在军事上，雷达吸波材料在实现目标隐身上具有重要意义，为此，制备出“薄、轻、宽、强”的吸波材料成为该领域的发展趋势，其按照材料成型工艺和承载能力可分为涂覆型和结构型两种^[1-5]。采用结构型吸波材料可兼具承载和吸波的双重功能，是实现武器装备结构隐身一体化的有效途径^[6-9]。泡沫作为吸波结构芯材，具有可设计性强、轻质、耐环境性好等特点，在聚氨酯泡沫(PU)、聚苯乙烯泡沫(PS)、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI)等基体中加入铁氧体、金属微粉、炭黑、石墨、碳纳米管和短切纤维等吸收剂，可获得不同吸波性能的吸波泡沫^[10-13]。经均匀发泡后获得的硬质吸波聚氨酯泡沫，与透波层和反射层复合，获得了轻质宽频的夹层结构吸波材料^[14-16]。为避免聚氨酯泡沫角锥吸收体大尺寸浸渍和烘干困难，已开发出以聚苯乙烯硬泡沫为外壳，聚苯乙烯泡沫小球和吸波材料混合为填充物的新型角锥吸波材料^[17]。马科峰等研究了掺入炭黑和碳纳米管的吸波PMI泡沫，反射率能达到-15.23 dB，但是5%(质量分数，下同)炭黑或碳纳米管吸收剂的引入均会降低PMI泡沫本体压缩性能约50%以上^[18-19]。

一般结构型吸波材料均存在反射底层，对于该结构的吸波能力的表征，是利用弓形架法测试平板反射率。而某些环境下的隐身构件并无反射底层^[20-21]，利用雷达散射截面(RCS)评价其隐身性能，需对电磁波进行吸收或透过，即要求吸波结构具有“电磁透明”能力。本工作对无反射层的吸波泡沫夹层结构进行仿真设计，为了获得较低的RCS，吸波泡沫需满足低频透波、高频吸波的特性；根据仿真结果设计制备了6种不同电磁参数的吸波泡沫，与透波层结合，制备成泡沫夹层结构，并对其在无反射层状态下的吸波性能和机理进行研究。

1 实验材料与方法 1.1 吸波泡沫夹层结构仿真设计

针对无反射层下宽频隐身需求，本工作设计了透波层/吸波泡沫/透波层的吸波结构。利用CST仿真软件计算该结构下无反射底层状态下的反射率，透波层为1 mm厚石英纤维布，其介电常数约为3.5，介电损耗忽略。夹层结构设定了6种不同介电常数和介电损耗的吸波泡沫，如表 1所示。泡沫的介电常数实部范围(ε′)从1.1到4.2，介电损耗(tanδ)从0.003到0.6，既有低介电常数低损耗的泡沫，又有高介电常数高损耗的泡沫。仿真计算得到的夹层结构的反射率如图 1所示。从图 1中可以看出，在低频段(2~8 GHz)，1^#样品的反射率最低，其泡沫的介电常数和损耗均最低。随着泡沫介电常数的增加，反射率升高，吸波性能变差。低频段的吸波性能主要与介电常数实部相关，ε′越低，吸波性能越好。在高频(8~18 GHz)段，1^#样品的吸波性能最差，纯粹依靠透波不能实现宽频范围较好的隐身性能。其他具有介电损耗的泡沫，反射率并无明显规律，损耗最高的4^#也并未获得较好的吸波性能。高频段，需要泡沫的ε′与透波蒙皮阻抗匹配，且具有一定的电磁波吸收能力。全波段来看，3^#样品的吸波性能最优，其ε′为2.3~2.7，tanδ为0.24~0.26时，整体上表现为低频透波，高频吸波。后续制备吸波泡沫，需要尽可能接近该样品的介电常数和损耗。

1.2 实验材料

本工作制备和选取了6种不同种类和电磁参数的吸波泡沫，如表 2所示。吸波聚氨酯泡沫的制备过程为：称取一定比例的发泡用原料异氰酸酯(PAPI)、303聚醚、硅油、三乙醇胺和水(质量比为100:65:1.5:1.3:1)，加入质量分数为6%的炭黑，混合均匀后，注入到预热的模具中，加压升温至130 ℃，保温3 h后得到吸波聚氨酯泡沫(编号PU-6)，密度约为200 kg/m³。环氧泡沫的制备过程为称取一定比例的环氧树脂(包括固化剂和发泡剂)、异氰酸酯(PAPI)(质量比为1:3)，分别加入质量分数为0.6%，1%，1.6%的短切碳纤维，室温自然发泡2~3 min后，加热至70 ℃保温2 h，最后升温至130 ℃保温2 h固化，得到3种不同吸收剂含量的吸波环氧泡沫(记为EP-0.6，EP-1.0和EP-1.6)，密度为180~200 kg/m³。吸波PMI泡沫为湖南兆恒材料科技有限公司制备，是由可发性的预聚板颗粒、吸收剂和胶黏剂混合后发泡得到，其中加入的吸收剂为炭黑，质量分数分别为6%和8%，得到的吸波PMI泡沫(记为PMI-6和PMI-8)，密度约为270~280 kg/m³。

1.3 实验方法

采用传输反射法测量上述6种吸波泡沫的电磁参数，该法具有简单、精度高等特点，其测试原理是通过网络分析仪直接测量材料的散射参量，通过散射方程反演出材料的电磁参量^[15]。样品测试夹具为矩形波导，将测试样品置于波导中。每种泡沫的电磁参数分3个频段进行测试，频段分别为2.6~3.95 GHz，3.95~5.85 GHz和5.85~8.2 GHz，3个频段对应的测试样品尺寸分别为72.14 mm×34.04 mm×5.00 mm，47.55 mm×22.15 mm×4.00 mm和34.85 mm×15.80 mm×3.00 mm。

制备吸波泡沫夹层结构，选取石英纤维布作为透波层。铺层顺序为10层石英纤维布/环氧树脂预浸料(单层厚度0.1 mm)+吸波泡沫(厚度10 mm)+10层石英纤维布/环氧树脂预浸料，130 ℃模压固化2 h后得到6种不同的吸波泡沫夹层结构，具有透波层/吸波泡沫/透波层结构。吸波夹层结构厚度约为12 mm，尺寸为180 mm×180 mm。在微波暗室中测试不同泡沫夹层结构相对于标准金属板的RCS缩减值，并进行对比分析。

2 结果与分析 2.1 吸波泡沫微观组织

对制备的吸波聚氨酯泡沫(PU-6)、吸波环氧泡沫(EP-1.0)和吸波PMI泡沫(PMI-6)的微观组织进行观察，如图 2所示。从图 2(a)中可以看出，吸波聚氨酯泡沫发泡质量较好，颗粒状的炭黑吸收剂存在于聚氨酯泡沫的泡孔壁上，并形成了微小的孔洞。短切碳纤维在吸波环氧泡沫中分布较均匀，如图 2(b)所示，但短切碳纤维的引入，对吸波环氧泡沫的质量产生了不利影响，形成了一些较大的孔洞缺陷。PMI泡沫的泡孔比较完整，未在泡沫内和孔壁上观察到吸收剂，如图 2(c)所示。吸波PMI泡沫是发泡后的泡沫颗粒，通过掺混吸收剂的胶黏剂粘接而成，相对于PU和EP泡沫，PMI泡沫的密度更大，其泡孔尺寸较小。

2.2 吸波泡沫电磁特性表征

对制备的6种不同的吸波泡沫进行电磁参数测试。图 3为5.85~8.2 GHz频段下，不同泡沫ε′和tanδ对比。从图 3中可以看出，吸波泡沫的ε′随频率变化不大，tanδ的变化规律各不相同。吸波聚氨酯泡沫的ε′为2.1~2.2，tanδ为0.06~0.14，tanδ随频率逐渐升高。吸波环氧泡沫EP-0.6，EP-1.0和EP-1.6的ε′分别为2.5~2.4，4.5~4.2和5.4~5.3，tanδ分别为0.08~0.10，0.15~0.31和0.15~0.26。随着吸收剂含量升高，吸波环氧泡沫的ε′增大。吸收剂含量为1.0%时，tanδ在7.5 GHz时达到最大值；tanδ整体随着频率升高呈上升趋势。吸波PMI泡沫PMI-6和PMI-8的ε′分别为2.0~1.9和2.4~2.3，tanδ为0.24~0.22和0.29~0.27，ε′和tanδ均随频率升高而降低。

同时还对吸波环氧泡沫EP-1.6、吸波PMI泡沫PMI-6和PMI-8 3种泡沫在2.65~8.2 GHz频率范围内的电磁参数进行对比研究，如图 4所示。从图 4中可以看出，在较宽的频率范围内，吸波PMI泡沫的介电常数实部和损耗均随频率的升高逐渐降低，且变化幅度较小；而吸波环氧泡沫则无明显规律，且具有较大波动。这可能是由于加入吸收剂的种类不同引起的，PMI泡沫中加入的是炭黑，而环氧泡沫中掺入的是短切纤维。总体来说，加入炭黑吸收剂的吸波泡沫的电磁特性具有明显的变化规律。而吸波PMI泡沫PMI-8的电磁参数最接近RCS仿真计算结果最佳的泡沫参数(3^#样品)。

2.3 吸波泡沫夹层结构RCS对比

对不同的吸波泡沫夹层结构进行RCS性能测试，结果如图 5所示。对比6种泡沫的RCS性能可以看出，吸波聚氨酯泡沫PU-6夹层结构在低频段(2~8 GHz)具有较好的RCS性能，而在高频段(8~18 GHz)的隐身性能较差，其介电常数和损耗均处于较低的水平，电磁波在低频透过性好，而高频不易透过，吸收较少，导致隐身性能不好。吸波环氧泡沫EP-0.6和EP-1.0夹层结构的RCS性能均较差，而EP-1.6夹层结构的RCS性能两个极化间存在较大差异。吸波PMI泡沫夹层结构在低频段RCS性能略差，高频段较优异，且两个极化之间RCS性能差异很小。综合考虑全频段(2~18 GHz)和两个极化的RCS性能，吸收剂含量为8%的吸波PMI泡沫夹层结构具有最佳的隐身性能，其吸波泡沫的电磁参数与仿真计算的最优结果相对应。无反射层的吸波泡沫夹层结构的隐身机理为低频透波，高频吸波；吸波泡沫的介电常数与透波层阻抗匹配，且还需兼具一定的电磁损耗能力。通过仿真计算优化吸波泡沫，并制备多种吸波泡沫进行验证，为以后该类夹层结构全波段隐身的实现提供一种设计思路。

3 结论

(1) 仿真计算吸波泡沫ε′为2.3~2.7，tanδ为0.24~0.26时，无反射层的夹层结构在宽频范围内具有最优的吸波性能。

(2) 分别加入质量分数6%和8%吸收剂炭黑的吸波PMI泡沫的ε′分别为2.0~1.9和2.4~2.3，tanδ为0.24~0.22和0.29~0.27，与仿真计算最优吸波泡沫的电磁特性较接近。

(3) 吸收剂含量为8%的吸波PMI泡沫夹层结构在2~18 GHz频率范围内具有最优的隐身性能，其吸波泡沫的电磁特性与仿真计算的最优结果相对应，介电常数与透波层阻抗匹配，兼具一定的电磁损耗能力。无反射层的吸波泡沫夹层结构通过低频透波，高频吸波实现电磁波隐身。