袁利娜，解二偉，張雪鋒，劉晨，張燕燕

（航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧沈陽 110034）

隱身技術(shù)能極大地提高作戰(zhàn)平臺及武器系統(tǒng)的突防能力、生存能力和作戰(zhàn)效果，取得戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)諸方面的主動優(yōu)勢，成為了現(xiàn)代國防領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達(dá)是探測目標(biāo)最可靠的手段，因此雷達(dá)隱身技術(shù)仍是隱身技術(shù)的重點［1-3］。雷達(dá)散射截面是表征目標(biāo)對雷達(dá)波散射能力的度量，飛行器雷達(dá)隱身技術(shù)主要通過減弱、散射、抑制、吸收入射的雷達(dá)波，降低雷達(dá)回波強度，實現(xiàn)降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積（Radar Cross Sec‐tion，簡稱RCS）的目的。

外形結(jié)構(gòu)設(shè)計和隱身材料應(yīng)用是實現(xiàn)雷達(dá)隱身的主要技術(shù)途徑。前者通過改變飛行器的外形結(jié)構(gòu)，減弱或消除散射源，大幅度縮減目標(biāo)的RCS，但該方法難度大成本高，并且會影響飛行器的氣動性能和強度，因此具有很大的局限性［4-5］。雷達(dá)隱身材料主要通過吸收、衰減入射的電磁波，將其電磁能轉(zhuǎn)換為熱能而損耗掉或使其產(chǎn)生干涉相消，實現(xiàn)目標(biāo)的雷達(dá)隱身性能，是目前飛機隱身研究及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一［6-7］。雷達(dá)吸波涂層由于其工藝簡單、施工方便、成本較低、效果顯著和對目標(biāo)外形適應(yīng)性強等優(yōu)點，成為飛機上使用最為廣泛的一種隱身材料［8-9］。隱身性能是雷達(dá)吸波涂層的核心性能，而涂層厚度是衡量吸波涂層性能的重要參數(shù)。涂層過薄，入射的電磁波不能被快速損耗吸收，吸波性能不滿足指標(biāo)要求，涂層過厚，不僅增加負(fù)荷重量，還會影響結(jié)合強度，降低涂層的機械性能［10-11］。因此，雷達(dá)吸波涂層在工程應(yīng)用中，必須對涂層厚度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

磁性吸波涂層是目前隱身飛機應(yīng)用最廣泛的雷達(dá)吸波材料［12］，能夠吸收、損耗電磁波，為滿足不同部位對隱身性能指標(biāo)的要求，其施工厚度一般不低于0.3 mm，因此傳統(tǒng)涂層測厚設(shè)備不滿足吸波涂層厚度的測量要求。本文基于雷達(dá)吸波涂層的特性及現(xiàn)有測厚技術(shù)，介紹了幾種隱身涂層的測厚方法，包括實驗室應(yīng)用較多的重量法和金相顯微鏡法，已實現(xiàn)工程應(yīng)用的渦流測厚法和超聲測厚法，以及目前處于實驗室探索階段的電磁感應(yīng)測厚法、光熱輻射測厚法和太赫茲測厚法。本文分析比較了上述幾種測厚方法的特點，簡述了檢測原理，優(yōu)缺點，應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并結(jié)合現(xiàn)代隱身技術(shù)的發(fā)展方向，分析了雷達(dá)吸波涂層測厚技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 雷達(dá)隱身涂層厚度檢測技術(shù)

1.1 重量法

重量法主要是基于雷達(dá)吸波涂層比重大，高揮發(fā)性溶劑含量較少，噴涂前后質(zhì)量變化明顯的特點，通過稱量標(biāo)準(zhǔn)試樣噴涂前后的重量值，然后依據(jù)涂層重量、密度及體積關(guān)系間接計算涂層厚度的方法。

重量法可通過噴涂過程的重量測量，計算每遍噴涂的厚度，進(jìn)而預(yù)估涂層達(dá)到規(guī)定厚度需要噴涂的次數(shù)，實現(xiàn)涂層施工過程的厚度控制。但該方法的測量誤差較大，其測量結(jié)果為整體涂層的平均厚度，因此對噴涂過程控制要求嚴(yán)格，必須保證涂層涂覆均勻，且試件表面平整、不易產(chǎn)生漆料堆積的結(jié)構(gòu)。稱重法主要測量平板試片表面的涂層厚度，一般適用于實驗室或工程應(yīng)用前期工藝摸索階段的吸波涂層厚度檢測。

1.2 金相顯微鏡法

金相顯微鏡法測量涂層厚度屬于破壞性檢測，需要通過切割試樣，對測量截面做90°加工，然后通過光學(xué)顯微鏡測量截面處涂層的厚度。利用金相法測量涂層厚度，主要包括金相制樣和光學(xué)檢測兩步［13］。金相試樣的制備質(zhì)量直接影響測量的結(jié)果的準(zhǔn)確性，試樣制備主要包括切割、鑲嵌、研磨及拋光四步，拋光后的試樣截面需具備高度的平整性，以便于顯微鏡下觀察、分析。測量時，首先將試樣置于載物臺，然后利用數(shù)碼相機取相，再利用專用軟件進(jìn)行涂層的測量，一般需多次測量，取平均值［14-15］。

金相顯微鏡法屬于光學(xué)測厚法，涂裝的基材需易于切割，且基體與涂層間具有清晰界面［16］。金相法可用于不同基體表面涂層厚度的測量，其測量精度較高，適用范圍廣，并且可以同時檢測截面涂層的均勻性及內(nèi)部質(zhì)量，但其操作過程受檢測者的主觀影響較大，易出現(xiàn)操作誤差。另外因儀器校準(zhǔn)、試樣打磨及鑲嵌等過程較繁瑣，導(dǎo)致測試周期長，成本高，并且該測厚方法屬于破壞性測量，因此一般用于實驗室測量吸波涂層厚度。

1.3 渦流測厚法

渦流測厚法檢測涂層厚度主要基于提離效應(yīng)，是測量非磁性金屬基材表面絕緣涂層厚度的常用方法。其檢測原理如圖1所示［17］，利用高頻交變電流在測量探頭的線圈中產(chǎn)生電磁場，探頭與涂層接觸，涂層下的金屬基體產(chǎn)生電渦流，感生渦流對探頭線圈產(chǎn)生反饋，反饋阻抗的大小表征了涂層的厚度［18-20］。雷達(dá)吸波涂層雖然有一定的導(dǎo)電性，但其與金屬基體材料的電導(dǎo)率有顯著差別，因此可基于渦流測厚原理，通過分析、校準(zhǔn)，實現(xiàn)了金屬基體表面雷達(dá)吸波涂層的厚度測量［21-22］。

圖1 渦流測厚法基本原理圖Fig.1 Schematic diagram of thickness measurement by eddy current method

渦流測厚儀設(shè)備輕便，操作簡單，可靠性較高，是工程中吸波涂層測厚最常用的方法，測量前先用同種吸波涂層的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行校準(zhǔn)，然后直接對試件進(jìn)行測量。目前，渦流測厚儀主要用于鋁合金基材上吸波涂層的厚度測量，對于復(fù)合材料基體表面的涂層，需采用掛片的方式間接測量。渦流測厚法存在邊緣效應(yīng)，其測量精度受試樣曲率和涂層表面粗糙度影響較大［23］。另外，現(xiàn)有渦流測厚儀主要為手持式，整機測量人工勞動強度大，效率低，周期長，且不滿足新一代戰(zhàn)機整體表面的隱身涂層測厚要求。

1.4 超聲測厚法

超聲測厚法主要是依據(jù)超聲傳播機理，超聲波波長較短，具有良好的穿透性。目前應(yīng)用最普遍的超聲測厚儀主要基于超聲脈沖反射技術(shù)，其測量原理如圖2所示。超聲探頭發(fā)射出的聲波通過耦合劑入射到待測涂層試件時，聲波在被測涂層的上、下界面處均產(chǎn)生反射回波，超聲探頭接收界面的反射回波，根據(jù)反射回波的時間差及聲波在涂層中的傳輸速度即可計算涂層厚度［24-25］。超聲檢測技術(shù)在雷達(dá)吸波涂層測厚方面的研究較早［26-27］，該方法測量過程不受基體和涂層電學(xué)及磁學(xué)性能影響，可直接測量金屬和復(fù)合材料基體表面吸波涂層厚度，并且可實現(xiàn)多層涂層厚度的同時測量。

圖2 超聲測厚基本原理圖Fig.2 Schematic diagram of thickness measure‐ment by ultrasonic method

超聲檢測技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的無損檢測技術(shù)之一，并且已研制了適用于雷達(dá)吸波涂層厚度測量的超聲檢測設(shè)備，其測量的靈敏度較高，設(shè)備便攜，成本較低，已實現(xiàn)了工程應(yīng)用。超聲測厚設(shè)備雖然理論上可實現(xiàn)對多層涂層厚度的同時測量，但由于界面的多次反射及聲波在介質(zhì)中的散射損耗，實際應(yīng)用中暫不滿足多涂層的測厚需求，并且當(dāng)吸波涂層厚度小于500 μm時，相鄰界面的反射回波易產(chǎn)生重疊，造成測量困難。超聲測厚設(shè)備的測量精度受界面粗糙度及材料的內(nèi)部質(zhì)量影響較大，并且測量過程中，超聲探頭需要通過耦合劑與工件接觸，容易造成操作不便，一定程度上限制了其工程中的應(yīng)用。

1.5 磁感應(yīng)測厚法

傳統(tǒng)磁性測厚儀主要基于磁感應(yīng)原理，利用涂層改變線圈的磁感應(yīng)強度，實現(xiàn)涂層的厚度測量，主要適用于磁性基體表面非磁性涂層的厚度測量［28-29］，具體測量原理如圖3所示。測量過程磁性探頭與磁性金屬基體構(gòu)成一個閉合的磁回路，而由于基體表面非導(dǎo)磁性涂層的存在，導(dǎo)致磁路中磁阻變大，線圈的電感量變小，通過測量變化值，可推算涂層的厚度。由于雷達(dá)吸波涂層具有高導(dǎo)磁特性，會引起電磁場中磁感應(yīng)強度的變化，另外，由于飛機基體材料主要為非磁性的鋁合金和復(fù)合材料，傳統(tǒng)磁感應(yīng)測厚儀不適用吸波涂層的厚度測量。而雷達(dá)吸收涂層可看作具有一定磁導(dǎo)率的均勻電磁損耗材料，可通過磁場理論，分析磁性吸波涂層對磁感應(yīng)強度的影響，擬合阻抗信號與涂層厚度的關(guān)系曲線，實現(xiàn)吸波涂層厚度的磁性測量。

圖3 磁性測厚基本原理圖Fig.3 Schematic diagram of thickness measurement by magnetic induction method

磁感應(yīng)測厚法可實現(xiàn)不同基材吸波涂層厚度檢測，但需先確定涂層厚度與對應(yīng)磁感應(yīng)強度之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而計算測量點處涂層厚度。程玉華等［30］基于電磁感應(yīng)原理，采用變磁阻式探頭，通過分析計算導(dǎo)磁性涂層對探頭磁阻變化的影響，實現(xiàn)了復(fù)合材料表面雷達(dá)吸波涂層的厚度測量。林科培等［31］依據(jù)磁飽和檢測方法，確定涂層厚度與檢測點的電磁強度關(guān)系，通過施加外加磁場，測量檢測點的磁感應(yīng)強度，反推涂層厚度，驗證了雷達(dá)吸波涂層與紅外涂層厚度同時測量的可行性。利用磁感應(yīng)測厚時，測量點的選擇、基材的導(dǎo)電性及曲率、涂層表面粗糙度等因素直接影響測量的精度。目前，該方法在吸波涂層測厚領(lǐng)域仍處于研究階段，減少環(huán)境因素影響，提高測量精度及設(shè)備的便攜性是后續(xù)研究應(yīng)用的重點。

1.6 光熱輻射測厚法

光熱輻射測厚法主要是基于紅外熱傳導(dǎo)和熱輻射理論，是一種主動式紅外熱像無損檢測技術(shù)［32-33］。通過激勵源對待測涂層表面進(jìn)行加熱，熱量由涂層表面向內(nèi)部傳導(dǎo)，由于涂層厚度遠(yuǎn)小于試樣橫向尺寸，熱流在涂層內(nèi)部近似為厚度方向的一維傳導(dǎo)，因此熱流傳導(dǎo)時間與涂層厚度成正比。利用紅外熱像儀檢測涂層表面溫度變化并獲得涂層紅外熱圖序列，將圖像序列特征時間與標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行擬合、計算，獲得涂層厚度［34］。

光熱輻射測厚技術(shù)理論上可用于吸波涂層的厚度測量，并可實現(xiàn)多層涂層厚度的同時測量。其檢測速度快，觀測面積大，并且屬于非接觸式測量，可用于干漆膜和濕漆膜的厚度測量，滿足工業(yè)測厚要求［35-37］。光熱輻射技術(shù)在無損檢測方面已得到廣泛應(yīng)用，并且可實現(xiàn)吸波涂層缺陷的無損檢測［38］，但其在涂層測厚方面的研究仍處于起步階段。由于漆層厚度相對較薄，熱信號變化迅速，并且熱流的多次反射會影響涂層表面溫度信號，因此對熱激勵源和熱像儀的要求較高，并且測量精度受涂層粗糙度和環(huán)境因素影響較大。

1.7 太赫茲測厚法

太赫茲波是指頻率在0.1～10 THz波段的電磁波，由于其具有穿透性強、定向性好、抗干擾性強、分辨率及安全性高等優(yōu)勢，成為目前涂層測厚方面研究的熱點［39］。太赫茲測厚法主要基于飛行時間原理，利用太赫茲波透射或反射的傳播形式進(jìn)行厚度測量。目前，研究較多的為反射回波測厚技術(shù)，其測量原理如圖4所示。電磁波在介質(zhì)中傳播，不同介質(zhì)由于折射率的差異，發(fā)生界面反射，反射回波的時間差與涂層厚度成線性關(guān)系。因此通過建立涂層厚度的太赫茲脈沖光譜，測量反射波的波形變化，根據(jù)涂層折射率和光速即可計算涂層厚度。

圖4 太赫茲測厚原理圖Fig.4 Schematic diagram of thickness measurement by terahertz method

太赫茲測厚技術(shù)滿足涂層厚度的非接觸檢測，并且測量精度高，可同時實現(xiàn)多層測量、漆層質(zhì)量及涂層下缺陷的無損檢測。國外對太赫茲涂層測厚技術(shù)的研究較早［40-42］，并且已應(yīng)用到雷達(dá)隱身涂層測厚及質(zhì)量檢測中，但由于保密性，暫無該方面的詳細(xì)報道。國內(nèi)關(guān)于太赫茲測厚技術(shù)目前仍處于起步階段，何明霞等［43-44］測量了多涂層體系的太赫茲波形，實現(xiàn)了最多三層漆層厚度的同時測量，并利用隨機優(yōu)化算法，驗證了微米級涂層厚度測量的可行性。董海龍等［45］利用太赫茲測厚技術(shù)，實現(xiàn)了低發(fā)紅外隱身涂層的厚度測量。涂婉麗等［46］基于太赫茲波脈沖檢測技術(shù)實現(xiàn)了船舶涂層厚度的定量分析，并評估了涂層內(nèi)部氣孔等缺陷。太赫茲技術(shù)是國內(nèi)外無損檢測領(lǐng)域重要的研究方向［47］，利用太赫茲技術(shù)實現(xiàn)雷達(dá)吸波涂層的非接觸式測厚具有非常大的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)太赫茲測厚技術(shù)仍處于實驗室研究階段，檢測結(jié)果受限于漆料種類及漆層厚度，測量精度、檢測效率及操作便捷性等方面均有待進(jìn)一步提高。

上述介紹的7種雷達(dá)隱身涂層的測厚方法和檢測技術(shù)的優(yōu)、缺點以及適用領(lǐng)域的對比總結(jié)如表1所示。

表1 雷達(dá)隱身涂層測厚方法比較Tab.1 Comparison of the thickness measurement for radar stealth coating

2 雷達(dá)隱身測厚技術(shù)的發(fā)展方向

雷達(dá)隱身涂層作為影響現(xiàn)代戰(zhàn)機隱身性能的核心因素，有效控制涂層厚度的完整性及均勻性是實現(xiàn)隱身性能的基礎(chǔ)。結(jié)合目前國內(nèi)外雷達(dá)隱身技術(shù)的發(fā)展形式，簡要分析了目前隱身涂層測厚技術(shù)的應(yīng)用需求及發(fā)展方向。

（1）滿足飛機不同基體材料及結(jié)構(gòu)形式的涂層測厚要求。隨著機體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、模塊化的發(fā)展要求，復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料、鋁、鋼和鈦是現(xiàn)代戰(zhàn)機的主要結(jié)構(gòu)材料［48］，實現(xiàn)不同基材上隱身涂層的厚度測量具有重要應(yīng)用價值。另外，為滿足外形隱身要求，現(xiàn)代戰(zhàn)機均采用斜置外形設(shè)計，大后略角式機翼及蛇形進(jìn)氣道等結(jié)構(gòu)［49］，隱身涂層厚度測量覆蓋全機，因此，隱身涂層測厚技術(shù)需滿足不同部位的精度要求。

（2）具備多層涂層體系的單層測厚能力。目前，多頻譜隱身涂層體系發(fā)展迅速，涉及的隱身涂層通常包含雷達(dá)隱身涂層、紅外隱身涂層及可見光等［50］，厚度從幾十微米到數(shù)百微米，為實現(xiàn)隱身性能并滿足重量要求，需嚴(yán)格控制每層厚度，因此，實現(xiàn)不同涂層厚度的同時測量具有重要意義。

（3）實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場隱身涂層厚度的非接觸、高精度、高效率的在線測量?，F(xiàn)有隱身涂層無損測厚設(shè)備均為涂層的點測量，實際操作中，需先確定測厚點，然后逐點測量，針對整機測厚，操作難度大，周期長。隨著進(jìn)入工業(yè)4.0時代，通過區(qū)域掃描成像，實現(xiàn)整體涂層厚度的高精在線測量是未來的發(fā)展趨勢。

（4）兼具隱身涂層厚度和質(zhì)量無損檢測的能力。隱身涂層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涂層較厚，涂覆過程易引起厚度不均、內(nèi)部開裂、氣孔等缺陷，直接影響隱身性能和使用壽命，實現(xiàn)涂層厚度和質(zhì)量的同時檢測具有重要意義。

3 總結(jié)

雷達(dá)隱身涂層是飛機的重要隱身技術(shù)之一，而涂層厚度直接影響材料的隱身性能，本文綜述了幾種雷達(dá)隱身涂層的測厚方法，這些方法同樣適用于其他涂層的厚度檢測。目前，涂層厚度檢測在工程應(yīng)用中還存在一定的局限性，基于飛機隱身技術(shù)的發(fā)展需求及涂層測厚技術(shù)的發(fā)展水平，滿足不同基材、不同結(jié)構(gòu)表面隱身涂層的測厚需求，具備多層涂層體系的單層測厚能力，實現(xiàn)工程應(yīng)用中高效、高精度的在線測量以及涂層厚度和質(zhì)量的同時檢測是隱身涂層測厚技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。