冲击电压作用下雷达隐身超材料的内部放电和流注击穿机理研究

Radar stealth meta-materials are easily to be attached by lightning, which is the bottleneck problem suppressing the application of such meta-material on radomes of modern fighters. The internal discharge and streamer-induced breakdown of the meta-material are easily happened in the lightning environment, and are the key reasons resulting in the lightning shield failure of the meta-materials. The internal discharge and streamer-induced breakdown of the meta-material are significantly influenced by the specific electromagnetic medium structure arrays in the meta-materials. In this project, the specific electromagnetic super-structure arrays in the meta-materials will be constructed regularly. The relationship between the internal discharge and the specific electromagnetic super-structure arrays will be studied. The two phase interfaces between the reinforced fibers and the resin matrix are finely modified in cover materials of the meta-materials. The relationship between the streamer-induced breakdown and the two phase interfaces in the cover material are investigated. Furthermore, the transitional behavior of the internal discharge in the meta-materials are studied. Research results will provide the theoretical and experimental basis for the lightning protection of the stealth meta-material radomes.

雷达隐身超材料极易被雷电直接附着，是制约这种超材料应用于现代战机上的主要瓶颈问题。雷电环境下这种超材料会发生内部放电和流注击穿，是上述瓶颈问题的关键诱因。超材料的内部放电与流注击穿行为受到内部电磁特异媒质结构及其阵列分布的显著影响。本项目通过对雷达隐身超材料内部电磁特异超结构阵列的有规律构筑，研究电磁特异超结构的形状及其阵列分布对超材料内部放电行为的影响规律；通过对蒙皮材料内部纤维/树脂两相界面的精细调控，探索纤维/树脂两相界面的物理化学状态和分布行为对蒙皮材料流注击穿行为影响机制；并研究由超材料内部放电向蒙皮击穿放电的过渡行为，在此基础上，揭示雷达隐身超材料的内部放电与流注击穿机理，研究成果可为超材料隐身雷达罩的雷电屏蔽提供试验基础和理论依据。

频率选择超材料是隐身雷达罩的理想罩体材料，内部存在大量周期性金属超结构单元，雷电环境下超材料会发生内部放电和流注击穿。本课题利用环氧树脂基材制备了典型结构频率选择超材料，分别开展了超材料内部放电、蒙皮流注击穿以及蒙皮表面放电研究。研究形成了超材料内部放电试验方法，获取了冲击电压下这种超材料内部的放电通道形貌特征，并提出夹角因子参数并测量了50%沿面放电电压。在此基础上，利用夹角因子对超材料表面绝缘特性进行评估，得出沿面放电电压随偏离角变化的规律。通过设计超材料流注放电试验方法，从放电形貌、击穿电压和电荷沉积三个方面，对比研究了不同超材料结构的流注放电特性。结果表明，谐振环型超材料的击穿电压最高，细丝状放电较暗且密集，靠近接地位置的细丝状放电较多；耶路撒冷型超材料的击穿电压最低，细丝状放电较亮且稀疏。进一步获取了超材料蒙皮击穿的影响因素和击穿机理，超材料流注放电导致带电粒子积累到蒙皮表面形成表面电荷，在蒙皮内部产生与外加电场同向的电场，显著提高了蒙皮内部电场强度，蒙皮在外加电场和表面电荷的双重作用下发生击穿。表面电荷对超材料的放电特性有着重要的影响，随着放电次数的增加，蒙皮沿面放电长度增大，但是当表面电荷的沉积和表面电阻率的降低达到饱和后，蒙皮沿面放电长度不再发生变化。同时对比了亚克力蒙皮、玻纤/环氧树脂蒙皮和聚乙烯蒙皮三种材质蒙皮沿面放电特性，并提出了链式等效电路模型用于分析表面电阻率、介电常数对蒙皮沿面放电特性的影响。综合上述结果，本研究为雷达隐身超材料的雷电防护研究提供了试验基础和理论指导，同时为新型超材料雷达罩的研发奠定了工作基础。项目培养硕士生3名，其中2名已经取得硕士学位，1名在读；博士生1名，在读。项目投入经费61万元，支出38.0228万元，结余22,9771万元。剩余经费计划用于本项目研究后续支出。..