以水性聚氨酯为粘结剂
栏目:金属涂料 发布时间:2018-11-30 23:36

  慧聪涂料原料网讯: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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

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