石墨烯在舰船雷达透波防护材料中的应用

康新征 卢硕 于冰

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的呈蜂巢晶格状六角型的平面二维碳纳米材料，具有优良的导电、导热、疏水、疏油性能和巨大的比表面积，因此使得石墨烯在防腐领域有着广泛的应用前景。将石墨烯以颜料形式应用于舰船雷达天线透波涂料中，借助石墨烯良好的导电性能和物理屏蔽性能，可大幅度改善舰船雷达天线防护涂料的使用性能，延长涂料使用寿命，保障雷达天线在恶略海洋环境下的装备可靠性，具有重大的军事意义和战略价值。同时为石墨烯在军事装备应用领域提供了一个新思路，为国内石墨烯产业化的发展开拓了一个新方向。

1 前言

舰载雷达天线罩（又称“天线罩”“雷达罩”）是保护舰载雷达天线系统免受外部海洋环境影响的结构设备，一般由玻璃钢等复合材料制成。舰船雷达透波防护材料是涂装在雷达罩表面，保护其免受环境影响的功能性防护涂料。

在恶劣的海洋环境下，舰船各型雷达面临严酷的腐蚀问题。如何降低材料腐蚀而造成的设备失效问题，使船舶电子设备时刻处于良好的防护状态，最大限度地延长雷达天线的使用寿命，是海军舰船维修保障的重要课题。石墨烯——作为一种新型的碳纳米材料，具有独特的二维分子结构和良好的导电性能，为研发新型舰船雷达防护涂层提供了新的思路。石墨烯具有的双疏性能（疏水、疏油）、单原子层结构及分子不可渗透性，可以良好地屏蔽氯离子、水和氧等腐蚀介质的侵入，石墨烯是被公认为最薄的防护材料；石墨烯稳定的分子结构，可以降低紫外线造成的高分子材料老化问题；而石墨烯优异的导电性能，克服了有机涂层电阻率高的问题，因此石墨烯在舰船雷达透波防护领域具有广阔的应用前景。

2 国军标、海军标对舰船雷达透波防护涂层的性能要求

与航载雷达相比，舰载雷达常年暴露于高温、潮湿和日光老化等海洋腐蚀环境（ISO 12944规定的C5—M腐蚀环境），保养和涂装困难，而恶劣的使用环境会造成涂层失效，导致天线罩表面静电荷积累，干扰雷达正常使用效能。因此舰载雷达专用涂层的防护期限和防护效果远远高于航载雷达；同时舰载雷达的有效涂装面积远超航载雷达，导致所需的透波防护涂料用量远大于航载雷达。近年来，随着海军服役舰艇吨位的稳步提升，军方对透波防护涂料的用量也急剧增长。因此，雷达天线透波涂料具有稳定的市场需求，非常符合石墨烯这种高附加值纳米材料的使用。目前，海军舰船雷达专用透波防护涂层为海军某研究院研制，而对涂层的性能要求主要集中在涂料基础性能、涂层机械性能、环境适应性能和电气性能这几个主要方面，其中涂层的机械性能和环境适应性能应满足海军标HJB 284a的要求，涂层的电气性能应满足国军标GJB 3531a的要求。目前，常见的雷达罩透波涂料配套体系见表1、表2，涂料涂层的常规性能见表3。

3 石墨烯材料的透波原理

舰艇雷达天线通过电磁波搜索、识别、判断目标物的位置和状态。雷达天线发射的电磁波传播过程中遇到不同介质时，在电磁波的入射面会发生反射和透射现象。当相邻介质的电磁波阻抗不匹配时，就会发生波反射现象，两物质波阻抗越不匹配，反射的电磁波就越多。一般雷达罩防护材料的透波性能主要由防护材料内部的阻抗匹配性和衰减性两方面条件决定，雷达天线罩防护涂层在设计时应兼顾涂层的环境防护性能和防护材料的波阻抗匹配性能，并且在长时间的服役环境下，必须保持防护材料的波阻抗的稳定性和匹配性，才能达到对天线罩的最佳防护效能。

当石墨烯应用于雷达透波防护材料时，石墨烯与涂层中的功能颜料通过复合协同效应，对涂层内部的电磁参数形成影响，同时利用石墨烯的高比表面积和优异的导电性能以及石墨烯与复相陶瓷粒子复合所带来的特殊界面极化、电子弛豫极化和偶极子极化等协同效应来透射电磁波，从而提高传统透波防护材料的电器性能，获得长效、宽频、质轻的透波防护涂层。

4 石墨烯防护涂层的研制

4.1 原料

改性聚氨酯树脂来自烟台万华聚氨酯股份有限公司；固化剂来自德国拜耳；云母、硅粘土来自北京利国伟业粉体有限公司；二氧化硅/（氮化硅/氮化硼）[SiO2/（Si3N4+BN）]复相陶瓷来自北京航空材料研究院；助剂来自德谦（上海）化学有限公司；石墨烯粉体和分散剂来自青岛华高墨烯科技股份有限公司。

4.2 涂料及样板的制备

依据涂料配方（见表4）依次加入各种原料，球磨分散仪低速分散均匀后，添加石墨烯粉体材料和分散剂，超高速分散仪高速分散30min，静置24h后过滤，检测涂料样品细度，如果细度不达标，再低速分散2h。

4.3 涂层性能测试

4.3.1 表面电阻率的测试

用细砂纸将100mm×150mm×3mm规格的玻璃钢试板打磨均匀，平均粗糙度为15μm，用丙酮将试板表面清洗干净，待完全干燥后按涂料配套要求喷涂防护涂层，室温干燥7d，用由兆欧表和2个铜电极组成的表面电阻测量仪测量涂层面电阻。平行测试3块试板，取平均值，即为该涂料的表面电阻率。

4.3.2 漆膜透波率的测试

规格为610mm×610mm×0.3mm的玻璃钢试板，表面处理和施工工艺同电阻率测试相同。将空白玻璃钢试板和制好的试板轮流置于发射天线和接收天线之间，测定不同频率的电磁微波透射功率T20和T2τ，两者比值即为该频率下的涂层透波率。

4.3.3 涂层机械性能和环境适应性测试

涂层的机械性能和环境适应性按照国标和国军标规定的方法进行。

4.4 聚氨酯石墨烯防静电涂料与现有防护涂料的比较

将新研制的聚氨酯石墨烯透波涂料与现有的雷达透波防护涂料制作试板后进行常规环境适应性、电气性能和人工加速老化后电气性能进行比较（测试数据见表5、表6），从测试数据可以看出，石墨烯可以大幅度延长涂层的防护效果，有效提高涂層的电导率和透波率，并且经过长时间老化后，涂层仍保持良好的透波效果，防护效果明显。

5 结语

通过系统的研究和实船测试，新研制的聚氨酯石墨烯透波涂料配套产品，较好地满足了我国常规雷达罩的防护需求，与传统透波涂料相比可以大幅度延长雷达罩的防护期限，保障雷达天线的正常使用。通过实验研究工作，可以归纳出以下几点结论：

第一，石墨烯作为良好的防腐材料和优异的导电材料，通过和传统的雷达罩涂料进行复合，可以大幅度提高原有涂料的防护效果，延长雷达天线罩的涂装间隔，降低舰船电子装备的维护频率，提高舰载雷达的环境可靠性，从而节约舰船的维护成本，军事和经济价值显著。

第二，研究工作为石墨烯在透磁方面的应用积累了宝贵的经验和数据，为石墨在军用领域的应用打开了一扇窗口。

第三，由于缺少微观检测设备，本文只能从宏观角度进行试验和数据分析，针对石墨烯材料在涂料中的分散状态和微观结构特征对电磁波的影响，缺少必要的理论研究，相关内容还有待行业专家进一步探讨研究。

参考文献

[1] 张赞，郭铭，康新征，等.舰艇雷达罩涂料筛选与涂装工艺研究[J].现代涂料与涂装，2010，13（2）：58—61.

[2] 蓝席建，周福根，冯伟东，等.石墨烯导电海洋重防腐涂料的研制[J].上海涂料，2014，52（12）：17—19.

[3] 李超，刘建超，陈青，等.航天透波复合材料的研究进展[J].高科技纤维与应用，2003，6（1）27—29.

[4] 曹京宜，林红吉，张寒露，等.舰艇雷达吸波涂料技术及应用[C].2015年中国涂料工业协会防腐涂料分会年会论文集，2015.

[5] 李大进，肖加余，邢素丽，等.机载雷达天线罩常用透波复合材料研究进展[J].材料导报，2011，11（25）352—356.

[6] 胡连成，黎义，于翘，等.俄罗斯航天透波材料现状考察[J].宇航材料工艺，1994，1（1）48—52.