热障涂层与雷达吸收复合涂层：通过拓扑优化的微架构设计实现双尺度热电磁调控

《Surface and Coatings Technology》：Thermal-barrier and radar-absorbing metacoating: Dual-scale thermal-electromagnetic manipulation via topology-optimized microarchitecture design

双尺度热-电磁调控超材料涂层实现宽频雷达吸波与高效隔热，采用8YSZ热障层与拓扑优化雷达吸波单元复合结构，通过遗传算法设计毫米级吸波单元，在1000℃下实现17.7GHz有效吸收带宽（RL≤?5dB），X/Ka波段覆盖率达91%，热导率低于0.7W·m-1-1。

　　近年来，随着高超音速飞行器速度的不断提升，以及X波段和Ka波段火控雷达技术的持续进步，对飞行器表面材料提出了更加严苛的要求。一方面，飞行器在高速飞行过程中会经历极端的高温环境，这要求材料具备优异的热防护性能；另一方面，现代雷达系统具备更强的探测能力，飞行器需要具备多频段的雷达隐身能力，以避免被敌方雷达系统发现和跟踪。因此，如何在飞行器表面实现高效热防护与多频段雷达隐身的协同设计，成为当前航空材料研究的重要课题。

目前，已有研究尝试将热障涂层（TBC）与雷达吸波材料结合，但大多数方案在实现多频段雷达隐身的同时，往往忽略了热障涂层的关键性能指标，如高温稳定性、低热导率和热膨胀系数的匹配性。例如，一些研究通过微结构设计和电磁性能优化，实现了部分频段的强吸收效果，但这种设计通常只能在特定频率范围内实现良好的雷达隐身性能，无法满足宽频段的吸收需求。此外，这些材料在高温环境下的热导率往往较高，限制了其作为热障涂层的应用前景。因此，开发一种既能满足热防护需求，又能实现多频段雷达隐身的多功能涂层，成为亟需解决的技术难题。

针对上述问题，研究人员提出了一种新型的热障-雷达吸波（TB-RA）超材料涂层，该涂层通过优化热障层与雷达吸波单元的结构设计，实现了热防护与雷达隐身的双重功能。该涂层的厚度仅为1.5毫米，能够在1000摄氏度的高温环境下实现有效的吸收带宽（EAB），其雷达波吸收性能达到RL ≤ -5 dB的范围，覆盖了17.7 GHz的频段，远超传统设计的性能水平。此外，该涂层在热防护方面也表现出色，其热导率低于0.7 W·m?1·K?1，能够在25至1000摄氏度的温度范围内保持良好的隔热效果。同时，涂层还具备高效的辐射冷却能力，其在大气窗口区域的发射率超过90%，进一步提升了热防护性能。

该TB-RA超材料涂层的设计思路是将经典热障材料8YSZ（8 wt%氧化钇稳定的氧化锆）与拓扑优化的雷达吸波单元相结合。8YSZ是一种广泛应用于高温合金热防护的材料，因其具有优异的高温稳定性、低热导率和与镍基高温合金相近的热膨胀系数，被公认为是热障涂层的主流选择。然而，8YSZ本身具有较高的介电常数和较低的介电损耗，这使得其在雷达波吸收方面存在一定的局限性。为了解决这一问题，研究人员采用拓扑优化方法，结合遗传算法驱动的结构设计，开发出具有宽频段雷达吸波能力的雷达吸波单元。这些单元能够有效延长电磁波的传播路径，从而实现更宽的吸收带宽和更高效的雷达隐身性能。

在实际制备过程中，该TB-RA超材料涂层采用了大气等离子喷涂（APS）技术，用于制备8YSZ热障层，同时通过丝网印刷技术将自合成的高温ITO（氧化铟锡）浆料应用于热障层表面，以增强其雷达吸波性能。这种制备方法不仅能够实现对涂层微观结构和孔隙率的精确控制，还能够灵活调整涂层的介电性能，从而满足不同应用场景下的需求。此外，该涂层的制备工艺相对成熟，能够保证涂层在高温环境下的稳定性和可靠性，为实际应用提供了有力支持。

通过实验验证，该TB-RA超材料涂层在1000摄氏度的高温环境下，能够实现覆盖X波段和Ka波段的宽频段雷达波吸收性能，其吸收带宽达到17.7 GHz，远超传统雷达吸波材料的性能。同时，涂层的热导率显著降低，仅为0.7 W·m?1·K?1以下，使得其在热防护方面表现出色。此外，涂层的辐射冷却能力也得到了验证，其在大气窗口区域的发射率超过90%，有效降低了飞行器表面的热辐射，进一步提升了热防护效果。

该研究的创新之处在于，首次将热障涂层与雷达吸波单元进行超材料设计，实现了热防护与雷达隐身的双重功能。这种设计不仅提高了材料的综合性能，还为高超音速飞行器表面材料的优化提供了新的思路。此外，该涂层的制备方法具有较高的可行性，能够实现对涂层微观结构和宏观性能的灵活调控，为后续的工程应用奠定了基础。

该TB-RA超材料涂层的应用前景十分广阔，特别是在高超音速飞行器、高温燃烧室和航空发动机等高温高能环境中，能够有效解决热防护与雷达隐身之间的矛盾。此外，该涂层还具备良好的机械性能和化学稳定性，能够在复杂环境下长期使用，为飞行器的安全性和隐蔽性提供了重要保障。因此，该涂层的开发不仅具有重要的理论价值，还具有显著的工程应用意义。

总之，该研究通过创新的超材料设计方法，成功开发出一种兼具高效热防护与宽频段雷达隐身能力的多功能涂层。这种涂层的出现，为高超音速飞行器表面材料的设计提供了新的解决方案，也为未来的航空材料研究指明了方向。未来，研究人员将继续优化该涂层的性能，探索其在更多应用场景中的潜力，为提升飞行器的安全性和隐蔽性做出更大贡献。