碳纳米材料无源干扰特性研究

无源干扰技术作为提高武器系统生存能力和突防能力的有效手段，普遍受到世界各军事大国的重视。美军对碳纳米材料的研究和应用处于世界最前列，但尚未见到将其应用在无源电磁干扰方面。本课题以碳纳米材料对电磁波的吸收特性和空气动力学特性为研究对象，研究的关键问题包括: 碳纳米材料对电磁波的吸收特性、散射机制及原理的理论研究；烟幕的空气动力学特性分析及扩散模型的建立；烟幕云团形状及有效面积的计算；材料特性和大气条件对干扰效果的影响。本课题的特色和意义在于：1.首次提出利用新型碳纳米材料实现宽频带电磁波无源干扰；2.通过对碳纳米材料的散射、吸收特性和机理研究，获得电磁波有效衰减的理论依据，通过实验测试，得到各种材料的电磁波衰减数据，可为设计宽频带碳纳米材料无源电磁干扰弹提供技术支持；3.基于烟幕颗粒的受力和大气条件建立烟幕的扩散模型，以此指导混合装药、确定装备布设方案及对发烟装备效应进行评价。

纳米碳纤维、纳米碳管和纳米石墨是一类新型的纳米宽频吸波材料。本项目从理论和实验两方面研究了这些碳纳米材料的红外消光特性及空气动力学特性，为今后将其应用于无源干扰领域提供了技术基础。项目研究了单体球形和非球形的纳米石墨粒子红外消光特性。通过数值计算，分析了导电特性、介电特性、几何形状和尺寸对消光的影响。为了研究纳米石墨凝聚粒子的散射消光特性，将分形生长理论的有限扩散模型应用于纳米石墨凝聚现象研究中，用计算机模拟了纳米石墨粒子的凝聚过程，得到了凝聚体的可能结构，并用离散偶极子近似方法研究了凝聚体包含的纳米粒子数目、原始粒径、分形结构、入射波长、凝聚体空间取向对散射和红外消光的影响，比较了凝聚体和等体积球粒子的红外消光特性。为了研究纳米碳纤维的消光特性，根据电磁场数值计算的矩量法，我们发展了细纤维状的碳纳米材料消光特性计算方法。提出了一种细纤维电磁散射模型，研究了纤维长度、直径、空间取向、入射波长对消光性能的影响，得到了相对一定波长的最佳纤维长度经验公式以及最佳纤维直径取值等。基于非球形粒子运动的一般特征建立了其在重力、流体阻力和随机力作用下的扩散模型。使用建立的模型模拟了烟幕的沉降过程，模拟得到的质量浓度和沉降速率表明，非球形粒子烟幕的扩散模型能更准确地模拟烟幕在大气中的扩散，分析了粒子形状和重力对粒子运动的影响。另外，通过数值模拟的方法研究了颗粒空隙率对颗粒阻力系数的影响。结果表明在小雷诺数下颗粒阻力系数随颗粒空隙率的增大而减小，从理论数值计算上解释了实验中出现的烟幕浓度越高，其浓度随时间下降越快的现象。利用室内大型烟箱和较先进的军用II类组件红外热像仪双波长红外激光测试系统，研究了8种碳纳米材料烟幕的红外衰减和热图像遮蔽特性。根据实验数据，计算得到了各种碳纳米材料的沉降速度和动态质量消光系数。研究表明，碳纳米材料烟幕不仅具有显著的近红外干扰特性，对远红外辐射也具有很好的消光特性。实验结果为碳纳米材料用于无源干扰，对抗军用激光信号和红外热成像探测系统提供了实验依据。