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高强水泥基复合材料雷达波吸收性能研究

国爱丽  
【摘要】: 雷达探测技术的进步,促使军事领域对高质、宽频且低成本的雷达吸波材料的需求不断增加。军事掩体、公路、大桥等建筑为重点的军事防护对象,采用高强、价格低廉的水泥基复合吸波材料,使上述建筑对雷达隐身,对军事防护工程具有重要意义。为此,本文从材料的电磁性能、微观结构、理论计算及结构设计等方面开展了对高强水泥基复合吸波材料的研究。 针对目前水泥基复合吸波材料强度较低的情况,本文首先研制了剔除粗骨料的高强水泥基材料。以紧密堆积理论计算为基础,结合力学性能试验,确定高强水泥基材料的基本配合比并成型试件。采用四电极法测量试件电阻率,得到该材料导电性属于半导体的范围。为掌握该水泥基材料对雷达波反射率的基本规律,分别研究了不同水胶比、厚度对试件的雷达波(2~18GHz)反射率的影响。结果得到:水胶比改变,对材料雷达波反射率的影响不大;厚度增加,材料雷达波反射率降低。为更深入了解水泥基材料吸波原理,根据水泥基材料的电磁参数,采用单层吸波材料雷达波反射率公式,模拟不同厚度水泥基材料的吸波性能并与实测值进行对比。 采用电损耗吸波材料(如超细钢纤维、石墨)和磁损耗吸波材料(如铁氧体)分别与水泥基材复合,研究各种吸波材料的掺量和厚度对水泥基复合材料雷达波吸收性能的影响。试验表明:电损耗吸波材料有利于提高水泥基材高频段吸波性能,磁损耗材料有利于改善水泥基材料低频段吸波性能,但水泥基复合材料存在厚度和阻抗相匹配的问题。为进一步明确水泥基复合材料的吸波机理,通过预设水泥基复合材料在S~Ku(2~18GHz)的全频段内吸波值,进行优化水泥基复合材料电磁参数的计算。计算结果表明:吸波值越大,复合材料的介电常数的虚部值与磁导率虚部值应越大,且电损耗角正切值与磁损耗角正切值越接近。 通过分析谐振材料的吸波原理,选取适合掺入水泥基材,具有孔穴、空腔结构的沸石粉、粉煤灰漂珠及闭孔珍珠岩(玻化微珠)作为谐振材料与水泥基材复合,研究复合材料的雷达波吸收规律。在此基础上,采用石墨、铁氧体分别与漂珠、珍珠岩以混掺和表面涂挂的方式复合,比较两种方法对水泥基材料吸波性能的改善效果。结果得到:铁氧体涂挂珍珠岩的复合方式在S~Ku(2~18GHz)内均提高了水泥基复合材料的吸波性能,且-8dB的频段宽达14GHz。微观结构研究表明闭孔珍珠岩是连续釉化面与特殊蜂窝结构的相间分布的类球型颗粒、内部含有大量空腔。与吸波材料涂挂复合时,吸波材料在珍珠岩表面及空腔内均匀分散,形成了性能良好的谐振吸波体。该谐振体与水泥基材料复合,可有效的拓宽水泥基材料的吸波带宽。 综合上述研究,本文最后设计不同功能层,可形成整体组合结构的3层结构水泥基复合材料。根据“透、吸、散”的原则,确定分别以钢纤维、铁氧体水泥基复合材料为底层的2类3层结构。改变面层和中间层的吸波材料种类,研究各组试件的雷达波反射率。试验得到:沸石粉+水泥基材料/石墨涂挂珍珠岩+水泥基材料/钢纤维+水泥基材料的3层组合结构在X~Ku波段,吸波值均在10dB以上,即该结构的水泥基复合材料对X~Ku整个波段均具有隐身作用。


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