导电涂料在复合材料雷达目标特性控制中的应用

　　张天才１，王永凤１，冯利军１，张凯２，邓爱明１，陈亮１，王运奇３
　　
　　（１．中国兵器工业第五九研究所，重庆４０００３９；２．中国工程物理研究院，绵阳６２１９００；３．６６１８４部队，保定０７４２００）
　　
　　摘要：以水性聚氨酯为粘结剂，短切碳纤维为导电填料，制备了系列不同电阻率的导电涂料，研究了导电涂料中碳纤维对表面电阻率、雷达波透过率及ＲＣＳ的影响，并通过调节涂层碳纤维含量实现了对复合材料外形伪装诱饵ＲＣＳ的控制。实验结果表明，导电涂料具有优异的雷达波反射特性，可应用于装备伪装领域假目标ＲＣＳ控制、复合材料包装箱电磁屏蔽以及装备防静电包装。
　　
　　关键词：导电涂料；复合材料；透波材料；ＲＣＳ控制
　　
　　中图分类号：ＴＢ４８４．３；ＴＢ４８７文献标识码：Ａ文章编号：１００１－３５６３（２０１２）０３－０１４２－０４
　　
　　树脂基复合材料具有质轻、比强度高、耐腐蚀、耐老化、高性价比、成型工艺简便等优点，在假目标伪装、装备包装箱以及导弹、火箭炮壳体上有广泛的应用。由于传统的树脂基复合材料介电常数小，属于绝缘材料，透波率较高，存在以下问题：在装备假目标伪装领域，与真实金属目标雷达目标特性相差较大，容易被敌方雷达识别，达不到“隐真示假”的目的；在装备包装箱中，复合材料的透波性能导致了包装箱内武器的雷达信号特征几乎完全暴露于探测仪器中，其雷达散射截面往往比包装箱本身的雷达散射截面要大得多，在集结阵地堆放或调动运输过程中易于被识别发现［１］；在导弹、火箭炮壳体应用中，当电磁波穿透武器系统的敏感器件时，极易使指挥控制系统失效或指令错误，或使火工品、弹药、电爆装置、电子引信等在电磁能量的作用下发生燃烧爆炸，严重影响武器装备的安全和使用性能［２］，因此，对树脂基复合材料进行表面处理，使其具有金属的导电性和微波不透过性，是复合材料在军事领域应用过程中的研究重点。
　　
　　导电涂料具有成本低、导电性好、应用方便等特点，是实现复合材料表面金属化的一种有效技术途径。常用的导电涂料主要是以复合法制得的，一般由合成树脂、导电填料和溶剂配制而成，将其涂覆于基材表面形成一层固化膜，从而产生导电效果。在导电涂料中，导电性填料一般是金、银、铜、镍等金属粉末和炭黑、石墨等非金属粉末以及导电纤维类。金粉的导电性最高，化学稳定性好，但价格昂贵，以致使用受到限制；银粉的导电性也很优良，价格较金粉低，配胶后易沉淀，有“迁移”现象，应用较为普遍；铜、镍的性能与银相近，价格比银低得多，但易氧化，导电性不稳定，耐久性差；炭黑、石墨粉末作为导电填料，其分散性好，价格低廉，但导电性较差；碳纤维、金属纤维等导电性较好，分散较为困难，应用不便，但纤维在涂料中添加量小，解决好施工工艺性，则具有较好的应用前景［３］。以水性聚氨酯为粘结剂，短切碳纤维为导电填料，制备不同电阻率的导电涂料，研究碳纤维含量对涂层表面电阻率、雷达波透过率及ＲＣＳ的影响，实现对复合材料外形伪装诱饵ＲＣＳ的控制。
　　
　　１试验
　　
　　１．１主要原材料
　　
　　水性聚氨酯乳液（上海思盛化学），固含量为３０％，ｐＨ值为６；短切碳纤维（市售），碳质量分数≥９６％，直径为２１μｍ；高岭土、轻钙为市售产品；分散剂、消泡剂、成膜助剂等助剂均为国产。
　　
　　１．２导电涂料制备
　　
　　将水性聚氨酯乳液加入分散桶中，向其中加入钛白粉、轻钙以及分散剂、成膜助剂、部分消泡剂和部分去离子水，用高速分散机分散均匀；再将碳纤维加入分散液中，搅拌时缓慢加入剩余的消泡剂和去离子水，分散３０ｍｉｎ以上，直至纤维在分散液中均匀分布。导电涂料的基本配方见表１。

　　表1导电涂料基本配方

　　１．３复合材料导电试板制备
　　
　　将碳纤维质量分数为０～１０％的导电涂料喷涂于１８０ｍｍ×１８０ｍｍ×２ｍｍ的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料试板上，待实干后测试表面电阻率和ＲＣＳ。

　　 　　根据复合材料试板ＲＣＳ测试结果，选择电阻率适当的导电涂料涂装复合材料外形伪装诱饵，待实干后测试其ＲＣＳ。
　　
　　１．４性能测试
　　
　　导电涂层的表面电阻率按ＧＢ／Ｔ１４１０－２００６固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法进行测试。
　　
　　复合材料试板及外形伪装诱饵在微波暗室参照ＧＪＢ２０３８－１９９４雷达吸波材料发射率测试方法进行测试。
　　
　　２结果与讨论
　　
　　２．１碳纤维含量对涂层表面电阻率的影响
　　
　　以水性聚氨酯为粘结剂，短切碳纤维为导电填料，导电涂层中碳纤维质量分数为０～１０％，涂层的表面电阻率变化情况见图１。

　　图1碳纤维质量分数对涂层表面电阻率的影响

　　图１中，纵坐标ｌｇ（ＳＲ／Ω）为表面电阻率取对数。从图１中可以看出，导电涂层随着碳纤维质量分数的增加，表面电阻率逐渐降低，当纤维质量分数从０增加到１０％时，涂层的表面电阻从２．０１×１０１１Ω降低到７．３９×１０２Ω；当涂层中碳纤维质量分数低于２％时，表面电阻率下降很快；碳纤维质量分数在２％～１０％时，表面电阻率下降趋缓。
　　
　　在导电涂料涂层中，碳纤维含量对导电涂料导电性能的影响与“渗流作用”一致。只有当导电粒子的填充量达到某一特定值时，才能形成电流流经的通道，涂层才具有导电性，此特定值称为渗流临界值。在导电填料含量低于渗流临界值时，载流子完全被绝缘性聚合物包附，无法形成电子流通的通道，此时涂层的电阻基本上是绝缘性聚合物的电阻［４－５］；当导电填料的体积分数达到渗流临界值时，由于导电粒子相互接触而导通，涂层的电阻明显下降。在涂层中，当碳纤维的质量分数小于２％时，碳纤维被聚合物包裹，不能形成导电通路，因此表面电阻率较高；当碳纤维质量分数大于２％时，碳纤维之间形成导电通路，表面电阻率下降较快；当碳纤维添加的质量分数大于１０％时，对导电涂料的分散、施工及成膜性能产生不利影响。从涂层导电角度考虑，碳纤维质量分数在２％～１０％为宜。
　　
　　２．２碳纤维质量分数对复合材料试板雷达波反射特性的影响
　　
　　制备碳纤维质量分数为０～１０％的复合材料导电涂层试板，试板规格为１８０ｍｍ×１８０ｍｍ，导电涂层厚度为５０～１００μｍ，待实干后，在微波暗室测试雷达波反射特性（雷达散射截面积：ＲＣＳ），测试频率为１０ＧＨｚ；然后以金属板为参照物，将导电涂层试板的ＲＣＳ值换算为雷达波透过率（Ｔ），则碳纤维含量与导电涂层试板ＲＣＳ和雷达波透过率的关系见图２。

　　图2涂层试板RCS和雷达波透过率与碳纤维质量分数的关系

　　从图２中可用看出，涂层中不含碳纤维时，ＲＣＳ为－５．４９ｄＢｓｍ，雷达波透过率为９８％；碳纤维质量分数为１％时，ＲＣＳ为１．４９ｄＢｓｍ，雷达波透过率为８９％；碳纤维质量分数增加到５％时，ＲＣＳ为１０．１３ｄＢｓｍ，雷达波透过率为２１％；当碳纤维质量分数增加到１０％时，ＲＣＳ增加到１０．７ｄＢｓｍ，雷达波透过率为１０％，与金属板的ＲＣＳ（１１．２ｄＢｓｍ）比较接近，因此，通过控制碳纤维含量，试板的ＲＣＳ值可以在－５．４９～１０．７０ｄＢｓｍ之间调节。涂层的表面电阻率与其雷达波反射特性直接相关，表面电阻率越低，雷达波反射越强，从图２中可以看出这个趋势，随着导电涂层中碳纤维的增加，表面电阻率逐渐降低，而ＲＣＳ逐渐增大。碳纤维质量分数由０增加到５％时，ＲＣＳ、雷达波透过率变化剧烈；当碳纤维质量分数大于５％时，其变化趋于平缓，这与表面电阻率的变化趋势不一样，电阻率在纤维质量分数大于２％时，变化趋于平缓。

　　 　　２．３导电涂料对复合材料壳体ＲＣＳ的影响
　　
　　外形伪装诱饵采用环氧树脂基复合材料制备，属于透波材料，ＲＣＳ极低，与真实金属目标的ＲＣＳ相差较大，很容易被敌方雷达区别，很难实现伪装自己、迷惑敌人的目标。从前面的试验结果可以看出，采用不同导电涂料对透波复合材料进行处理，可增大目标的ＲＣＳ，并可通过调节碳纤维在导电涂层中的含量，控制目标的ＲＣＳ，这为伪装诱饵雷达目标特性设计提供了技术途径。
　　
　　采用碳纤维质量分数１％，５％和１０％的导电涂料对复合材料外形伪装诱饵进行处理，并对其ＲＣＳ进行测试，在１０ＧＨｚ频率下，０°，９０°，１８０°ＲＣＳ及（０～３６０°）ＲＣＳ均值见图３。

　　图3导电涂层对外形伪装诱饵RCS的影响

　　从图３中可以看出，采用导电涂料处理后，外形伪装诱饵在０°，９０°，１８０°ＲＣＳ及０°～３６０°ＲＣＳ均值均有显著变化。当纤维质量分数由０增加到１０％时，０°ＲＣＳ由－２１．４２ｄＢｓｍ增大到－１３．８ｄＢｓｍ，９０°ＲＣＳ由－２５．３１ｄＢｓｍ增大到－１４．４６ｄＢｓｍ，１８０°ＲＣＳ由－１２．４９ｄＢｓｍ增大到０．３５ｄＢｓｍ，０°～３６０°ＲＣＳ由－１９．３５ｄＢｓｍ增大到－７．３８ｄＢｓｍ，与原金属目标的ＲＣＳ接近，达到了迷惑敌方雷达的目的。
　　
　　３结论
　　
　　１）碳纤维含量与导电涂料的表面电阻率直接相关，通过调节碳纤维的含量可得到不同的表面电阻率。碳纤维添加量越高，导电性越好，但制备及施工难度大，涂膜质量差；碳纤维添加量小，涂膜质量好，但导电性能差，综合这２方面因素考虑，碳纤维含量在２％～１０％范围内为宜。
　　
　　２）涂层中碳纤维含量对目标的ＲＣＳ及雷达波透过率有较大影响，通过控制图层中碳纤维含量，试板的ＲＣＳ值可以在－５．４９～１０．７０ｄＢｓｍ之间调节，雷达波透过率可在９８％～１０％之间调节。
　　
　　３）导电涂料通过复合材料外形伪装诱饵上应用，可显著提高诱饵的ＲＣＳ，并与真实目标接近，具备较好的伪装效果，并可通过控制涂层中碳纤维含量，得到不同的ＲＣＳ值，方便了伪装目标的ＲＣＳ设计。
　　
　　从实验结果可以看出，该导电涂料具有优异的雷达波反射特性，与金属接近，是一种优良电磁波屏蔽材料，可用于装备伪装领域假目标ＲＣＳ控制、复合材料包装箱电磁屏蔽以及装备防静电包装。