雷達吸波復合材料外觀失效機理分析及控制方法研究

張天才，李希，孫宇楠，蔣和躍，龍沛，阿旺旦增，王振海

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.航空工業哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，哈爾濱 150060；3.陸軍裝備部駐重慶地區第六軍事代表室，重慶 400042）

雷達吸波復合材料是一種具有寬頻強吸收效果的雷達隱身功能材料，可有效降低裝備目標特征信號90%以上，實現裝備雷達散射截面積RCS 降低10 dB以上的效果[1-3]。同時，又能作為裝備結構件，制成各種形狀復雜的部件，起到力學承載作用的同時，減輕結構質量，是隱身功能材料的重要發展方向[4-6]，已大量應用于先進隱身飛機、艦船、導彈及其他隱身武器中。如美國的F-117 隱身攻擊機、B-2 隱身轟炸機和F/A-22 隱身多用途戰斗機均在不同部位大量使用了結構隱身復合材料[7-9]。

以聚氨酯硬質泡沫為基體制備的雷達吸波復合材料具有良好的吸波性能，在微波吸收方面顯示出很強的設計適應性，具有廣闊的發展前景[10-12]。為實現寬頻雷達隱身兼容，必須制備成多層泡沫夾芯結構，通過不同吸收層匹配，才能實現吸波頻段寬、吸收效果強的目的[13-15]。何山等[16]以導電碳黑與聚氨酯泡沫為原料，研制的XkuP-4 多層泡沫吸波材料，在8～18 GHz 內，反射率均小于-15 dB。賀龍輝等[17]制備的聚氨酯泡沫吸波材料，當設計為匹配層與吸收層的雙層結構時，即使保持與單層吸收層相同的厚度，其吸波性能也顯著提升，在8～18 GHz 整個頻段優于-10 dB，最大反射率達到了-21.1 dB。

多層泡沫夾芯結構的復合材料，每層泡沫的熱性質存在差異，且需要采用層間復合成形工藝。聚氨酯硬質泡沫相比其他泡沫，有力學承載能力上的優勢，但其泡孔呈閉孔型，內部氣體不流通，具有形變不可逆的特征。因此，在高溫、低壓等環境效應作用下，復合材料不可避免地出現變形、分層、鼓包等外觀失效問題，嚴重影響了材料的服役質量，限制了隱身功能的發揮，極大地縮短了使用壽命。在實現復合材料寬頻強吸收的雷達隱身功能前提下，解決由多層泡沫夾芯結構帶來的環境適應性差的問題，是本文的主要研究內容。

1 樣品制備

1.1 原材料

試驗所用材料有：硬質泡沫（見表1）、環氧樹脂、環氧固化劑、聚氨酯樹脂、聚氨酯固化劑、0.5 mm玻璃鋼板、0.2 mm 碳布、軍綠色聚氨酯面漆及配套固化劑。

表1 硬質泡沫原材料型號及尺寸Tab.1 Type and size of rigid foams

1.2 雷達吸波復合材料的制備

首先將環氧樹脂與環氧固化劑按照10∶6.5 的質量比配料，并攪拌均勻。設置淋膠機的速度為43 m/min，出膠點間距為8 mm，將樹脂均勻地淋在碳布、C4、C3、C2、C1 的正面，單面淋膠，單面用膠量為772～925 g/m2。按從下至上為C4、C3、C2、C1 的順序，將4 層泡沫粘接復合，再在最底層粘接0.2 mm 碳布，最面層粘接0.5 mm 玻璃鋼板。使用熱壓輔助成形系統將復合材料熱壓成形，設置壓力為3 MPa，溫度為60 ℃，熱壓成形時間為5～6 h。將成形后的復合材料，切割成尺寸為300 mm×300 mm 的正方形。最后將聚氨酯面漆及其固化劑按4∶1 的質量比配料，均勻噴涂于復合材料正面及4 條棱邊，涂層厚度控制在30～40 μm，編號為1#樣品。制備工藝流程如圖1 所示，復合材料結構如圖2 所示。用硬質聚氯乙烯泡沫PMN 替代硬質聚氨酯泡沫C1，制備工藝與1#樣品相同，編號為2#樣品。將硬質聚氨酯泡沫C4、C3、C2、C1 分別進行熱處理工藝，置于120 ℃烘箱中，烘烤48 h，再使用聚氨酯樹脂與配套固化劑按質量比10∶3 配料，其余工序同1#樣品，編號為3#樣品。

圖1 復合材料制備工藝Fig.1 Preparation process of composites

圖2 復合材料結構Fig.2 Structure diagram of composites

2 試驗

2.1 自然環境試驗

拉薩地處青藏高原腹地，海拔3 648.7 m，是世界上海拔較高的城市之一。拉薩屬典型高原強輻射、低氣壓氣候。全年日照時數為3 006.7 h，總輻射量為8 469.07 MJ/m2，是我國著名的日光城。拉薩2021 全年平均氣壓為650.1 hPa，而同時期的敦煌為881.9 hPa，漠河為951.2 hPa，重慶為939.4 hPa，可見拉薩因海拔較高，大氣稀薄，氣壓明顯偏低。平均氣溫低，日溫差大，2021 年平均溫度為9.8 ℃，最大月溫差為33.1 ℃，最小月溫差為18.3 ℃，說明該地區全年氣溫偏低，晝夜溫差大。降雨偏少，空氣較為干燥，干濕季明顯，年均濕度為39%，年降水量為507.6 mm，主要集中在5—9 月份。

將制備的1#、2#、3#復合材料樣品在拉薩試驗站開展大氣戶外暴露自然環境試驗，并按試驗周期對樣品外觀、變形量開展性能檢測，具體試驗方式見表2。

表2 復合材料自然環境試驗方式Tab.2 Natural environment test methods for composites

2.2 性能測試及表征

利用體式顯微鏡觀察硬質聚氨酯/聚氯乙烯泡沫表觀結構。利用三坐標測量儀檢測雷達吸波復合材料直線度誤差。利用掃描電鏡分析泡沫微觀形貌。利用熱裂解儀聯合氣質聯用儀，對雷達吸波復合材料開展熱裂解氣相色譜質譜聯用檢測。利用拉伸試驗機，針對硬質聚氨酯/聚氯乙烯泡沫與環氧/聚氨酯樹脂間的粘接強度進行表征。為表征硬質聚氨酯泡沫熱膨脹量變化，使用電熱鼓風干燥箱控制加熱試驗溫度，利用精度為0.02 mm 的游標卡尺檢測試驗前后樣品的尺寸。

3 結果及分析

3.1 復合材料宏觀形貌分析

復合材料在經歷180 d 自然環境試驗后，1#、2#樣品在拉薩試驗站均已出現宏觀形貌損傷，表現為鼓包、脫粘分層、變形。1#、2#樣品的鼓包現象存在差異，1#正面鼓出數個大小不等的大包，背面無鼓包發生；2#正面產生連續、密集小泡，背面鼓出大小不等的大包，跟1#正面鼓包現象類似。3#樣品在拉薩試驗站經歷180 d 自然環境試驗后，宏觀形貌均無明顯變化，如圖3 所示。

3.2 復合材料變形量檢測與分析

180 d 自然環境試驗后，樣品直線度誤差的測量結果見表3，用于表征樣品變形量[18]。分別對每塊樣品的4 條邊進行測量，量值越大，代表變形越嚴重，理想中的完美直線測量值為0 mm。1#樣品的直線度誤差為6.129 4～7.368 1 mm，2#為3.583 3～4.912 4 mm，表明均已發生變形，變形形狀為四邊上翹，中間凹陷。3#樣品的直線度誤差測量值與原始值（試驗前測量值）基本吻合，表明試驗過程中，并未發生變形現象。

表3 復合材料變形量測試結果Tab.3 Deformation test results of composites

3.3 硬質泡沫形貌表征與分析

聚氨酯泡沫C4、C3、C2、C1 的微觀形貌（SEM）如圖4 所示。泡沫內部結構是由聚醚多元醇與異氰酸酯在發泡劑的作用下發泡形成的，泡孔結構呈閉孔型[19-21]。由圖4 可見，泡孔形貌較為完整，泡孔分散均勻，泡孔壁完整封閉。在發泡過程中，閉孔泡孔內殘存的氣體，在氣壓、溫差等環境效應下加速氣體向外釋放，引起復合材料外觀失效。

1#復合材料樣品從下至上是由C4、C3、C2、C1聚氨酯泡沫構成，2#復合材料樣品從下至上是由C4、C3、C2、PMN 聚氨酯/聚氯乙烯泡沫構成，2 種材料之間的差異是面層泡沫C1 與PMN 的不同。顯微鏡觀察下的泡沫微觀結構如圖5 所示?？梢?，C1、C4存在不少較大空洞，而PMN 在顯微鏡下未見明顯空洞，說明PMN 材料比C1、C4 更致密。泡沫結構內的殘存氣體在環境效應下釋放時，氣體質量輕，向上運動。因此，1#樣品表層出現較大鼓包，而底層未見鼓包現象；而2#樣品由于面層泡沫的致密性，抵擋了氣體的釋放，因此材料底層出現鼓包，而面層僅有連續的密集小凸起。

圖5 硬質泡沫的顯微形貌Fig.5 Micrographs of rigid foams

3.4 復合材料內部氣體成分分析

復合材料熱裂解氣相色譜質譜聯用（GCMS）檢測結果見圖6 和表4。其中，氮氣、二氯一氟乙烷、甲基膦酸二甲脂為復合材料在100 ℃裂解后的主要氣體成分，分別占了全部檢測氣體成分的46.87%、28.90%、19.39%。因此，聚氨酯發泡后閉合泡孔內殘余氣體主要來自空氣，以及配方中的添加物二氯一氟乙烷（發泡劑）及甲基膦酸二甲脂（阻燃劑）。

圖6 復合材料GCMS 譜圖結果Fig.6 GCMS spectrum results of composites

表4 復合材料峰表TIC 結果Tab.4 TIC results of peaks for composites

3.5 硬質泡沫熱膨脹量隨溫度變化規律

聚氨酯泡沫C1、C2、C3、C4 膨脹量隨溫度的變化曲線如圖7 所示，膨脹量變化百分數的計算如式（1）所示[22-24]。

圖7 硬質泡沫膨脹量變化百分數Fig.7 Percent change of heat expansion for rigid foams

式中：Lt為樣品變化后長度，L0為樣品原始長度。

由圖7 可見，試驗分為80～120 ℃升溫和120～80 ℃降溫2 個過程。在升溫過程中，C1、C2、C3、C4 材料的體積隨溫度的升高均明顯收縮變小，并且每種材料的熱膨脹量變化百分數表現出明顯差異。在120 ℃時，C1 為-2.8%，C2 為-2.46%，C3 為-1.82%，C4 為-1.75%。

4 種材料均出現了比較少見的隨溫度升高體積收縮的現象，也說明了泡沫內殘留的氣體隨溫度升高而快速釋放，致使材料收縮。構成復合材料的4 層泡沫熱膨脹量差異較大是導致材料在環境效應下出現變形損傷的根本原因之一。面層C1 在4 種泡沫材料中的收縮量最大，中間層C2 次之，而底層C3、C4 的收縮量較小，這是造成復合材料四周上翹、中間凹陷變形形狀的原因。

在120～80 ℃降溫過程中，4 種材料的熱膨脹量變化逐漸趨向穩定。在100～80 ℃，材料體積基本已經保持不變，其中C1 的變化量為0.12%、C2 為0.03%、C3 為0.04%、C4 為0.02%。

在降溫過程中，材料體積穩定或小幅變化，說明泡沫材料可以通過預先時效處理，實現不繼續或減少氣體釋放，保持狀態穩定。因此，3#復合材料樣品通過對4 種泡沫原材料進行120 ℃、48 h 烘烤預先熱處理，實現了多層泡沫復合材料在環境效應下熱膨脹變化量穩定，是解決外觀變形、鼓包等損傷失效的有效技術途徑。

3.6 膠黏劑對有效復合強度的影響規律

將構成復合材料的4 層聚氨酯泡沫C1、C2、C3、C4 分別制備3 件拉伸件，1 件保持原樣，另外2 件在拉伸件中間處切斷，并使用環氧或聚氨酯樹脂及其配套固化劑進行粘黏，單位面積用量同復合材料樣品制備工藝一致，再開展拉伸測試，結果見表5。

表5 硬質聚氨酯泡沫拉伸測試結果Tab.5 Tensile test results for rigid polyurethane foams

由表5 可見，4 種型號聚氨酯泡沫材料自身存在拉伸強度差距，C4、C2 分別達到了96、82.5 N，而C1、C3 斷裂強度分別為63、55.5 N。不同樹脂體系與相同泡沫材料之間也表現出較大差異，聚氨酯樹脂與4 種材料的粘黏強度均比環氧樹脂更強，環氧樹脂與4 種材料的粘黏強度在41～52 N，而聚氨酯樹脂達到了54～81 N。環氧樹脂與泡沫粘黏強度均小于材料自身的拉伸強度，而聚氨酯樹脂與自身強度較小的C3、C12 粘黏時，已大于了材料自身的拉伸強度，因為拉伸測試結果斷裂處在材料本身，而不是樹脂粘黏處。

復合材料內部層間材料是通過樹脂進行粘黏復合的，1#、2#樣品使用的是環氧樹脂體系，3#樣品采用的是聚氨酯樹脂體系，因此3#樣品的層間粘黏強度得到了有效提升。復合材料釋放殘余氣體所產生的作用力，若大于材料層間有效粘黏強度，就產生了脫膠分層、鼓包、變形等外觀問題；而復合材料層間有效粘黏強度大于氣體釋放作用力時，能抵御住氣體的釋放，將氣體繼續封閉在材料內部，繼而解決了由氣體釋放導致的外觀失效。

4 結論

1）雷達吸波復合材料在拉薩站開展6 個月自然環境試驗后，1#、2#樣品出現鼓包、變形、脫黏分層等嚴重外觀失效，并且存在較大變形量；而3#樣品均無明顯外觀損傷，成功控制了外觀失效問題。

2）雷達吸波復合材料是由多層硬質泡沫粘黏復合而成，而泡沫的微觀結構是由發泡工藝形成的密閉氣孔構成，氣孔內殘存的氣體成分主要來自空氣、二氯一氟乙烷（發泡劑）及甲基膦酸二甲脂（阻燃劑）。在環境效應下，氣體釋放的作用力大于層間膠黏強度時，便產生了鼓包、分層脫粘等外觀損傷。

3）4 層泡沫的熱膨脹變化量均存在差別，面層熱收縮量最大、中間層次之、底層收縮量最小，是導致復合材料變形及變形方向為中間下凹、四周上翹的原因。

4）多層泡沫復合材料進行時效處理后，泡沫熱膨脹變形量處于穩定狀態，能有效控制材料變形。通過提升層間膠黏劑的粘黏強度，可以有效抵制氣體釋放作用力，是解決復合材料外觀失效、提升環境適應性的有效技術途徑。