多頻譜干擾劑的制備及性能研究

劉禹廷,張 倩,張開創,陳 浩,王洪巖

(陸軍工程大學石家莊校區 彈藥工程系， 石家莊 050003)

煙幕干擾是實現戰場目標隱身的一種重要途徑，廣泛應用于干擾偵察告警、搜索跟蹤及精確制導系統中，具有高效廉價、實施簡易、方便靈活等優點[1-2]，隨著先進成像制導技術和多模復合制導技術在現役精確制導彈藥中的廣泛應用，傳統煙幕干擾材料的局限性和弱點日益突顯，主要體現在以下幾方面：有機鹵化物等熱煙幕劑在紅外波段幾乎起不到遮蔽作用，且對環境和人體危害性較大；黃銅粉冷煙幕劑對紅外激光消光顯著，但可見光兼容性較差，且煙幕遮蔽時間較短；箔條等傳統干擾材料易于被變極化等新體制雷達識別，難以達到理想的干擾效果；組合型干擾煙幕同步性欠佳易被復合制導系統經過智能識別確定目標信息[3-6]。因此，研制質輕、多頻譜、綠色環保的新型干擾劑已成為各軍事強國競相研究的課題。美國專利USP6726964[7]中介紹了一種多頻譜干擾材料，其干擾波段為 0.3～40 GHz。制備方法是采用超聲波法將金屬沉積在聚合物微粒表面。微粒呈纖維狀和片狀，選用的微粒材料以碳纖維、石墨等碳基材料為主。沉積的金屬包括銀、錫、金、鉑、銅、鈷、鈀、鎘、鎳、鈦、鋅等。俄羅斯專利(RU2371665C2)[8]中介紹了一種新型海陸兩用的煙幕彈藥，用來應對多模制導武器和多種探測器材。彈內采用分室裝填的結構，裝填材料有箔條、金屬粉、煙火藥。彈體拋出后可在空氣中形成大面積的圓盤形煙幕，可在可見光、紅外、雷達波段產生多頻譜干擾。

碳氣凝膠是一種輕質多孔的納米材料，具有巨大的比表面積、超低的密度和多孔結構的特點[9]，相關文獻報道，多孔結構的碳氣凝膠對可見光吸收率可達99.8%，有望成為一種理想的“超黑體”材料[10]；經過SiO2改性的碳氣凝膠具有高效靜態電磁屏蔽性能(8～18 GHz平均衰減30.3 dB)和動態紅外衰減特性(空氣中漂浮15 min，保持衰減10dB)[11]。鑒于碳基氣凝膠質輕、多孔及良好吸波性能的特點，其在煙幕干擾領域具有很好的應用前景。本研究采用干混法將碳氣凝膠與碳纖維混合制備了多頻譜干擾劑，并利用煙箱動態系統研究了多頻譜干擾劑對紅外(1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm)及毫米波(3 mm、8 mm)的衰減效果。

1 多頻譜干擾劑設計的理論基礎

1.1 煙幕的電磁波衰減機理

煙幕對電磁波的衰減主要是對入射電磁波產生吸收和散射作用[12]，當衰減量足夠大時，探測器件所接收到目標特征信號便會減弱甚至消失，從而使敵方無法發現和識別目標，達到有效干擾的作用。煙幕對電磁波的衰減機理如圖1。

圖1 煙幕對電磁波的衰減機理

煙幕的衰減特性與煙幕干擾劑的電磁特性、表面特性、粒子尺寸、結構形狀等密切相關。從微觀角度看，物質是由大量帶有正負電荷的粒子組成，電磁波在煙幕中傳輸時會與干擾材料發生相互作用，此時，干擾材料中的帶電粒子會在電磁場的作用下發生分布狀態的改變，從宏觀上表現出干擾材料對外加電磁場的極化、磁化及傳導效應[13]。干擾材料對電磁波的吸收衰減本質上是將入射的電磁能轉化其他形式的能量(如熱能)損耗掉，根據損耗機制的不同，可將其分為電損耗和磁損耗等。常見的電損耗型干擾材料包括：金屬類消光材料(消光銅粉、銀粉)、碳系消光材料(石墨、炭黑及碳纖維)、陶瓷類消光材料(SiC、Al2O3)等[14,15]。常見的磁損耗材料包括鐵氧體材料、磁性金屬粉(鐵粉、鈷粉、鎳粉及其合金粉)以及有機金屬絡合物等[16]。根據空腔黑體模型，干擾材料具有類似黑體模型的結構將有助于提高其吸收電磁波的能力[17]。煙幕對電磁波的散射是由于衰減部分電磁波能量會被干擾材料所截獲，并以自身作為波源向四周輻射電磁波，從而使原方向上傳輸的電磁波能量減少，當煙幕粒子半徑遠小于入射電磁波波長時，產生的散射稱為Rayleigh散射，當煙幕粒子半徑接近或大于入射電磁波波長時，其對電磁波的散射衰減可用米氏理論來解釋。而根據半波諧振理論，當散射體長度是入射波長的0.5、1、1.5、…倍時，諧振峰出現峰值，此時干擾材料對電磁波的散射衰減效果最強，如箔條、碳纖維等干擾材料在半波長處對3mm和8mm波的衰減效果最佳[16]。

1.2 多頻譜干擾劑的設計依據

本質上紅外、激光、毫米波都是一種電磁波，但因各自波長、頻率的不同，呈現出不同的傳輸特性，而所需干擾材料的尺寸、電磁特性也往往不同，如一般的紅外干擾材料對毫米波幾乎起不到干擾效果，而毫米波干擾材料往往對紅外衰減效果又甚微。

碳氣凝膠是一種多孔碳材料，其特點易于滿足煙幕干擾材料的要求，主要原因如下：① 碳氣凝膠內部具有大量的孔結構，這一特點符合空腔黑體模型，有助于其對電磁波的吸收衰減；② 在電磁特性上，碳氣凝膠作為碳系材料對電磁波可產生很好的電損耗；③ 碳氣凝膠作為一種新碳納米材料，其內部的納米孔使其具有納米材料的特性，這一特點有望拓寬吸收頻帶；④ 碳氣凝膠可制備成不同的形狀和尺寸，可制備出微米級別的碳氣凝膠材料，干擾材料的尺寸和形狀上可以滿足要求；⑤ 碳氣凝內部大量的孔結構使其具有很低的假密度，這意味著其具有較好的懸浮性，有助于提高遮蔽時間。

碳纖維是目前毫米波干擾的常用材料，具有質量輕、滯空時間長等優點，且碳纖維屬于碳系材料，與碳氣凝膠材料的物性接近相容性較好。綜上，本研究以碳氣凝膠作為紅外干擾組分，碳纖維作為毫米波干擾組分制備多頻譜干擾劑。

2 實驗部分

碳氣凝膠：粒徑6～10 μm，平均孔徑0～2 nm，比表面積1 800～2 200 m2·g-1，振實密度0.4 g·cm-3；短切碳纖維：長度1.5 mm/2 mm， 纖維直徑7 μm，密度1.75 g·cm-3，拉伸強度3 800 GPa，兩種材料均由國內生產廠家提供。

煙箱：容積為16.5 m3(4.3 m ×2.1 m×1.8 m)，測試光程2.1 m，內置攪拌風扇兩個。

紅外輻射計及光源：JHF-1型(1～3 μm)；JHF-2型(3～5 μm)；JHF-3型(8～14 μm)紅外輻射計，建華機械有限公司。

10.6 μm激光測試系統：YC-CO-O2型，由發射機、接收機、以及計算機終端處理系統組成，中國科學院安徽微光機所生產。

3 mm、8 mm波測試系統：由發射單元、接收單元數據處理系統組成，中國電子科技集團公司第五十研究所生產。

稱取一定質量的將短切碳纖維放于箱式電阻爐中，在400 ℃下灼燒5～10 min除去碳纖維表面的有機膠，得到毫米波干擾組分。稱取一定質量的碳氣凝膠粉體置于容器中，分別向其中加入5wt%的毫米波干擾組分，利用精密增力電動攪拌器攪拌5～10 min得到多頻譜干擾劑。由于碳氣凝膠和碳纖維的物性接近，碳氣凝膠粉體既作為紅外干擾組分也可作為固體分散劑，為達到有效干擾組分裝藥的最大化，不再加入其他固體分散劑。

圖2為煙箱測試系統布置圖，具體操作過程如下：稱取33 g多頻譜干擾劑，將其裝入到噴灑罐體中并旋緊密封；安裝并調試好測試系統，試驗前將10.6 μm激光發射和接收裝置、紅外輻射計及光源、及3 mm、8 mm波接收和發射系統放置于煙箱兩側，并保持光路暢通；打開測試儀器，預熱儀器半小時，試驗前進行背景采集，并用塑料薄膜封住煙箱窗口，而后利用高壓氣流將多頻譜干擾劑噴灑至煙箱中，同時開啟攪拌風扇30s使干擾材料分散均勻，并同步測量，通過計算機數據處理終端記錄數據并得出結果；測試結束后，打開煙箱門，啟動排煙裝置，將箱中煙幕排盡，再進行下一次測量。

圖2 煙箱測試系統布置圖

3 結果與討論

1) 多頻譜干擾劑紅外干擾性能

煙幕的透過是評價其電磁波干擾性能的重要指標，透過率越小表明其電磁波衰減性能越好。圖3為測試時間內多頻譜干擾劑對紅外(1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm)透過率曲線?？梢钥闯?，多頻譜干擾劑施放后，紅外透過率迅速下降至0%附近。在氣流的作用下，紅外透過率曲線出現了一定的擾動，待煙幕分散均勻后，紅外透過率的數值趨于穩定，在近中遠紅外窗口的透過率幾乎為0，處于完全遮蔽狀態，且有效遮蔽時間大于240 s，測試結果表明多頻譜干擾劑質輕、遮蔽時間長，具有優異的紅外遮蔽性能。

2) 多頻譜干擾劑10.6 μm激光干擾性能

圖4為多頻譜干擾劑的10.6 μm激光透過率曲線。可以看出多頻譜干擾劑對10.6 μm激光同樣具有很好的遮蔽性能，隨著干擾劑的施放，激光透過率迅速減小，煙幕穩定后，10.6 μm激光的透過率小于6%，且有效遮蔽時間大于240 s。

3) 多頻譜干擾劑毫米波干擾性能

圖5和圖6分別為多頻譜干擾劑對3 mm/8 mm波的動態衰減性能，可以看出多頻譜干擾劑對3 mm、8 mm波均具有較好的衰減特性。

圖5 多頻譜干擾劑3 mm波衰減測試曲線

為了綜合評價多頻譜干擾劑的毫米波干擾性能，根據測試結果計算了測定時間內多頻譜干擾劑的毫米波最大衰減值、平均衰減值和留空時間，結果見表1。

圖6 多頻譜干擾劑8 mm波衰減測試曲線

波段/mm最大衰減值/dB平均衰減值/dB持續時間/s310.733.566086.893.0160

由表1結果可見，對于干擾3 mm波，多頻譜干擾劑的最大衰減值為10.73 dB，平均衰減值為3.56 dB，干擾煙幕的持續時間大于60 s。對于干擾8 mm波，多頻譜干擾劑的最大衰減值為6.89 dB，平均衰減值為3.01 dB，干擾煙幕的持續時間大于60 s?？梢姡囝l譜干擾劑對3 mm/8 mm均具有一定的衰減作用，這主要是由于短切碳纖維偶極子對毫米波產生吸收和散射作用的結果。

4 結論

1) 基于煙幕對電磁波的衰減機理，結合碳氣凝膠和碳纖維的結構特點，提出了以碳氣凝膠作為紅外干擾組分，碳纖維作為毫米波干擾組分制備多頻譜干擾劑的設計思路。

2) 采用干混法制備了新型多頻譜干擾劑，并利用煙箱測試系統研究了其動態電磁波衰減性能。

3) 該材料滯空時間長且具有良好的多頻干擾性能，是一種極具潛力的新型多頻譜干擾劑，其對紅外(1～3 μm、3～5 μm、8～14 μm)的透過率均小于5%，對10.6 μm激光的透過率小于6%，對3 mm波和8 mm波的最大衰減值分別可達10.73 dB和6.89 dB。