吸波材料的失效行为分析及修复技术研究*

李宝毅，周必成，赵亚娟，王　蓬，张　榕

(1 中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西　太原　030006；2 电磁防护材料及技术山西省重点实验室，山西　太原　030006)



吸波材料的失效行为分析及修复技术研究*

李宝毅1,2，周必成1,2，赵亚娟1,2，王蓬1,2，张榕1,2

(1 中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西太原030006；2 电磁防护材料及技术山西省重点实验室，山西太原030006)

吸波材料的失效分析对武器装备的隐身性能具有重要意义。首先概括了吸波材料的主要失效形式，并对其失效机制、可能的原因以及可粗取得预防措施进行了分析。然后简述了吸波材料失效的判断方法、修复的意义及常用工艺，总结了国内外吸波材料修复技术的发展现状，特别是美军的吸波材料吸附技术发展现状。最后对未来吸波材料修复技术的发展趋势进行了展望。

吸波材料；失效；修复技术

隐身性能是四代机、四代舰等新一代武器装备的重要指标，是保证装备在复杂战场电磁环境下生存能力、作战能力的关键。应用高性能吸波材料是实现先进装备高隐身性能必不可少的手段。目前国际上研发或服役的新一代战机如美国F-22、F-35、俄罗斯T-50及我国的J-20等均大量使用了吸波材料。

吸波材料通过与入射电磁波的相互作用将电磁能转化为热能，降低目标的回波强度，使飞机的雷达散射截面(RCS)减小，从而实现装备的隐身。在装备的运输、贮存及作训过程中，因碰撞、划伤或自然老化等原因，吸波材料的结构和组分将不可避免的发生各种物理化学变化，引起材料开裂、脱落、变质等，导致吸波材料性能下降甚至完全失效，严重影响武器装备的战场生存能力和作战效能的发挥[1-2]。因此，研究吸波材料的失效行为及其修复技术具有十分重大的现实意义。

国外高度重视对吸波材料的失效分析研究，开发出了系列电性能稳定和可快速修复的吸波材料[3-8]，相对而言，国内对吸波材料的失效行为分析却研究不多，积累的数据和经验较少。针对此情况，本文从吸波材料失效的主要表现形式出发对吸波材料的失效机制进行分析，并总结国内外应对吸波材料失效的措施，提出未来吸波材料修复技术的发展方向，期望能对国内吸波材料的发展有所帮助。

1　吸波材料的失效形式

吸波材料主要由基体和吸收剂两部分组成，其中基体赋予材料良好的耐候性能和物理性能，主要有环氧类、树脂类、橡胶类、陶瓷类等；吸收剂赋予材料电磁波吸收性能，主要有铁氧体、金属微粉、碳材料等[9]。吸波材料的失效是一个长期的从量变到质变的过程，包含各种物理的、化学的因素。按照其失效部位可分为基体失效和吸收剂失效，按照其失效原因可分为物理失效和化学失效，按照其表现形式可分为脱落、附着力下降、开裂、变形及吸收剂变质等。图1为吸波材料失效的表现形式及可能引起的原因汇总。

图1　吸波材料的失效形式

2　吸波材料的失效分析

吸波材料在材料制备、基底预处理、施工及服役中的全过程中，任何一个环节都有可能出现导致材料失效的因素。本部分将根据吸波材料失效的表现形式分别对其失效机制和可能的原因进行分析。

2.1脱落或附着力下降

这是一种与材料的附着力丢失相关的失效形式，常见于吸波涂层和贴片型吸波材料，表现为材料与基底剥离或粘结不牢，如图2所示。在吸波材料施工时，若基底预处理不彻底(如存在油污等)，则会导致材料与基材的连接强度降低，易出现脱落失效。某些吸波材料工作时因外界环境的变化长期经受交变载荷的作用，如工作在密封垫圈等处的吸波材料在冷热交变作用下产生膨胀和收缩等，也容易导致材料附着力的下降。吸波材料的大面积脱落将导致装备雷达散射截面增大，隐身效果降低甚至完全丧失，严重时甚至会卷入进气道等导致装备的重大安全事故。吸波材料的脱落表明其施工工艺和使用形式还存在一定的缺陷，通过对这两个方面的改进可以降低材料的脱落几率，提高使用寿命。

图2　吸波材料的脱落失效

2.2开裂

吸波材料开裂是与材料内部应力集中相关的一种失效形式，表现为材料产生表面微裂纹、腭裂、整体开裂(如图3所示)、层间分离等，集中出现在武器装备的结构过渡连接处、存在高温或温度变化的部位以及容易遭受碰撞的部位。由于装备的过渡区和连接位置结构较为复杂，吸波材料施工时容易引入气孔等缺陷并存在厚度不一致的问题，在长期的服役过程中因机械振动、温度变化等产生的应力将在缺陷处集中，积累到一定的程度后产生微裂纹以释放应力，随后进行裂纹的扩展和增殖，导致吸波材料开裂。在存在机械运动(如固定螺钉部位)和温度交变(密封垫片处)的部位，这种应力累积将会被加速，从而更容易导致吸波材料的开裂。

图3　吸波材料的开裂失效

开裂失效归因于材料内部的应力集中，这些应力的来源极为广泛[10]，如吸波材料靠近振动源产生的振动应力，经受温度冲击热胀冷缩产生的热应力，溶剂挥发和基体变质产生的体积变化应力，受外来冲击产生的冲击应力等，各种应力在材料缺陷和结构变化处集中，并最终以裂纹的形式释放，形成开裂失效。

由于应力来源的不受控制，故只能采用优化吸波材料成分、结构和工艺等措施。其中，粘结剂是吸波材料力学性能的主要影响因素，对提高材料的抗开裂能力至关重要[11]。当前应用于吸波材料的粘结剂主要有橡胶基和树脂基两大类，橡胶基材料具有弹性高、柔韧性好、抗振动等特点，树脂基材料具有附着力强、有一定的刚度、耐冲击等特点，其中以聚氨酯和环氧树脂的应用最为广泛。选择粘结剂时，除了要考虑吸波材料的整体电磁参数匹配外，还要综合考虑粒子相容性、颗粒级配、化学活性和力学性能等多个因素，尽量减少材料内部的缺陷，提高吸波材料的内聚强度和层间结合强度，必要时需要对粘结剂进行改性处理[12]，以提高应对开裂失效的能力。

2.3变形

形状是影响吸波材料吸收性能的一个重要因素，变形则是材料的宏观形貌发生改变的一种失效形式。当吸波材料与浸渍、潮湿等环境长期作用时，会因吸收空气中的水分或部分材质遭受环境腐蚀导致吸波材料的整体形状改变，诸如锥体的“塌腰”(如图4所示)、吸波泡沫厚度收缩等。而在暴晒、风沙环境下的吸波材料，则可能在紫外线、氧气及应力的综合作用下发生粉化、褪色、弯曲等形貌的变化。

图4　吸波锥体的塌腰变形

预防吸波材料变形的关键是阻断外界环境对吸波材料的侵蚀通道，例如在吸波材料表面增加保护层。但保护层在提高吸波材料抗侵蚀能力的同时也影响了其阻抗匹配性能，导致其吸波效果发生变化，这需要在具体实施过程进行综合考虑。杜纪柱等[13]提出了一种利用炭包EPS颗粒制备新型谐振式吸波锥体烦的设计方法，具有不受环境影响，使用寿命长等优点，适用于南方潮湿多雨环境中吸波暗室使用。

2.4吸收剂变质

吸收剂是吸波材料具有吸波功能的主要功能来源，其性能的稳定性对材料的隐身效果有着决定性的作用。吸收剂变质是与吸收剂失稳相关的一类失效形式，包括吸收剂组成成分、微观形貌以及分布状态的改变。铁磁类吸收剂是使用最广泛的一种吸波材料，但在高温和氧化气氛的共同作用下容易发生氧化，使吸收剂变质，从而使材料丧失隐身功能。图5是某吸波材料在高功率微波照射7天后的吸收性能变化，可以发现其吸收效果有了明显的降低，这就是由于高功率微波产生的高温使吸收剂氧化的结果。

图5　高功率微波作用前后吸波材料的性能对比

核壳结构、空心结构等特殊微观结构使吸收剂具有更好的吸波性能，但这种特殊结构能否稳定存在是制约其应用的关键。如表面金属化的磁性微珠容易受到氧化腐蚀而变质，表面包覆导电导磁层的有机高分子微球容易在外力的作用下变形而脱落。因此，对于特殊微观结构吸收剂的使用应重点考察其结构稳定性。

吸收剂分布状态的改变也可引起材料性能的降低。在吸波材料的施工过程中，搅拌不充分或固化时间过长等因素会引起较重的吸收剂下沉，导致吸收频段偏离预设值。锥体吸波材料和碳纤维增强吸波材料在加工和使用过程中会有吸收剂的脱落现象，长期积累下会导致吸收性能的逐渐下降进而失效。

3　吸波材料失效的判断

吸波材料在使用过程中将不可避免的出现各种损伤，对其进行合理的失效判断是进行吸波材料维修的基础。根据目前的测试手段，吸波材料的失效判断可采用目测、无损检测和反射率测试等方式。

(1)目测：对于吸波材料的脱落、开裂、变形等宏观形貌有显著变化的失效形式，可通过肉眼观察判断。

(2)无损检测：对于由缺陷导致的吸波材料失效可以利用无损检测的方法进行判断。利用超声波检测仪进行图谱分析，可以判断材料与基底间是否存在空气层，材料内部是否产生气泡、裂纹等。

(3)反射率测试：对于因吸收剂和基体变质等引起的失效，由于材料的表观和内在结构特征均无明显变化，必须对其进行反射率测试以判断是否失效。可采用便携式雷达波反射率测试仪进行反射率测试，或在微波暗室中对装备的RCS进行检测，以判断材料是否满足设计要求。

4　吸波材料的修复技术

武器装备设计定型后，其隐身性能的好坏取决于吸波材料的完整程度，关键部位(如进气道、机身缝隙)吸波材料的损伤，可导致隐身性能的显著下降。因此，世界各国十分重视吸波材料的修复。据统计，F-117战机每飞行1 h平均要100 h的维修工作量；B-2飞机95%的表面涂覆有一种韧性吸波涂层，每次飞行后都需要对表面涂层进行掉屑、划伤和腐蚀等检查修复。美军高度重视吸波材料修复技术对隐身武器装备的作战效能的提升作用，目前美军的吸波材料修复技术已在其军用飞机上实现了工程化应用。

美军对吸波材料修复能力的建设主要有两个措施：

(1)加强对易修复吸波材料的研制。在吸波材料的研制阶段即提出明确的维修要求，对吸波材料各类故障形式制定最大允许尺寸，监控故障发展情况，综合使用贴片技术、喷涂技术以及机器人智能修复等多种技术手段，保证新型吸波材料可应用于装备隐身能力的快速修复。

(2)加强装备吸波材料快速维修能力的建设，建设多级维修体制。根据材料失效面积的大小，分别由装备使用人员、维修部门以及生产厂商进行不同级别的维修，以保证装备隐身性能的快速恢复。美军完善的吸波材料维修体系为装备优异的隐身性能提供了有效保障。

我国对吸波材料的修复技术研究较晚，还处于探索研究阶段，主要单位有兵器工业第五九研究所、北京航空材料研究院、中国电子科技集团公司第三十三研究所、国防科技大学等，研究重点集中在吸波材料的损伤机理、快速修复技术以及原始数据积累等[14-16]。在吸波材料修复技术的工程化应用方面国内还未取得实质性进展，为保障武器装备寿命期内完好的隐身性能，开发适于外场使用要求的快速修复技术是必不可少的。

5　建议和展望

吸波材料在武器装备中的应用越来越广泛，在提高装备的突防性能、作战效能和生存能力方面发挥着举足轻重的作用，这对吸波材料的性能稳定性提出了严峻挑战。吸波材料的修复技术应具备方便快捷、工艺简便、可操作性强等特点，需要在以下几个方面加强研究：

(1)加强对吸波材料失效机理和预测技术的研究。分析不同作战环境下吸波材料的成分、组织、结构和性能的演化规律，掌握材料寿命周期内组织缺陷和吸波性能的预测方法，使吸波材料的失效分析做到有理可依。

(2)研究使用方便、易于修复的新型吸波材料。利用纳米材料、磁性微球等高效吸收剂和超材料等先进材料设计方法，降低材料的厚度和对选材的制约，优化材料的组织和结构体系，提高其使用寿命和可修复性。

(3)吸波材料的无损检测技术。研究利用射线、超声等无损检测技术快速确定多组分、多相、多层复杂体系中缺陷的种类、数量和位置的技术，判断难以通过外观检测发现的吸波材料失效。

(4)吸波材料的原位快速修复技术。原位修复技术可在外场环境下直接进行，具有快捷、方便、高效、低耗等特点，是对失效区域进行快速修复的一种经济有效方法。国内对此方面的研究较弱，应加强对此的研究，争取快速实用化。

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Failure Types of Radar Absorbing Materials and Its Repair Techniques*

LI Bao-yi1,2, ZHOU Bi-cheng1,2, ZHAO Ya-juan1,2, WANG Peng1,2, ZHANG Rong1,2

(1 No.33 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shanxi Taiyuan 030006；2ElectromagneticProtectionMaterialsandTechnologyKeyLaboratoryofShanxiProvince,ShanxiTaiyuan030006,China)

The failure analysis of wave absorbing material plays an import role in weapons’ stealth. The main failure types and the failure mechanisms of absorbing materials were discussed. And then the judge methods for failure and its repair techniques were summarized, the research developments of repair techniques of absorbing material both of the domestic and foreign were also reviewed. Finally, the developing trend of absorbing repair technology was discussed.

wave absorbing materials; failure; repair techniques

山西省青年科技研究项目(2015021083)；国家国际科技合作专项资助项目(2014DFR10020)。

李宝毅(1983-)，男，工程师，博士，研究方向：电磁防护材料。

TB304, TQ050.4+3

A

1001-9677(2016)014-0015-04