功能材料学
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隐身材料的研究现状及发展趋势
摘要：介绍了隐身材料的分类，以及隐身材料的研究现状。主要介绍了微波隐身材料，红外隐身材料和激光隐身材料的特点和研究现状。在此基础上在此基础上，介绍了纳米隐身材料和红外、雷达的兼容隐身材料，并指出多频谱兼容隐身是未来隐身材料发展的趋势。
关键词：隐身技术，吸波材料，发展趋势，多频兼容隐身
随着电子科技的迅速发展，雷达，毫米波，红外，激光，声波等探测技术趋于成熟，使得未来战场上武器系统特别是一些大型的作战武器 ，如飞机 、坦克、导弹、舰艇等所面临的威胁日益增加 。为了提高在战场上的生存能力 、防御能力和攻击能力的隐身技术普遍受到了世界各国的高度重视[1]。隐身技术的发展关键在于隐身材料技术的发展 。现代化的战争对吸波材料的性能提出了越来越高的要求，一般传统意义的吸波材料已经很难满足薄、轻、宽、强的综合要求 ，各国都在积极开发新型的吸波材料。
通常说的隐身技术是指在一定探测环境中控制、降低各种武器装备的特征信号，使其在一定范围内难以被发现、识别和攻击的技术。隐身技术作为一项高技术，与激光武器，巡航导弹被称为军事科学史最新的三大技术成就，成为现代军事研究的关键技术。隐身技术一般可分为微波隐身技术，红外隐身技术，声隐身技术和激光隐身技术。隐身材料是隐身技术的重要组成部分，它的发展在很大程度上决定了隐身技术的发展。
1. 隐身材料的分类
隐身材料的分类方法有很多种，相应于隐身技术的分类，可分为微波隐身材料，红外隐身材料，声隐身材料，激光隐身材料和多功能隐身材料。由于雷达的工作波段大部分在微波段（1m-1mm），因此该技术称为微波隐身技术[1]。
1.1 微波隐身材料
雷达是探测武器特别是飞行器的最可靠地方法，它是利用电磁波发现目标并测定其位置的设备。吸收雷达波的材料称为雷达吸波材料，简称吸波材料[2]。吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能或其它形式的能量而耗散掉的一类材料。它的工作原理与材料的电磁特性有关。该材料一般应具备两个特 功能材料学
2 性，即波阻抗匹配性和衰减特性。波阻抗匹配特性即入射电磁波在材料介质表面的反射系数最小，从而尽可能的从表面进人介质内部；衰减特性指进入材料内部的电磁波被迅速吸收。损耗大小，可用电损耗因子和磁损耗因子来表征[3]。对于单一组元的吸收体，阻抗匹配和强吸收之间存在矛盾，有必要进行材料多元复合，以便调节电磁参数，使它尽可能在匹配条件下，提高吸收损耗能力。
吸波材料可分为传统吸波材料和新型吸波材料。传统吸波材料以强吸收为主要目标，常用的材料有铁氧体、金属微粉、钛酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等[4]。它们通常都存在吸收频带窄、密度大等缺点。新型吸波材料包括纳米材料、多晶铁纤维、“手征”材料、导电高聚物及电路模拟吸波材料等，要求满足“薄、宽、轻、强”等特点，即厚度薄，吸收频带宽，重量轻，力学性能强。
吸波材料还可以可分为导电损耗型、介电损耗型和磁损耗型三类[5]。（1）当导电型吸波材料受到外界磁场感应时，会在导体内产生感应电流，感应电流又产生与外界磁场方向相反的磁场，从而与外界磁场相抵消，达到对外界电磁场的屏蔽作用。非磁性金属粉末、石墨和导电高分子等属于导电损耗型；（2）碳化硅、钛酸钡等属于介电损耗型吸波剂，其机理主要是介质的极化弛豫损耗；（3）铁氧体、铁磁性金属粉等属于磁损耗型，它们主要是通过磁滞损耗、铁磁共振和涡流损耗等机制大量吸收电磁波的能量，并将电磁能转化为热能来达到吸波效果。
按工艺方法可分为涂覆型和结构性。前者是将吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层，是一种吸波的高分子复合涂料。这种涂料具有反射率低，响应频带宽，轻且薄等特点。后者具有承载和吸收雷达波的双重功能，通常是将吸收剂分散在层状结构材料中，或是透波性能好、强度高的高聚物复合材料(如玻璃钢，芳纶纤维复合材料)作面板，夹芯采用蜂窝状、波纹体或角锥体的夹芯结构。
1.2 红外隐身材料
红外探测系统是依靠探测目标自身和背景的辐射差别来发现和识别目标[6]。红外隐身材料主要通过降低目标表面的红外发射率和绝对温度，改变目标的红外辐射特征，降低武器在红外波段的亮度，改变武器在红外热像仪中的形状，降低其被发现和识别的概率[7]。红外隐身区域包括近红外波段(0．76～3.00um)、中红外波段(3～6um)，远红外波段（6～l5um)和极远红外波段（15～1000um)[1]。但由于所受的大气窗口的限制，红外探测器的实际工作波段为 3—5um和8—14um。
红外隐身材料的目的就是使目标和背景的辐射能量差减小到红外探测器探测不到或识 功能材料学
3 别不出的程度，因此对红外隐身材料，一方面要求其与背景的辐射能量差要小，另一方面要求其响应频带要宽，即要求该材料的覆盖波段为 3—5um和 8—14um，同时要有利于实现多波段兼容。
由斯蒂芬一玻耳兹曼定律 ：E = 4εδT4
其中ε为物体的发射率，δ为斯蒂芬一玻耳兹曼常量,T为目标的绝对温度.
从玻耳兹曼定律可以看出，实现红外隐身最有效的途径是降低材料的发射率和控制目标的表面温度[8],所有对应的常用材料有降温材料和低发射率材料。
1.2.1 降温材料
降温材料是降低目标热辐射的最有效的材料。目前已见报道的有隔热材料和相变材料。隔热材料一般是泡沫塑料和陶瓷材料。在近年来的研究，发现中空微珠的隔热降温效果较好，而且当其用量小于 20％时，中空微珠对涂层的发射率基本没有影响[9]。正在兴起的相变材料目前正受到越来越广泛的关注，人们也开始研究把它作为红外隐身材料。相变材料在发生物相转变时，伴随吸热、放热效应而引起温度变化，利用这种特性可以从温度上对目标的热辐射能量加以控制。
1.2.2低发射率材料
低发射率材料主要有涂敷型和薄膜型两类，但因为薄膜型材料成本较昂贵，制作复杂，难以在武器中得到实际应用，因此目前国内外研究的重点主要在低发射率涂料方面，它由吸收剂(颜料)、粘合剂(基料)[10]和添加剂组成。红外隐身涂层是由红外隐身涂料在装备表面上涂制而成 ，按其构成的涂层数可以分为单层和多层复合涂层 。单层涂层由同一种涂料涂成的涂层 ，而多层涂层则考虑到多波段、与雷达波及激光隐身涂层兼容，由不同涂料组成。
1.3 激光隐身材料
激光的方向性强、单色性好、相干性和亮度好。它与普通微波雷达相比，还具有分辨力高、抗干扰能力强 、隐蔽性好等优势。激光隐身以近红外到中红外区作为激光器的主要工作波，其中1.06um为激光隐身的重点[11]。激光隐身是通过降低目标对激光的回波信号，使目标具有低可探测性。要实现激光隐身，必须减少目标的激光雷达散射截面。激光雷达散射截面(LRCS)[12]是描述目标对照射到它上面的激光的散射能力的物理量 ，用于评价目标的激光隐身效果。
激光隐身材料通常对激光信号吸收强 ，从而降低了激光反射信号 ，还可以改变发射激光的频率，使回波信号偏离激光探测波段。激光隐身材料从使用方法上可分为涂覆型和结构型，其中以涂覆型材料最适合，因为它价格低，使用方便，适用与各种目标和目标的各种位 功能材料学
4 置。其他类型的激光隐身材料尚未见具体报导。
2 .隐身材料的应用
在民用上，吸波材料主要应用与建材中，目前主要研究和开发一些质量轻 、频带宽 、多功能的新型建筑吸波材料。建筑吸波材料在电磁波防护领域 ，较常用的手段是电磁屏蔽防护。为克服电磁屏蔽所带来的电磁波高反射这一弊端 ，对某些屏蔽材料的性能要求已由过去的高反射调整为高吸收低反射[13]。例如混凝土吸波材料在工程上的应用前景广阔，它可以广泛应用于建筑物、桥、塔等处时，可以防止雷达伪像。在通信基地，可以用来改善通信质量。在机场、航标、码头、电视台和接收站附近的高大建筑物上，可以用来消除反射干扰，以尽量减轻电磁辐射对人们所造成的危害。另外，还可用于军事隐身建筑领域、精密仪器厂、防电磁波干扰的科研部门以及国家保密单位的防信息泄露等部门
在军事上，微波材料和红外材料用在各种武器装备上，特别是兼有两者特性的隐身材料越来越受到人们的关注。例如 ，B-2隐身轰炸机 900m 表面喷涂有坚韧的弹性体吸波涂层 ，F-22隐身战斗机机身部分金属零件采用吸波涂层 ，F／A一18E／F飞机则采用密度很低且耐腐蚀性优良的新型隐身材料[14]。这样在很大程度上降低了目标被发现的几率，从而提高装备的生存能力 、防御能力和攻击能力。等离子体隐身材料材料因其耐高温等特性主要用在航天与运载火箭上[15]。在水上作战时，潜艇和鱼雷最常用的手段，主要用声纳探测。将声隐身材料应用与潜艇上，可以减小其被发现的概率。
3 .隐身材料展望
随着科学技术的快速发展，已经有报道研发了多种隐身效果比较好的隐身材料。报道最多的有纳米隐身材料和雷达与红外兼容的复合材料[16]。
3.1 纳米隐身材料
纳米隐身材料是目前隐身材料研究中一个非常活跃的热点，纳米材料具有很多与众不同的特异性能[17] ，主要表现为具有纳米尺寸效应 、宏观量子隧道效应、界面效应 、纳米非均匀性等特点，使其在光、电、磁等物理方面具有独特的性质 ，可导致微波的高磁导率 、高磁损耗 ，实现微波的宽频带强吸收，而且具有兼容性好、质量轻、厚度薄等特点，是一 种
具 有 很大 发 展潜 力 的新一 代 隐身材料。国内外研究的纳米隐身材料主要有 ：纳米金属和合金 、纳米金属单层膜和多层膜 、纳米铁氧体 、纳米导电聚合物、纳米 SiC、纳米碳纤维吸波材料等[18]。
3.2 雷达与红外兼容的复合材料
目前雷达在各种探测器中仍占主导地位, 而红外技术在侦察、捕获目标和制导技术方面也 功能材料学
5 已得到广泛的应用,因此,雷达和红外隐身的兼容性将是今后研究的主要方向之一[19]。但由于雷达吸波材料与红外隐身材料的隐身机理不同,使得它们的性能要求相互制约。雷达吸波材料要求高吸收率,低反射率;而红外隐身材料要求低吸收率, 高反射率[]。要使同一种材料同时满足以上两种要求, 实现起来有相当的困难,大量实验发现掺杂半导体填料[20]能满足雷达与红外兼容隐身的可能性。实现雷达和红外兼容目前有两条技术途径: 一是研制一种雷达波高吸收、热红外低辐射的隐身材料; 二是分别研制高性能雷达波吸收和热红外低辐射材料, 然后通过结构设计将其复合起来, 复合后其雷达波吸收性能和热红外低辐射性能仍能保持不变或变化不大[1]。
雷达波与红外兼容主要包括毫米波与红外兼容和厘米波与红外兼容。毫米波与红外兼容隐身材料主要用于导弹和地面武器装备的隐身; 厘米波和红外兼容隐身材料主要用于军用飞行器的隐身。国内有多家单位在开展毫米波和红外兼容隐身材料的研究。王智勇[21]等在毫米波吸波材料上涂覆一层红外涂料,在一定的厚度范围内,可以同时兼顾两种性能,且雷达波吸收性能基本不变。但国内对厘米波与红外兼容隐身材料的研究甚少。
4. 结语
随着现代侦察和制导技术的多元化发展及各种先进探测设备的相继问世, 要求吸波材料将来发展成为能兼容厘米波、毫米波、红外、激光等多种频谱的隐身材料, 在同一目标上使用的材料要求实现多个波段以上的多功能隐身材料一体化设计。因此,在未来的战争中,
适合一二个相应频段的吸波介质将很难金后的探测系统具有实战意义, 发展多频段高性能隐身材料技术是未来隐身材料研究的重要方向。隐身材料正向着多频谱，兼容性，智能化发展，研究“宽，薄，轻，强”的隐身材料一直是人们的追求。
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