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雷达吸波涂层的高温服役性能与寿命预测

  • 游建辉 ,
  • 谢建良 ,
  • 张林博
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  • 电子科技大学国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心,多频谱吸波材料与结构教育部重点实验室(B类),成都 610054

收稿日期: 2018-05-08

  网络出版日期: 2018-09-21

版权

版权所有,未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。

Service Performance of Radar Absorbing Coatings at High Temperature and Life Prediction

  • Jianhui You ,
  • Jianliang Xie ,
  • Linbo Zhang
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  • University of Electronic Science and Technology of China, National Engineering Research Center of Electromagnetic Radiation Control Materials, University of Electronic Science and Technology of China, Key Laboratory of Multi-spectral Absorbing Materials and Structures of Ministry of Education, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China

Received date: 2018-05-08

  Online published: 2018-09-21

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摘要

基于可靠性理论的统计模型和威布尔分布,在Arrhenius 公式的基础上应用通用对数线性关系推导出温度和紫外强度的双应力模型。采用弓形测量法测得雷达吸波涂层的雷达反射率,预测了涂层在常温贮存和飞行状态下的使用寿命,并验证了模型的可靠性。结果表明:涂层在常温贮存和Ma=1.45飞行状态条件下采用该模型预测出的寿命分别为5.44×10 4 h、4.15×10 4 h;在80 ℃下采用该模型预测出的寿命为2 276.8 h,实验寿命为2 076.7 h。理论计算结果与实验结论比较符合,表明此方法能够比较准确地预测雷达吸波涂层的使用寿命。

本文引用格式

游建辉 , 谢建良 , 张林博 . 雷达吸波涂层的高温服役性能与寿命预测[J]. 涂料工业, 2018 , 48(7) : 1 -5 . DOI: 10.12020/j.issn.0253-4312.2018.7.1

Abstract

Based on the statistical model and the Weibull distribution of the reliability theory, a generalized logarithmic linear relationship based on the Arrhenius formula was used to deduce the dual stress model of temperature and UV intensity. Radar reflectivity of radar absorbing coating was measured by arc measurement. The service life of the coating was predicted at room temperature and 1.45 Ma and the reliability of the model was verified. The results show that the calculated lifetime of the coating at room temperature and 1.45 Ma are 5.44×10 4 h and 4.15×10 4 h respectively. The calculated lifetime is 2 276.8 h at 80 ℃ while the experimental lifetime is 2 076.7 h. The theoretical calculation results are in good agreement with the experimental results, which shows that this method can accurately predict the service life of radar absorbing coating.

飞行器在高速起飞、飞行、常规动作及发射导弹时都会产生加热环境,在相应的部位便会形成热应力,导致雷达吸波涂层热降解,影响飞行器的隐身性能,甚至严重失效,从而限制了雷达涂层的使用寿命。由于雷达吸波涂层的自然暴露试验需要几年甚至更长的时间,因此,需要一种能够从加速热老化试验中得到可靠的服务寿命预测模型。涂层的耐候降解建模一般可分为2种:随机(统计)建模和机械建模[1,2]。基于可靠性理论的统计模型虽然需要系统的实验室实验,但它是预测涂层使用寿命的最直接途径。由于不同的涂层体系有不同的退化机制,因此难以对每个体系进行机械预测使用寿命[3],且光引发反应的几个重要的速率现象和动力学尚未被纳入现有的机械模型中。
目前,国外仅对民用涂层进行过相关报道,国内学者主要针对防护涂层失效及寿命进行研究,而对于雷达吸波涂层的寿命预测研究还处于空白阶段。因此,本文基于可靠性理论的统计模型和威布尔分布,应用通用对数线性关系推导出温度和紫外强度的双应力模型,利用涂层的高温老化寿命数据,对雷达吸波涂层的使用寿命进行预测。

1 理论依据

1.1 飞行器蒙皮温度

飞行器蒙皮温度如式(1)[4] 计算。

Ts=T0 1 + r γ - 1 2 M a 2

式中,Ts—飞行器蒙皮温度,T0—周围大气温度,大气的有效温度在213~233 K之间,r—温度恢复系数(层流为 0.82, 紊流为0.87),γ—空气定压定容热容量比(1.4),Ma—飞机飞行速度与声速之比。
根据式(1)可计算出飞行器表面蒙皮的温度,为雷达吸波涂层寿命预测提供依据,计算结果如表1所示。
表1 不同Ma数下飞行器表面蒙皮的温度

Tab.1 The temperature of aircraft skin with different Ma number

表1中可以看出,随飞行器飞行Ma数增加,飞行器表面涂层温度升高,并且温度升高的趋势增大。

1.2 单层雷达涂层的反射率系数

图1为单层雷达吸波的结构,即在金属基板上涂覆1层雷达吸波涂料。
图1 雷达吸波涂层的结构

Fig.1 Structure of radar absorbing coating

对于吸波材料,其吸波机理为阻抗匹配,常选用阻抗法或反射系数法来计算反射系数。对于自由空间而言,介质1和金属基板可整体视为输入阻抗为Zin的介质,根据等效传输线理论可得式(2)。

Zin=η1 η m + η 1 tanh ( γ 1 d 1 ) η 1 + η m tanh ( γ 1 d 1 )

式中η1γ1d1分别是介质1的特性阻抗、传播常数和厚度,ηm是金属基板的特性阻抗。自由空间与介质1的边界上的反射系数R如式(3)[5]

R= Z in - η 0 Z in + η 0

对于金属,ηm=0,自由空间中,特性阻抗η0= μ 0 ε 0 ,由式(2)和式(3)可得到单层雷达涂层的反射系数R如式(4)。

R= Z in / η 0 - 1 Z in / η 0 + 1 = η 1 tanh ( γ 1 d 1 ) / η 0 - 1 η 1 tanh ( γ 1 d 1 ) / η 0 + 1

通常,若雷达的反射系数R用dB表示,即用式(5)进行转换。

R'=20lg|R|=20lg η 1 tanh ( γ 1 d 1 ) / η 0 - 1 η 1 tanh ( γ 1 d 1 ) / η 0 + 1

为了电磁波能完全进入涂层,要求R=0,由式(3)可知η0=Zin,即得式(6)。

μ 0 ε 0 =η1tanh(γ1 d1)= μ 0 μ r ε 0 ε r tanh(γ1 d1)

由式(6)可以得到介质相对介电常数和相对磁导率关系,见式(7)。
εr= μrtanh2(γ1 d1)
然而,目前要实现完美的匹配还比较困难,因此只能尽可能地使之匹配。

1.3 寿命预测数学模型的建立

有许多不同的寿命分布可用于加速老化数据分析,但由于简单性和灵活性,威布尔分布广泛应用于建模失效时间[6]。为了将这2种应力类型结合在一起,使用了通用对数线性关系。通用对数线性威布尔模型是将威布尔分布的尺度参数η(也称为“特征寿命”)设置为具有2种应力类模型的寿命应力关系得出的[7,8]:假设形状参数β在不同应力水平上保持不变。2个应力因子的一般模型可以推导出式(8)。

L(X)=exp α 0 + j = 1 n α j X j

式中:L—特征寿命,αj—模型参数,X—应力。这种关系如果应用倒数转换X=1/T,可以化简为Arrhenius关系;如果应用对数转换,可以化简为反幂律关系。下面是两应力的寿命—应力关系,见式(9)~式(11)。

L=exp α 0 + α 1 1 T + α 2 ln I UV = e α 0 e α 1 1 T I UV α 2

lnL=α0+α1 1 T +α2IUV

η=L
式中:η—尺度参数,T—绝对温度,IUV—紫外辐照强度。若不考虑紫外的影响,则α2=0。
威布尔分布的概率密度如式(12)。

f(t)= β η t η β - 1 exp - t η β

=βtβ-1 e - β α 0 + α 1 1 T + α 2 ln I UV · e - t β e - β α 0 + α 1 1 T + α 2 ln I UV

式中:β是形状参数。而参数α0α1α2是通过对数似然函∧来估计,见式(13)。

∧=lnf(t)

= i = 1 F ln β T i β - 1 e - T i β e - β α 0 + j = 1 n α j X i , j e - β α 0 + j = 1 n α j X i , j

- i = 1 S (T'i)β e - β α 0 + j = 1 n α j X i , j

其中:F是失效的实验组数,Ti是失效时间,S是未失效的实验组数,T'i是未失效的实验终止的时间。而参数的解可以通过极大似然函数来求,即得式(14)~式(15)。

β =0

α i =0,(i=0,…,n)

最后根据平均寿命计算公式式(16)~式(17)来计算涂层的寿命。

L ̅ =ηΓ 1 β + 1

Γ(x)= 0 e-ttx-1dt,(x)>0

2 实验部分

2.1 实验原料

雷达吸波涂层主要原料选用聚氨酯树脂、雷达吸波铁氧体、乙酸丁酯。

2.2 样品的制备

首先要对20 cm×20 cm的铝基板进行预处理(砂磨机打磨、乙酸丁酯擦洗、自然干燥);然后将雷达吸波铁氧体和聚氨酯按一定配比混合均匀,并加入溶剂乙酸丁酯,将混合浆料的黏度调至喷涂黏度,采用空气喷涂的方式将配制好的浆料喷至铝板上面,自然烘干后即可制备雷达吸波涂层参考样板和试验样(S1、S2、S3、S4、S5)。

2.3 实验方法

将试样铝板S1、S2、S3、S4、S5分别放入100 ℃、120 ℃、130 ℃、140 ℃和150 ℃的干燥箱中加热,而参考铝板在80 ℃烘箱中加热,每隔10 h取出,室温下测试其雷达反射率。

2.4 测试与表征

红外透射光谱(2.5~25 μm)由BRUKER-Tensor27型傅里叶变换红外光谱仪测得,由透射光谱分析树脂中的基团变化情况。涂层的雷达反射率采用弓形测量法,由安捷伦8720ET型矢量网络分析仪测得。涂层的电磁参数采用同轴线法测得。
涂层寿命以雷达反射率恶化到-2.5 dB这一临界值时对应的时间来表征。

3 结果与讨论

3.1 高温老化对雷达反射率的影响

图2为18 GHz下不同温度雷达涂层的雷达反射率与加热时间的关系曲线。
图2 不同温度下涂层的雷达反射率随加热时间的变化

Fig.2 The coatings radar reflectivity varied with heating time under different temperature

图2可以看出,随加热时间的增加,雷达反射率变大,雷达吸波性能下降,并且随加热温度的升高,雷达反射率迅速恶化。在100 ℃时雷达反射率恶化趋势缓慢,这是由于温度较低,雷达吸波剂被氧化和涂层中的树脂被氧化的速度较慢,吸波剂的磁导率虚部下降缓慢。150 ℃加热老化,涂层中的树脂分解,且雷达吸波剂被迅速氧化,致使阻抗匹配迅速变差,磁导率和介电常数同样快速下降,导致雷达反射率快速恶化,老化127.58 h后,18 GHz处雷达反射率由-3.69 dB增至-2.44 dB,随加热时间的增加,雷达反射率不断增大,直至涂层失效。

3.2 涂层高温老化前后的红外光谱分析

图3为涂层在150 ℃加速老化前后的红外透射光谱。从图3可以判断树脂中吸收基团,从而判断涂层在高温老化后,树脂是否降解。
图3 涂层老化前后的红外光谱

1—老化前;2—老化后

Fig.3 Infrared transmission spectra of the coating before and after aging

图3可知,在150 ℃老化后,1 728 cm-1(C=O)、2 925 cm-1(—CH2—)、1 362 cm-1[—C(CH3)2弯曲振动]、1 245 cm-1(脂肪芳香醚C—O—C反对称伸缩)、1 036 cm-1(对位取代苯环=CH面内变形)、971 cm-1、916 cm-1、772 cm-1(环氧基)、831 cm-1(对位取代苯环=CH面外变形)等处的吸收特征峰消失,说明树脂发生热降解[9]

3.3 高温老化对涂层电磁参数的影响

图4为温度为150 ℃高温老化时,涂层在不同加热时间的电磁参数。
图4 150 ℃下雷达吸波涂层的电磁参数随加热时间的变化情况

Fig.4 Electromagnetic parameters of radar absorbing coating varied with heating time at 150 ℃

图4可知,随加热时间的延长,介电常数和磁导率下降。涂层在高温下被氧化,磁导率和介电常数下降,导致电磁阻抗匹配变差,电磁波入射到界面处发生的反射变大,导致反射系数增大。对于进入涂层内部的电磁波,雷达涂层的磁导率的虚部μ″和介电常数的虚部ε″变小,会导致电磁损耗变差,从而导致雷达涂层吸波性能迅速下降。

3.4 雷达吸波涂层的寿命预测及模型验证

3.4.1 涂层的寿命预测
图2可得到5个样品雷达吸波的加速老化寿命数据, 经过Minitab可靠性软件拟合后,模型的参数:
α0=-0.936 625、α1=6 075.11、α2=0、β=7.761 6
涂层寿命计算模型为式(18):

lnη=α0+α1 1 T =-9.366 25+6 075.11 1 T

再结合式(16)~式(17)分别预测以下涂层寿命:
常温(25 ℃)贮存下涂层的寿命为:
η=60 421.7, L ̅ =5.44×104 h。
Ma=1.45飞行条件下涂层的寿命为:
η=46 137.1, L ̅ =4.15×104 h。
3.4.2 模型验证
温度为80 ℃时,经该模型计算得到的涂层平均寿命为: L ̅ =2 276.8 h。
图5为80 ℃下雷达吸波涂层(为避免偶然性,在相同条件下制备了3个雷达吸波涂层)的雷达反射率随加热时间的变化。
图5 80 ℃下涂层的雷达反射率随加热时间的关系

Fig.5 The coatings radar reflectivity varied with heating time at 80 ℃

图5可知,涂层的平均寿命为:(2 040+2 080+2 110)/3=2 076.7 h,理论与试验的误差大约为9%。

4 结 语

(1)本文提出了雷达吸波涂层寿命预测方法,建立了数学预测模型,为雷达吸波涂层的使用及维护提供理论依据。
(2)研究了不同温度下雷达吸波涂层的雷达反射率与加热时间的关系,涂层的雷达反射率随加热时间的增加,雷达反射率变大,雷达吸波性能下降,并且随加热温度的升高,雷达反射率迅速恶化。
(3)研究分析涂层高温老化失效的原因,150 ℃加热时树脂中的C=O、 N—H、苯环、脂肪芳香醚C—O—C的吸收峰基本消失,环氧基的吸收峰也有较大的减弱,树脂发生热降解;涂层中的雷达吸波剂在高温下被氧化,导致阻抗匹配和电磁损耗变差,雷达吸波性能不断恶化,直至失效。
(4)预测了雷达吸波涂层在常温贮存和Ma=1.45飞行条件下的使用寿命,该涂层的使用寿命分别为5.44×104 h、4.15×104 h。该寿命预测模型经过试验验证,误差约为9%,具有一定的可靠性。
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