一种表面爬行波吸收涂层结构的制作方法

本发明针对军事上或民用中电磁散射、电磁兼容等涉及的表面爬行波消除技术领域，具体涉及一种表面爬行波吸收涂层结构。

背景技术：

当电磁波以小角度掠入射到目标表面时，将形成一种沿目标表面爬行的电磁波，这种电磁波将会带来新的电磁散射、电磁干扰等新问题。特别是在军事上，由于装备表面存在不连续特征，如边缘、尖点、缝隙、台阶以及介质不连续边缘等，表面爬行电磁波遇到这些不连续特征后将形成弱散射中心，当主要散射源得到抑制后，这些散射中心的后散射强度可能占到总散射强度的10％以上甚至更多。因此，消除表面爬行波具有重要的意义和应用价值。

现有的吸波材料设计绝大多数都是针对吸收垂直入射的电磁波，而针对吸收表面爬行电磁波的吸收涂层研究较少，如公开发明“NZFO-PZT型铁磁铁电陶瓷复合纳米纤维微波吸收剂、吸收涂层及制备方法”(公开号：CN104164708A)、“一种由纳米石墨粉体制备的涂敷式吸波材料及其制备方法”(公开号：CN104845044A)、“可同时吸收低频和高频电磁波的复合纤维及其制备方法”(公开号：CN105113217A)、“一种碳包镍纳米颗粒/硅树脂复合吸波涂层及其制备方法(公开号：CN105176384A)”等，这些有关吸波涂层的发明及已有的研究关注点都集中在研发不同的电磁吸收剂以及吸波涂层配制方法上，研究吸收的对象都是垂直照射的电磁波，而不涉及吸收表面爬行波。公开发明“一种衰减天线表面爬行波的装置”(公开号：CN102810743A)提出了一种衰减天线表面爬行波的装置，其包括天线和超材料薄膜层，在天线表面设置超材料薄膜层，超材料薄膜层有多个超材料渐变层组成，通过改变超材料薄膜层的折射率来衰减天线表面出现的爬行波，从而大大减少爬行波对天线的影响，保证天线的高效率。该发明研究的爬行波吸收薄膜层，结构复杂、应用对象针对性强，不适用于广泛表面爬行波吸收情况。

技术实现要素：

本发明的目的是在现有吸波涂层的基础上，提供一种表面爬行波吸收涂层结构，为消除表面爬行电磁波提供新的思路，推动军事上或民用中电磁散射抑制技术及电磁抗干扰技术的发展。

为达到上述目的，本发明提供了一种表面爬行波吸收涂层结构，其涂覆在目标表面，该涂层结构包含自目标表面由里至外粘结设置的吸波层和导电反射层，该吸波层能将目标表面爬行的电磁波吸收并转化成热能，该导电反射层具有反射作用，能抑制进入到吸波层中的爬行电磁波对外辐射；所述吸波层的材料具有阻抗特性，以使爬行电磁波尽量多地进入吸波层。

上述的表面爬行波吸收涂层结构，其中，所述的吸波层的材料还具有损耗特性，以确保进入吸波层的爬行电磁波能够被完全吸收。

上述的表面爬行波吸收涂层结构，其中，所述的吸波层选用磁损耗型吸波材料。

上述的表面爬行波吸收涂层结构，其中，所述的吸波层的材料包含基底粘结剂及软磁性金属粉末，该软磁性金属粉末在整个吸波层中的体积百分比范围为25％～35％。

上述的表面爬行波吸收涂层结构，其中，所述的软磁性金属粉末选择羰基铁粉、镍粉、钴粉中的任意一种。

上述的表面爬行波吸收涂层结构，其中，所述的软磁性金属粉末呈片形。

上述的表面爬行波吸收涂层结构，其中，所述的基底粘结剂选择环氧树脂。

上述的表面爬行波吸收涂层结构，其中，所述的导电反射层包含基底粘结剂及导电颗粒，该导电颗粒在整个导电反射层中的体积百分比范围为35％～45％，导电反射层的厚度范围为30μm～50μm。

上述的表面爬行波吸收涂层结构，其中，所述的导电颗粒为金属材质颗粒，选择铜或银中的任意一种。

底部的吸波层为本发明提出的表面爬行波吸收涂层的主体功能层，通过该层可将表面电磁波吸收并转化成热能。为了实现对爬行电磁波的良好吸收，吸波层的材料应当尽量满足两个条件：一是吸波层的阻抗特性，确保爬行电磁波能够尽量多地进入吸波层；二是吸波层的损耗特性，确保进入吸波层的爬行电磁波能够被完全吸收。对于本发明提出的表面爬行波吸收涂层，吸波层的阻抗特性显得更为关键。因为在吸波层表面有导电反射层，进入吸波层的爬行电磁波无法向外辐射，只能被吸波层逐步消耗掉。由于工程上吸波层的厚度和宽度也有限，因此，吸波层的损耗特性也是表面爬行波吸收涂层吸收性能的关键。

常见的电磁吸波材料可分为三大类：电阻损耗型、介电损耗型和磁损耗型，由于磁损耗型对电磁波的吸收效果好，在小厚度情况下可以实现良好的宽频吸波效果，因此，在工程上涂层中被广泛使用。在本发明提出的表面爬行波吸收涂层中，吸波层也选择使用磁损耗型吸波材料，其一般通过向基底粘结剂中(如环氧树脂)添加软磁性金属粉末获得，如羰基铁粉、镍粉、钴粉等。为了获得更好的复磁导率，提高吸波层的吸收能力，还可选用片形金属粉末作为电磁吸收剂。

表面的导电层为本发明提出的表面爬行波吸收涂层的辅助功能层，它不具备将表面爬行波吸收转化的功能。但是导电层对电磁波具有强烈的反射作用，可以抑制进入到吸波层中爬行电磁波对外辐射，从而增强吸波层对表面爬行波的吸收效果。通过表面导电层的使用，可以带来吸波层的涂敷厚度薄、涂敷宽度窄、吸波性能强等良好的效果，这将会带来重要的经济效益以及军事应用价值。导电层一般通过向基底粘结剂中添加导电颗粒制备获得，常用的导电颗粒有金属材质颗粒，如铜或银颗粒等。

本发明提供的表面爬行波吸收涂层结构消除表面爬行的电磁波的较为彻底，从而大大减少爬行波对天线的影响，保证天线的高效率；且本发明的涂层的厚度和宽度也较常规涂层大幅减少，适用于广泛表面爬行波吸收情况。

附图说明

图1为本发明的一种表面爬行波吸收涂层结构及工作原理示意图。

图2为本发明的球锥体仿真计算模型：(a)无台阶；(b)有台阶；(c)涂敷本发明的表面爬行波吸收涂层。

图3为不同极化电磁波照射时有无台阶球锥体单站RCS仿真计算结果对比图。

图4为在10GHz处吸波层反射率随厚度变化曲线。

图5为涂敷厚度为0.5mm，宽度分别为6.25mm、11.25mm、16.25mm和21.25mm的本发明的表面爬行波吸收涂层后，带有台阶的球锥体单站RCS仿真计算结果。

图6为涂敷宽度为11.25mm，厚度分别为0.3mm、0.5mm、0.7mm和0.9mm的本发明的表面爬行波吸收涂层后，带有台阶的球锥体单站RCS仿真计算结果。

图7为涂敷本发明的表面爬行波吸收涂层(厚度为0.3mm、宽度为11.25mm)与常规涂层(厚度为0.4mm、宽度为30mm)以及未涂敷涂层，带有台阶的球锥体单站RCS仿真计算结果对比图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

如图1所示，为本发明的一种表面爬行波吸收涂层结构，其涂覆在目标10的表面，该涂层结构包含自目标10表面由里至外粘结设置的吸波层20和导电反射层30，该吸波层20能将目标表面爬行的电磁波(即表面爬行波40)吸收并转化成热能，该导电反射层30具有反射作用，能抑制进入到吸波层中的爬行电磁波对外辐射；所述吸波层20的材料具有阻抗特性，以使爬行电磁波尽量多地进入吸波层。进一步地，所述的吸波层20的材料还具有损耗特性，以确保进入吸波层的爬行电磁波能够被完全吸收。

所述的吸波层选用磁损耗型吸波材料。所述的吸波层的材料包含基底粘结剂及软磁性金属粉末，较优的实施例中，该软磁性金属粉末呈片形；该软磁性金属粉末选择羰基铁粉、镍粉、钴粉中的任意一种。所述的基底粘结剂选择环氧树脂。为保证吸波层的电磁匹配性，软磁性金属粉末在整个吸波层中的体积百分比范围为25％～35％为宜。

所述的导电反射层包含基底粘结剂及导电颗粒。所述的导电颗粒为金属材质颗粒，选择铜或银中的任意一种。为保证导电反射层的电磁波反射性能，导电颗粒在整个导电反射层中的体积百分比范围为35％～45％，导电反射层的厚度范围为30μm～50μm。

本发明的吸波层和导电反射层可以通过喷涂进行制备，具体包含以下五个步骤：

步骤1，颗粒预处理。利用偶联剂，如硅烷偶联剂KH550对电磁颗粒(软磁性金属粉末、导电颗粒)进行预处理，以此改善颗粒与树脂之间的相容性，增强材料的力学性能。

步骤2，计算与称量。根据各层材料的厚度和其中电磁颗粒的体积分数计算出所需的电磁颗粒与环氧树脂(基底粘结剂)的质量，考虑到喷涂过程中的消耗，按照所需质量的1.5倍称量电磁颗粒和环氧树脂；

步骤3，混合搅拌。先将环氧树脂与稀释剂进行混合并搅拌至环氧树脂完全溶解，再加入一定量的分散剂白炭黑和消泡剂，通过高速分散机对混合物进行搅拌，待其完全分散后在持续搅拌过程中逐步加入电磁颗粒，再连续搅拌一定时间，以使电磁颗粒完全分散；

步骤4，喷涂。将喷枪与空压机进行连接，将分散好的混料倒入喷枪的漏杯，喷涂过程中喷嘴垂直朝下，喷嘴与喷涂表面的距离大约25cm，进行多次喷涂，每次喷涂过程中需等已喷涂层表面干后进行下一次喷涂。

步骤5，涂层后处理：喷涂完成后，将其放置在干燥箱中固化成型，成型后称量喷涂材料的质量，与步骤2中计算的电磁颗粒与环氧树脂总质量进行对比，过重时则利用砂纸进行表面打磨处理。

利用球锥体模型，对本发明提出的表面爬行波吸收涂层涂敷效果进行仿真计算分析。仿真计算频率为10GHz，仿真计算模型如图2所示，其中包括三类模型：(a)无台阶球锥体模型，其锥体高度400mm、锥体底面半径和底部半球体半径皆为20mm；(b)有台阶球锥体模型，其锥体高度400mm，锥体底面半径为20mm、底部半球体半径为21mm；(c)涂敷本发明的表面爬行波吸收涂层的有台阶球锥体模型，其锥体高度400mm，锥体底面半径为20mm、底部半球体半径为21mm，自底部台阶起在圆锥体表面涂敷一圈本发明表面爬行波吸收涂层，涂层的厚度和宽度可以变化。

为了突显出台阶对表面爬行波的散射影响，比较TE波(电磁波的电场分量与电磁波传播方向和贴片法线方向构成的平面垂直，磁场分量在该平面内)和TM波(电磁波的电场分量在电磁波传播方向和贴片法线方向构成的平面内，磁场分量与该平面垂直)照射时，无台阶球锥体模型和有台阶球锥体模型单站雷达散射截面(RCS)。仿真计算结果如图3所示，图中横坐标角度对应电磁波传播方向与球锥体轴线之间的夹角。从图中可以看出，TM波照射时无台阶球锥体模型和有台阶球锥体模型单站RCS之间差异更为明显，即台阶对表面爬行波的散射影响能够更加显著表现出来，在整个-10°～10°范围内有台阶球锥体模型比无台阶球锥体模型单站RCS高出3.95dB～10.75dB。因此，在以下仿真计算中皆采用TM波照射。

接下来，进一步仿真本发明提出的表面爬行波吸收涂层带来的效果。在此，吸波层由环氧树脂和体积分数为30％的片形羰基铁颗粒组成，该吸波层在10GHz的复介电常数为13.46-0.32j、复磁导率1.63-1.57j。为了快捷地得到表面爬行波吸收涂层的有效涂敷宽度，先进行不同厚度下该吸波层吸波性能计算，可采用以下两式。

$Z_{in}=Z_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\μ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\tanh \left(j\frac{2\mathrm{\π}fd\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r}}{C}\right)---\left(1\right)$

$RL=20\lg \left|\frac{Z_{in}-Z_0}{Z_{in}+Z_0}\right|---\left(2\right)$

式中，Z₀表示空气的特性阻抗，其大小为377Ω；Z_in为涂层对入射电磁波的输入阻抗；ε_r为涂层的复介电常数；μ_r为涂层的复磁导率；f为计算频率，在此等于10GHz；d为涂层的厚度；C为电磁波在自由空间中的传播速度，其大小约为3.0×10⁸m/s。图4给出了在10GHz处该吸波层反射率随厚度变化曲线，从图中可以看出在厚度为1.25mm时吸波层的吸收性能最佳。根据电磁波在材料中的传输原理，该厚度对应电磁波在材料中的1/4波长，据此将表面爬行波吸收涂层的有效涂敷宽度设为1.25(4n+1)mm，其中n为正整数。

图5给出了涂敷厚度为0.5mm，宽度分别为6.25mm、11.25mm、16.25mm和21.25mm本发明表面爬行波吸收涂层后，带有台阶的球锥体单站RCS仿真计算结果，并与有台阶未涂敷表面爬行波吸收涂层的球锥体单站RCS仿真结果进行了对比。从图中可以看出，本发明提出的表面爬行波吸收涂层能够有效地吸收球锥体表面爬行波，从而使球锥体RCS明显缩减。缩减大小与涂层的宽度有密切的关系，并且随着涂层宽度的增加，RCS缩减程度有先增大后减小的变化趋势。因此，在工程使用时，应注意选择最佳涂敷宽度，而并不是涂敷宽度越大越好。在整个-10°～10°范围内，涂敷厚度为0.5mm、宽度为11.25mm的本发明表面爬行波吸收涂层，整体上带来的球锥体RCS缩减效果更好，相比于有台阶未涂敷表面爬行波吸收涂层的球锥体的单站RCS减小6.05dB～13.99dB。

图6给出了涂敷宽度为11.25mm，厚度分别为0.3mm、0.5mm、0.7mm和0.9mm本发明表面爬行波吸收涂层后，带有台阶的球锥体单站RCS仿真计算结果，并与有台阶未涂敷表面爬行波吸收涂层的球锥体单站RCS仿真结果进行了对比。从图中可以看出，本发明提出的表面爬行波吸收涂层带来的锥体RCS缩减大小与涂层的厚度也有密切的关系，并且随着涂层厚度的增加，在0°角度附件RCS缩减程度逐渐减小，甚至会超过未涂敷表面爬行波吸收涂层的球锥体单站RCS；而在其它角度，球锥体RCS缩减程度随着涂层厚度的增加而增大。同理，在工程使用时，也应注意选择最佳涂敷厚度，权衡所涉及的整个角度范围内的RCS缩减效果。

为了突显本发明提出的表面爬行波吸收涂层的优势，在此与常规涂层(表面无导电层)进行了对比，仿真计算结果如图7所示。图中本发明表面爬行波吸收涂层的涂敷厚度为0.3mm、宽度为11.25mm，要接近本发明表面爬行波吸收涂层带来的RCS缩减效果，常规涂层的涂敷厚度0.4mm、宽度为30mm，无论是涂层的涂敷厚度还是涂敷面积，常规涂层均大于本发明提出的表面爬行波吸收涂层；并且在-2°～2°范围内，涂敷本发明提出的表面爬行波吸收涂层比涂敷常规涂层，球锥体RCS下降8dB以上。

本发明提出的表面爬行波吸收涂层，其性能的关键在于吸波层电磁性能，它由吸波层的电磁参数、涂敷厚度以及涂敷宽度决定。因此，在工程应用过程中，需要针对所面临的实际情况，进行吸波层的电磁参数、涂敷厚度以及涂敷宽度设计，使吸收涂层能够更加有效地吸收表面爬行电磁波。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。