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昆明理工大学&北京航空航天大学吴鹏/汪俊/何雯婷：8YSZ雷达/红外兼容隐身涂层材料
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原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220954
ResearchGate： https://www.researchgate.net/publication/382997749_Realizing_microwave-infrared_compatible_stealth_via_single_8YSZ_coating
1、导读
复杂的成分和结构设计严重制约了高温雷达/红外兼容隐身涂层的应用，为克服这一难题，本文首次报道了单组分8YSZ高温雷达/红外兼容隐身涂层的隐身性能，并揭示了其电磁损耗机制。与传统的“复杂”成分及结构设计实现雷达/红外兼容隐身策略不同，本文通过简单成分设计，开辟了实现雷达/红外兼容隐身性能的新途径，为高温雷达/红外兼容隐身涂层的材料应用提供理论指导。同时，为8YSZ涂层在高温隐身技术领域的新应用开辟了道路。
2、研究背景
发动机尾喷口是强雷达和红外信号探测源，同时由于复杂的工作环境，亟需研发高温雷达/红外兼容隐身涂层材料，以进一步增强战斗机等武器装备的隐身性能。然而目前通过复杂的材料成分及超表面结构设计实现雷达/红外兼容隐身涂层存在设计难度大，制备工艺复杂同时在异型件上的适用性差等缺陷，难以满足高温雷达/红外兼容涂层的实际应用需求。
本文根据电磁损耗原理，结合8YSZ高温导电特性，通过等离子喷涂技术在高温合金基体上实现了8YSZ涂层的制备，并对其介电温谱特性及红外光谱性能进行系统性研究。
3、文章亮点
(1) 首次报道了8YSZ涂层的介电温谱特性。热激活条件下，8YSZ涂层的电导率随温度增加而升高，介电损耗及反射损耗性能随温度增加而增加，900℃下表现出优异的雷达隐身性能。
(2) 首次报道了8YSZ涂层的红外光谱特性。3-5μm大气传输窗口内，8YSZ涂层的红外发射率低于0.3，表现出优异的红外隐身性能。
(3) 首次揭示了8YSZ涂层的电磁损耗机制。界面极化，偶极子极化及电导损耗是8YSZ涂层具有优异反射损耗性能的根本原因。
(4) 开辟8YSZ涂层在高温雷达/红外兼容隐身技术领域的新应用。
4、研究结果及结论
图1为通过等离子喷涂技术制备的ZrO2和8YSZ涂层材料的XRD图谱及对应的晶体结构原子排布图。由于Y3+离子非等价掺杂引起的晶格畸变效应，使ZrO2晶体结构由单斜相转变为四方相，同时为了保证电荷守恒，四方相8YSZ晶体结构中出现氧空位。热激活条件下，氧空位的迁移能力随着温度的增加而增加，使其高温条件下表现出导电特性，如图2所示。
图1 ZrO2（a）和8YSZ（b）涂层的XRD图谱；Y3+离子掺杂对ZrO2晶体结构的影响。
图2 （a）8YSZ和ZrO2涂层离子电导率的温度依赖性；（b）8YSZ中电子空穴的热激活输运机制。
图3为8YSZ涂层900 ℃条件下的介电常数及雷达反射损耗性能。其中介电损耗角正切值达到0.28，吸收系数达到143 Np/m；当匹配厚度为1.5 mm时，其最小反射损耗值达到-50 dB，小于-5 dB和-10 dB的有效吸波带宽分别达到4.2 GHZ和2 GHz。相比公开报道的雷达隐身涂层材料，8YSZ具有使用温度高，厚度薄，有效吸波带宽大等特点。
图3 （a）8YSZ涂层900℃下介电常数，损耗角正切值及吸收系数的频率依赖性；（b）900℃下8YSZ涂层的反射损耗值随厚度和频率的变化图谱；（c）阻抗匹配因子；（d）有效吸波带宽，厚度及使用温度的比较。
图4为不同温度条件下模拟的8YSZ涂层的雷达散射截面（RCS），随着温度增加，Z轴方向上，RCS值逐渐缩减，最小值小于-30 dBm2，表现出优异的雷达隐身性能。
图4 8YSZ涂层的RCS模拟结果：（a）PEC基体上覆盖8YSZ涂层不同温度下的三维RCS结果；（b）-90到90°探测角度下不同温度的RCS值；（c）特定入射角和温度下的RCS降低值。
电磁波耗散的主要机制是磁损耗和介电损耗。由于没有磁性，8YSZ涂层内部只有介电损耗。介质损耗的主要组成部分包含电导率损耗、界面极化损耗和偶极极化损耗。由于热活化，氧空位迁移的能垒降低，使得8YSZ涂层在高温下表现出导电性能，如图2所示。与ZrO2涂层相比，离子电导率的提高有利于8YSZ涂层对入射电磁波的耗散。除了电导损耗外，界面极化损耗和偶极极化损耗是8YSZ涂层中电磁损耗的重要机制。界面极化损耗来源于涂层显微结构中存在的相界面，由于两相结构之间不同的介电性能，使其在入射电磁波作用下呈现出界面极化效应，如图5（a）所示。同时由于非等价离子掺杂效应，使晶格中取代原子和被取代原子处的电子云密度发生改变，引入偶极子极化损耗，如图5（b）所示。
图5 不同温度下8YSZ涂层的模拟电场分布（a）；Y3+离子掺杂对四方相ZrO2晶体结构电荷密度差的影响（b）。
通过测量标准黑体和被测样品在相同温度下的辐射能量，ZrO2和8YSZ涂层的红外发射率随温度的变化曲线如图6（a-b）所示。在室温~ 900℃范围内，制备的涂层在窗口Ⅰ（3~5 μm）内的红外发射率均小于0.3。但在窗口Ⅱ（8~14 μm）红外发射率大于0.5。窗口Ⅱ内的红外发射率的增加可能是由于晶格振动与长波红外波段之间的共振效应相关。与大多数材料相比，8YSZ涂层的红外发射率较低，如图6（c）所示，表现出优异的红外隐身性能。
图6 ZrO2（a）和8YSZ（b）涂层红外发射率（ε）的温度依赖性；（c）8YSZ与其他材料的ε比较。
5、作者及研究团队简介
第一作者：吴鹏，昆明理工大学材料科学与工程学院助理研究员。毕业于北京航空航天大学材料科学与工程学院，获工学博士学位。主要从事超高温热障涂层及高温隐身涂层设计与制备、热力学性能及电磁损耗性能优化调控。相关研究成果已在多型号发动机上实现应用。目前在J Adv Ceram、 APL、 J. Eur. Ceram. Soc.、 J. Am. Ceram. Soc.、JMR&T、Ceram. Int.等期刊发表SCI学术论文30余篇，引用大于1000次，h因子20。授权国家发明专利10余项。主持国家自然科学基金青年项目1项，参与两机专项、173国防基础研究以及军委科技委创新特区等项目。
通讯作者：汪俊，昆明理工大学材料科学与工程学院讲师，硕导，工学博士学位，研究方向：高熵陶瓷，热障涂层材料。曾荣获中国有色金属工业科学技术一等奖、日内瓦国际发明金奖、 “学术科技节”优秀先进个人、学术科技成果创新二等奖、热处理创新创业赛三等奖、科学技术成果评价证书、中国稀土学会委员、中国创新挑战赛暨中关村新兴领域专题赛银奖、优秀共产党员和“互联网+”大学生创新创业大赛银奖等。目前在J Adv Ceram、J Mater Sci Technol、Surf Coat Tech、Prog Org Coat、J Mater Res Technol、Scripta Materialia、J Rare Earth、Ceram Int、J Am Ceram Soc等Top期刊发表论文20余篇，引用800余次，获得国内授权发明专利8项，国外授权发明专利1项，2024年8月获得国家青年基金项目，主持在研项目3项，参与项目5项。
通讯作者：何雯婷，北京航空航天大学副教授。主要从事高温功能涂层、先进涂层制备技术，2021年获北航“青年拔尖人才”支持计划资助，主持国家自然科学基金青年项目、国防创新特区等项目，作为研究骨干参与多项国家和省部级重大重点项目，研究成果发表论文30余篇，授权发明专利10余项，获中国腐蚀与防护学会科学技术奖一等奖。
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
https://wap.sciencenet.cn/blog-3534092-1454629.html
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