文/袁利娜，解二伟，张雪锋，刘晨，张燕燕
航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司
摘要：隐身性能是新一代战机设计要求的重要指标，雷达隐身涂层由于吸波效果好、工艺简单、施工方便等特点，成为现代隐身技术的重要组成部分。涂层厚度作为隐身涂层施工过程的主要控制参数，直接影响产品的隐身性能和机械性能，因此隐身涂层的厚度检测至关重要。本文基于隐身涂层的材料属性及涂层测厚技术的现状，介绍了几种雷达隐身涂层测厚方法，阐述了各种测厚技术的测量原理、检测过程及应用与发展前景。并结合隐身技术发展需求，简要分析了隐身涂层测厚技术的发展趋势。
关键词：隐身技术；雷达隐身涂层；厚度；检测；发展趋势
Status and Prospect of Thickness Measurement for Radar Stealth Coating
YUAN Lina*，XIE Erwei，ZHANG Xuefeng，LIU Chen，ZHANG Yanyan
（Shenyang Aircraft Industry（Group）Co. ，Ltd. ，Shenyang 110034，China）
Abstract：Stealth performance is an important index for the design requirements of the new generation of fighters. Radar stealth coating has become an important part of modern stealth technology because of its efficient absorbing effect，simple process and convenient construction. As a main control parameter of stealth coating construction process，coating thickness directly affects the stealth performance and mechanical performance of products. Therefore，the thickness detection of stealth coating with high-precision is extremely important. Based on the properties of stealth coating and the current situation of coating thickness measurement technology，several thickness measurement methods of radar stealth coating are introduced. The measurement principle，detection process，application and development prospect of various thickness measurement technologies are described. And combined with the development needs of stealth technology，the development trend of stealth coating thickness measurement technology is briefly analyzed.
Keywords：stealth technology；radar stealth coating；thickness；testing；development trend
0 前言
隐身技术能极大地提高作战平台及武器系统的突防能力、生存能力和作战效果，取得战略、战术和技术诸方面的主动优势，成为了现代国防领域研究的关键技术。在现代战争中，雷达是探测目标最可靠的手段，因此雷达隐身技术仍是隐身技术的重点[1-3]。雷达散射截面是表征目标对雷达波散射能力的度量，飞行器雷达隐身技术主要通过减弱、散射、抑制、吸收入射的雷达波，降低雷达回波强度，实现降低目标的雷达散射截面积（Radar Cross Section，简称RCS）的目的。
外形结构设计和隐身材料应用是实现雷达隐身的主要技术途径。前者通过改变飞行器的外形结构，减弱或消除散射源，大幅度缩减目标的RCS，但该方法难度大成本高，并且会影响飞行器的气动性能和强度，因此具有很大的局限性[4-5]。雷达隐身材料主要通过吸收、衰减入射的电磁波，将其电磁能转换为热能而损耗掉或使其产生干涉相消，实现目标的雷达隐身性能，是目前飞机隐身研究及应用的关键技术之一[6-7]。雷达吸波涂层由于其工艺简单、施工方便、成本较低、效果显著和对目标外形适应性强等优点，成为飞机上使用最为广泛的一种隐身材料[8-9]。隐身性能是雷达吸波涂层的核心性能，而涂层厚度是衡量吸波涂层性能的重要参数。涂层过薄，入射的电磁波不能被快速损耗吸收，吸波性能不满足指标要求，涂层过厚，不仅增加负荷重量，还会影响结合强度，降低涂层的机械性能[10-11]。因此，雷达吸波涂层在工程应用中，必须对涂层厚度进行严格控制。
磁性吸波涂层是目前隐身飞机应用最广泛的雷达吸波材料[12]，能够吸收、损耗电磁波，为满足不同部位对隐身性能指标的要求，其施工厚度一般不低于0.3mm，因此传统涂层测厚设备不满足吸波涂层厚度的测量要求。本文基于雷达吸波涂层的特性及现有测厚技术，介绍了几种隐身涂层的测厚方法，包括实验室应用较多的重量法和金相显微镜法，已实现工程应用的涡流测厚法和超声测厚法，以及目前处于实验室探索阶段的电磁感应测厚法、光热辐射测厚法和太赫兹测厚法。本文分析比较了上述几种测厚方法的特点，简述了检测原理，优缺点，应用现状及发展趋势，并结合现代隐身技术的发展方向，分析了雷达吸波涂层测厚技术的发展趋势。
1 雷达隐身涂层厚度检测技术
1.1 重量法
重量法主要是基于雷达吸波涂层比重大，高挥发性溶剂含量较少，喷涂前后质量变化明显的特点，通过称量标准试样喷涂前后的重量值，然后依据涂层重量、密度及体积关系间接计算涂层厚度的方法。
重量法可通过喷涂过程的重量测量，计算每遍喷涂的厚度，进而预估涂层达到规定厚度需要喷涂的次数，实现涂层施工过程的厚度控制。但该方法的测量误差较大，其测量结果为整体涂层的平均厚度，因此对喷涂过程控制要求严格，必须保证涂层涂覆均匀，且试件表面平整、不易产生漆料堆积的结构。称重法主要测量平板试片表面的涂层厚度，一般适用于实验室或工程应用前期工艺摸索阶段的吸波涂层厚度检测。
1.2 金相显微镜法
金相显微镜法测量涂层厚度属于破坏性检测，需要通过切割试样，对测量截面做90°加工，然后通过光学显微镜测量截面处涂层的厚度。利用金相法测量涂层厚度，主要包括金相制样和光学检测两步[13]。金相试样的制备质量直接影响测量的结果的准确性，试样制备主要包括切割、镶嵌、研磨及抛光四步，抛光后的试样截面需具备高度的平整性，以便于显微镜下观察、分析。测量时，首先将试样置于载物台，然后利用数码相机取相，再利用专用软件进行涂层的测量，一般需多次测量，取平均值[14-15]。
金相显微镜法属于光学测厚法，涂装的基材需易于切割，且基体与涂层间具有清晰界面[16]。金相法可用于不同基体表面涂层厚度的测量，其测量精度较高，适用范围广，并且可以同时检测截面涂层的均匀性及内部质量，但其操作过程受检测者的主观影响较大，易出现操作误差。另外因仪器校准、试样打磨及镶嵌等过程较繁琐，导致测试周期长，成本高，并且该测厚方法属于破坏性测量，因此一般用于实验室测量吸波涂层厚度。
1.3 涡流测厚法
涡流测厚法检测涂层厚度主要基于提离效应，是测量非磁性金属基材表面绝缘涂层厚度的常用方法。其检测原理如图1所示[17]，利用高频交变电流在测量探头的线圈中产生电磁场，探头与涂层接触，涂层下的金属基体产生电涡流，感生涡流对探头线圈产生反馈，反馈阻抗的大小表征了涂层的厚度[18-20]。雷达吸波涂层虽然有一定的导电性，但其与金属基体材料的电导率有显著差别，因此可基于涡流测厚原理，通过分析、校准，实现了金属基体表面雷达吸波涂层的厚度测量[21-22]。
涡流测厚仪设备轻便，操作简单，可靠性较高，是工程中吸波涂层测厚最常用的方法，测量前先用同种吸波涂层的标准试块进行校准，然后直接对试件进行测量。目前，涡流测厚仪主要用于铝合金基材上吸波涂层的厚度测量，对于复合材料基体表面的涂层，需采用挂片的方式间接测量。涡流测厚法存在边缘效应，其测量精度受试样曲率和涂层表面粗糙度影响较大[23]。另外，现有涡流测厚仪主要为手持式，整机测量人工劳动强度大，效率低，周期长，且不满足新一代战机整体表面的隐身涂层测厚要求。
1.4 超声测厚法
超声测厚法主要是依据超声传播机理，超声波波长较短，具有良好的穿透性。目前应用最普遍的超声测厚仪主要基于超声脉冲反射技术，其测量原理如图2所示。超声探头发射出的声波通过耦合剂入射到待测涂层试件时，声波在被测涂层的上、下界面处均产生反射回波，超声探头接收界面的反射回波，根据反射回波的时间差及声波在涂层中的传输速度即可计算涂层厚度[24-25]。超声检测技术在雷达吸波涂层测厚方面的研究较早[26-27]，该方法测量过程不受基体和涂层电学及磁学性能影响，可直接测量金属和复合材料基体表面吸波涂层厚度，并且可实现多层涂层厚度的同时测量。
超声检测技术是目前应用最广泛的无损检测技术之一，并且已研制了适用于雷达吸波涂层厚度测量的超声检测设备，其测量的灵敏度较高，设备便携，成本较低，已实现了工程应用。超声测厚设备虽然理论上可实现对多层涂层厚度的同时测量，但由于界面的多次反射及声波在介质中的散射损耗，实际应用中暂不满足多涂层的测厚需求，并且当吸波涂层厚度小于500μm时，相邻界面的反射回波易产生重叠，造成测量困难。超声测厚设备的测量精度受界面粗糙度及材料的内部质量影响较大，并且测量过程中，超声探头需要通过耦合剂与工件接触，容易造成操作不便，一定程度上限制了其工程中的应用。
1.5 磁感应测厚法
传统磁性测厚仪主要基于磁感应原理，利用涂层改变线圈的磁感应强度，实现涂层的厚度测量，主要适用于磁性基体表面非磁性涂层的厚度测量[28-29]，具体测量原理如图3所示。测量过程磁性探头与磁性金属基体构成一个闭合的磁回路，而由于基体表面非导磁性涂层的存在，导致磁路中磁阻变大，线圈的电感量变小，通过测量变化值，可推算涂层的厚度。由于雷达吸波涂层具有高导磁特性，会引起电磁场中磁感应强度的变化，另外，由于飞机基体材料主要为非磁性的铝合金和复合材料，传统磁感应测厚仪不适用吸波涂层的厚度测量。而雷达吸收涂层可看作具有一定磁导率的均匀电磁损耗材料，可通过磁场理论，分析磁性吸波涂层对磁感应强度的影响，拟合阻抗信号与涂层厚度的关系曲线，实现吸波涂层厚度的磁性测量。
磁感应测厚法可实现不同基材吸波涂层厚度检测，但需先确定涂层厚度与对应磁感应强度之间的对应关系，进而计算测量点处涂层厚度。程玉华等[30]基于电磁感应原理，采用变磁阻式探头，通过分析计算导磁性涂层对探头磁阻变化的影响，实现了复合材料表面雷达吸波涂层的厚度测量。林科培等[31]依据磁饱和检测方法，确定涂层厚度与检测点的电磁强度关系，通过施加外加磁场，测量检测点的磁感应强度，反推涂层厚度，验证了雷达吸波涂层与红外涂层厚度同时测量的可行性。利用磁感应测厚时，测量点的选择、基材的导电性及曲率、涂层表面粗糙度等因素直接影响测量的精度。目前，该方法在吸波涂层测厚领域仍处于研究阶段，减少环境因素影响，提高测量精度及设备的便携性是后续研究应用的重点。
1.6 光热辐射测厚法
光热辐射测厚法主要是基于红外热传导和热辐射理论，是一种主动式红外热像无损检测技术[32-33]。通过激励源对待测涂层表面进行加热，热量由涂层表面向内部传导，由于涂层厚度远小于试样横向尺寸，热流在涂层内部近似为厚度方向的一维传导，因此热流传导时间与涂层厚度成正比。利用红外热像仪检测涂层表面温度变化并获得涂层红外热图序列，将图像序列特征时间与标准试样进行拟合、计算，获得涂层厚度[34]。
光热辐射测厚技术理论上可用于吸波涂层的厚度测量，并可实现多层涂层厚度的同时测量。其检测速度快，观测面积大，并且属于非接触式测量，可用于干漆膜和湿漆膜的厚度测量，满足工业测厚要求[35-37]。光热辐射技术在无损检测方面已得到广泛应用，并且可实现吸波涂层缺陷的无损检测[38]，但其在涂层测厚方面的研究仍处于起步阶段。由于漆层厚度相对较薄，热信号变化迅速，并且热流的多次反射会影响涂层表面温度信号，因此对热激励源和热像仪的要求较高，并且测量精度受涂层粗糙度和环境因素影响较大。
1.7 太赫兹测厚法
太赫兹波是指频率在0.1～10THz波段的电磁波，由于其具有穿透性强、定向性好、抗干扰性强、分辨率及安全性高等优势，成为目前涂层测厚方面研究的热点[39]。太赫兹测厚法主要基于飞行时间原理，利用太赫兹波透射或反射的传播形式进行厚度测量。目前，研究较多的为反射回波测厚技术，其测量原理如图4所示。电磁波在介质中传播，不同介质由于折射率的差异，发生界面反射，反射回波的时间差与涂层厚度成线性关系。因此通过建立涂层厚度的太赫兹脉冲光谱，测量反射波的波形变化，根据涂层折射率和光速即可计算涂层厚度。
太赫兹测厚技术满足涂层厚度的非接触检测，并且测量精度高，可同时实现多层测量、漆层质量及涂层下缺陷的无损检测。国外对太赫兹涂层测厚技术的研究较早［40-42］，并且已应用到雷达隐身涂层测厚及质量检测中，但由于保密性，暂无该方面的详细报道。国内关于太赫兹测厚技术目前仍处于起步阶段，何明霞等［43-44］测量了多涂层体系的太赫兹波形，实现了最多三层漆层厚度的同时测量，并利用随机优化算法，验证了微米级涂层厚度测量的可行性。董海龙等［45］利用太赫兹测厚技术，实现了低发红外隐身涂层的厚度测量。涂婉丽等［46］基于太赫兹波脉冲检测技术实现了船舶涂层厚度的定量分析，并评估了涂层内部气孔等缺陷。太赫兹技术是国内外无损检测领域重要的研究方向［47］，利用太赫兹技术实现雷达吸波涂层的非接触式测厚具有非常大的应用前景。目前国内太赫兹测厚技术仍处于实验室研究阶段，检测结果受限于漆料种类及漆层厚度，测量精度、检测效率及操作便捷性等方面均有待进一步提高。
上述介绍的7种雷达隐身涂层的测厚方法和检测技术的优、缺点以及适用领域的对比总结如表1所示。
2雷达隐身测厚技术的发展方向
雷达隐身涂层作为影响现代战机隐身性能的核心因素，有效控制涂层厚度的完整性及均匀性是实现隐身性能的基础。结合目前国内外雷达隐身技术的发展形式，简要分析了目前隐身涂层测厚技术的应用需求及发展方向。
（1）满足飞机不同基体材料及结构形式的涂层测厚要求。随着机体结构轻质化、模块化的发展要求，复合材料广泛应用于飞机结构，复合材料、铝、钢和钛是现代战机的主要结构材料[48]，实现不同基材上隐身涂层的厚度测量具有重要应用价值。另外，为满足外形隐身要求，现代战机均采用斜置外形设计，大后略角式机翼及蛇形进气道等结构[49]，隐身涂层厚度测量覆盖全机，因此，隐身涂层测厚技术需满足不同部位的精度要求。
（2）具备多层涂层体系的单层测厚能力。目前，多频谱隐身涂层体系发展迅速，涉及的隐身涂层通常包含雷达隐身涂层、红外隐身涂层及可见光等[50]，厚度从几十微米到数百微米，为实现隐身性能并满足重量要求，需严格控制每层厚度，因此，实现不同涂层厚度的同时测量具有重要意义。
（3）实现生产现场隐身涂层厚度的非接触、高精度、高效率的在线测量。现有隐身涂层无损测厚设备均为涂层的点测量，实际操作中，需先确定测厚点，然后逐点测量，针对整机测厚，操作难度大，周期长。随着进入工业4.0时代，通过区域扫描成像，实现整体涂层厚度的高精在线测量是未来的发展趋势。
（4）兼具隐身涂层厚度和质量无损检测的能力。隐身涂层结构复杂，涂层较厚，涂覆过程易引起厚度不均、内部开裂、气孔等缺陷，直接影响隐身性能和使用寿命，实现涂层厚度和质量的同时检测具有重要意义。
3 总结
雷达隐身涂层是飞机的重要隐身技术之一，而涂层厚度直接影响材料的隐身性能，本文综述了几种雷达隐身涂层的测厚方法，这些方法同样适用于其他涂层的厚度检测。目前，涂层厚度检测在工程应用中还存在一定的局限性，基于飞机隐身技术的发展需求及涂层测厚技术的发展水平，满足不同基材、不同结构表面隐身涂层的测厚需求，具备多层涂层体系的单层测厚能力，实现工程应用中高效、高精度的在线测量以及涂层厚度和质量的同时检测是隐身涂层测厚技术的未来发展趋势。
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本文转载自《电镀与精饰》第44卷第9期2022年9月
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