESQUE J J, BOUCHE D, MITTRA R, et al. Optimization of multilayer antireflection coatings using an optimal control method[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1992, 40(9): 1789-1796.

[21] 王晨,顧家琳,康飛宇. 吸波材料理論設計的研究進展[J]. 材料導報,2009(5):5-8.

[22] WEILE D S, MICHIELSSEN E. Genetic algorithm optimization applied to electromagnetics: a review[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 1997, 45(3):343-353.

[23] CHEN X, LIU XX, WANG XJ, et al. Optimized design for multi-layer absorbing materials based on genetic algorithm[J].Advanced Materials Research, 2013, 681:324-328.

[24] POLI R, KENNEDY J, BLACKWELL T. Particle swarm optimization[C]// Swarm Intelligence Symposium, 2007. SIS 2007. IEEE. IEEE, 2007:120-127.

[25] EBERHART R, KENNEDY J. A new optimizer using particle swarm theory[C].// International Symposium on MICRO Machine and Human Science. IEEE,1995:39-43.

[26] 肖鋼. 多層吸波材料計算設計及優化研究[D].哈爾濱工程大學,2003.

[27] 陳良. 多層寬帶泡沫吸波材料的遺傳算法優化設計與制備[D].電子科技大學,2001.

[28] 周志安. 多層納米吸波材料的遺傳優化設計及數值計算[D].南京理工大學,2008.

[29] 趙靈智,胡社軍,李偉善,等. 吸波材料的吸波原理及其研究進展[J]. 現代防御技術,2007(1):27-31+48.

[30] 張健,張文彥,奚正平. 隱身吸波材料的研究進展[J]. 稀有金屬材料與工程,2008(S4):504-508.

[31] 李瑞琦,何世禹,初文毅. 吸波涂層材料研究進展[J]. 兵器材料科學與工程,2006(3):76-80.

[32] 程濤,李鐵虎,李莎莎,等. 吸波材料的研究進展[J]. 材料導報,2011(15):50-52+63.

[33] SINGH P, BABBAR V K, RAZDAN A, et al. Complex permittivity, permeability, and X-band microwave absorption of CaCoTi ferrite composites[J]. Journal of Applied Physics, 2000, 87(9):4362-4366.

[34] 李清巖,楊東方. 遺傳算法在雷達吸波涂層多目標優化設計中的應用[J]. 航空材料學報,2007(3):82-86.

[35] 何山,李業華,周淳. 一種多層膠板雷達吸波材料[J]. 航空材料學報,2016(4):41-46.

[36] 張鐵夫,曹茂盛,袁杰,等. 多薄層涂覆吸波材料計算設計方法研究[J]. 航空材料學報,2001(4):46-49+62.

[37] 鄒田春. 活性碳纖維(氈)/環氧樹脂吸波復合材料的設計與吸波性能的研究[D].天津大學,2007.

Application of Multilayer Structure Design in Absorbing Materials

MA Miyang ZHANG Xijun ZENG Yibing

(Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology,Beijing 100076)

The theoretical model, design principle and optimization design methods of multilayer structured absorbing material is described in this paper.Characteristics of multilayer structured absorbing material from the electromagnetic properties of absorbing materials point of view, and the multilayer structure design on the performance of the absorbing material is also discussed in detail.The technical difficulties of multilayer absorbing material, and the development trend of the multilayer structure absorbing material are put forward.

Absorbing material,Multilayer structure,Material design,Electromagnetic parameter

2017-03-29

馬覓洋，1990年出生，碩士研究生，主要從事特種功能材料的研究工作。E-mail：mmy3433@163.com

TB34

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.002