隱身材料的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進展

1、<p>　　隱身材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　摘要：介紹了隱身材料的分類，以及隱身材料的研究現(xiàn)狀。主要介紹了微波隱身材料，紅外隱身材料和激光隱身材料的特點和研究現(xiàn)狀。在此基礎上在此基礎上，介紹了納米隱身材料和紅外、雷達的兼容隱身材料，并指出多頻譜兼容隱身是未來隱身材料發(fā)展的趨勢。</p><p>　　關(guān)鍵詞：隱身技術(shù)，吸波材料，發(fā)展趨勢，多頻兼容隱身</p&

2、gt;<p>　　隨著電子科技的迅速發(fā)展，雷達，毫米波，紅外，激光，聲波等探測技術(shù)趨于成熟，使得未來戰(zhàn)場上武器系統(tǒng)特別是一些大型的作戰(zhàn)武器 ，如飛機 、坦克、導彈、艦艇等所面臨的威脅日益增加 。為了提高在戰(zhàn)場上的生存能力 、防御能力和攻擊能力的隱身技術(shù)普遍受到了世界各國的高度重視[1]。隱身技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵在于隱身材料技術(shù)的發(fā)展 ?，F(xiàn)代化的戰(zhàn)爭對吸波材料的性能提出了越來越高的要求，一般傳統(tǒng)意義的吸波材料已經(jīng)很難滿足薄、輕、寬

3、、強的綜合要求 ，各國都在積極開發(fā)新型的吸波材料。</p><p>　　通常說的隱身技術(shù)是指在一定探測環(huán)境中控制、降低各種武器裝備的特征信號，使其在一定范圍內(nèi)難以被發(fā)現(xiàn)、識別和攻擊的技術(shù)。隱身技術(shù)作為一項高技術(shù)，與激光武器，巡航導彈被稱為軍事科學史最新的三大技術(shù)成就，成為現(xiàn)代軍事研究的關(guān)鍵技術(shù)。隱身技術(shù)一般可分為微波隱身技術(shù)，紅外隱身技術(shù)，聲隱身技術(shù)和激光隱身技術(shù)。隱身材料是隱身技術(shù)的重要組成部分，它的發(fā)展在很大

4、程度上決定了隱身技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　1. 隱身材料的分類</p><p>　　隱身材料的分類方法有很多種，相應于隱身技術(shù)的分類，可分為微波隱身材料，紅外隱身材料，聲隱身材料，激光隱身材料和多功能隱身材料。由于雷達的工作波段大部分在微波段（1m-1mm），因此該技術(shù)稱為微波隱身技術(shù)[1]。</p><p>　　1.1 微波隱身材料</p>

5、<p>　　雷達是探測武器特別是飛行器的最可靠地方法，它是利用電磁波發(fā)現(xiàn)目標并測定其位置的設備。吸收雷達波的材料稱為雷達吸波材料，簡稱吸波材料[2]。吸波材料是指能吸收投射到它表面的電磁波能量，并通過材料的介質(zhì)損耗使電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能或其它形式的能量而耗散掉的一類材料。它的工作原理與材料的電磁特性有關(guān)。該材料一般應具備兩個特性，即波阻抗匹配性和衰減特性。波阻抗匹配特性即入射電磁波在材料介質(zhì)表面的反射系數(shù)最小，從而盡可能的從表

6、面進人介質(zhì)內(nèi)部；衰減特性指進入材料內(nèi)部的電磁波被迅速吸收。損耗大小，可用電損耗因子和磁損耗因子來表征[3]。對于單一組元的吸收體，阻抗匹配和強吸收之間存在矛盾，有必要進行材料多元復合，以便調(diào)節(jié)電磁參數(shù)，使它盡可能在匹配條件下，提高吸收損耗能力。</p><p>　　吸波材料可分為傳統(tǒng)吸波材料和新型吸波材料。傳統(tǒng)吸波材料以強吸收為主要目標，常用的材料有鐵氧體、金屬微粉、鈦酸鋇、碳化硅、石墨、導電纖維等[4]。它們通

7、常都存在吸收頻帶窄、密度大等缺點。新型吸波材料包括納米材料、多晶鐵纖維、“手征”材料、導電高聚物及電路模擬吸波材料等，要求滿足“薄、寬、輕、強”等特點，即厚度薄，吸收頻帶寬，重量輕，力學性能強。</p><p>　　吸波材料還可以可分為導電損耗型、介電損耗型和磁損耗型三類[5]。（1）當導電型吸波材料受到外界磁場感應時，會在導體內(nèi)產(chǎn)生感應電流，感應電流又產(chǎn)生與外界磁場方向相反的磁場，從而與外界磁場相抵消，達到對外

8、界電磁場的屏蔽作用。非磁性金屬粉末、石墨和導電高分子等屬于導電損耗型；（2）碳化硅、鈦酸鋇等屬于介電損耗型吸波劑，其機理主要是介質(zhì)的極化弛豫損耗；（3）鐵氧體、鐵磁性金屬粉等屬于磁損耗型，它們主要是通過磁滯損耗、鐵磁共振和渦流損耗等機制大量吸收電磁波的能量，并將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能來達到吸波效果。</p><p>　　按工藝方法可分為涂覆型和結(jié)構(gòu)性。前者是將吸收劑與粘結(jié)劑混合后涂敷于目標表面形成吸波涂層，是一種吸波的

9、高分子復合涂料。這種涂料具有反射率低，響應頻帶寬，輕且薄等特點。后者具有承載和吸收雷達波的雙重功能，通常是將吸收劑分散在層狀結(jié)構(gòu)材料中，或是透波性能好、強度高的高聚物復合材料(如玻璃鋼，芳綸纖維復合材料)作面板，夾芯采用蜂窩狀、波紋體或角錐體的夾芯結(jié)構(gòu)。</p><p>　　1.2 紅外隱身材料</p><p>　　紅外探測系統(tǒng)是依靠探測目標自身和背景的輻射差別來發(fā)現(xiàn)和識別目標[6]。紅外

10、隱身材料主要通過降低目標表面的紅外發(fā)射率和絕對溫度，改變目標的紅外輻射特征，降低武器在紅外波段的亮度，改變武器在紅外熱像儀中的形狀，降低其被發(fā)現(xiàn)和識別的概率[7]。紅外隱身區(qū)域包括近紅外波段(0．76～3.00um)、中紅外波段(3～6um)，遠紅外波段（6～l5um)和極遠紅外波段（15～1000um)[1]。但由于所受的大氣窗口的限制，紅外探測器的實際工作波段為 3—5um和8—14um。</p><p>　

11、　紅外隱身材料的目的就是使目標和背景的輻射能量差減小到紅外探測器探測不到或識別不出的程度，因此對紅外隱身材料，一方面要求其與背景的輻射能量差要小，另一方面要求其響應頻帶要寬，即要求該材料的覆蓋波段為 3—5um和 8—14um，同時要有利于實現(xiàn)多波段兼容。</p><p>　　由斯蒂芬一玻耳茲曼定律 ：E = 4εδT4 </p><p>　　其中ε為物體的發(fā)射率，δ為斯蒂芬一玻耳茲曼常

12、量,T為目標的絕對溫度.</p><p>　　從玻耳茲曼定律可以看出，實現(xiàn)紅外隱身最有效的途徑是降低材料的發(fā)射率和控制目標的表面溫度[8],所有對應的常用材料有降溫材料和低發(fā)射率材料。</p><p>　　1.2.1 降溫材料</p><p>　　降溫材料是降低目標熱輻射的最有效的材料。目前已見報道的有隔熱材料和相變材料。隔熱材料一般是泡沫塑料和陶瓷材料。在近年來的

13、研究，發(fā)現(xiàn)中空微珠的隔熱降溫效果較好，而且當其用量小于 20％時，中空微珠對涂層的發(fā)射率基本沒有影響[9]。正在興起的相變材料目前正受到越來越廣泛的關(guān)注，人們也開始研究把它作為紅外隱身材料。相變材料在發(fā)生物相轉(zhuǎn)變時，伴隨吸熱、放熱效應而引起溫度變化，利用這種特性可以從溫度上對目標的熱輻射能量加以控制。</p><p>　　1.2.2低發(fā)射率材料</p><p>　　低發(fā)射率材料主要有涂敷型

14、和薄膜型兩類，但因為薄膜型材料成本較昂貴，制作復雜，難以在武器中得到實際應用，因此目前國內(nèi)外研究的重點主要在低發(fā)射率涂料方面，它由吸收劑(顏料)、粘合劑(基料)[10]和添加劑組成。紅外隱身涂層是由紅外隱身涂料在裝備表面上涂制而成 ，按其構(gòu)成的涂層數(shù)可以分為單層和多層復合涂層 。單層涂層由同一種涂料涂成的涂層 ，而多層涂層則考慮到多波段、與雷達波及激光隱身涂層兼容，由不同涂料組成。</p><p>　　1.3 激

15、光隱身材料</p><p>　　激光的方向性強、單色性好、相干性和亮度好。它與普通微波雷達相比，還具有分辨力高、抗干擾能力強 、隱蔽性好等優(yōu)勢。激光隱身以近紅外到中紅外區(qū)作為激光器的主要工作波，其中1.06um為激光隱身的重點[11]。激光隱身是通過降低目標對激光的回波信號，使目標具有低可探測性。要實現(xiàn)激光隱身，必須減少目標的激光雷達散射截面。激光雷達散射截面(LRCS)[12]是描述目標對照射到它上面的激光的散

16、射能力的物理量 ，用于評價目標的激光隱身效果。</p><p>　　激光隱身材料通常對激光信號吸收強 ，從而降低了激光反射信號 ，還可以改變發(fā)射激光的頻率，使回波信號偏離激光探測波段。激光隱身材料從使用方法上可分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型，其中以涂覆型材料最適合，因為它價格低，使用方便，適用與各種目標和目標的各種位置。其他類型的激光隱身材料尚未見具體報導。</p><p>　　2 .隱身材料的應用&

17、lt;/p><p>　　在民用上，吸波材料主要應用與建材中，目前主要研究和開發(fā)一些質(zhì)量輕 、頻帶寬 、多功能的新型建筑吸波材料。建筑吸波材料在電磁波防護領(lǐng)域 ，較常用的手段是電磁屏蔽防護。為克服電磁屏蔽所帶來的電磁波高反射這一弊端 ，對某些屏蔽材料的性能要求已由過去的高反射調(diào)整為高吸收低反射[13]。例如混凝土吸波材料在工程上的應用前景廣闊，它可以廣泛應用于建筑物、橋、塔等處時，可以防止雷達偽像。在通信基地，可以用來

18、改善通信質(zhì)量。在機場、航標、碼頭、電視臺和接收站附近的高大建筑物上，可以用來消除反射干擾，以盡量減輕電磁輻射對人們所造成的危害。另外，還可用于軍事隱身建筑領(lǐng)域、精密儀器廠、防電磁波干擾的科研部門以及國家保密單位的防信息泄露等部門</p><p>　　在軍事上，微波材料和紅外材料用在各種武器裝備上，特別是兼有兩者特性的隱身材料越來越受到人們的關(guān)注。例如 ，B-2隱身轟炸機 900m 表面噴涂有堅韌的彈性體吸波涂層

19、，F(xiàn)-22隱身戰(zhàn)斗機機身部分金屬零件采用吸波涂層 ，F(xiàn)／A一18E／F飛機則采用密度很低且耐腐蝕性優(yōu)良的新型隱身材料[14]。這樣在很大程度上降低了目標被發(fā)現(xiàn)的幾率，從而提高裝備的生存能力 、防御能力和攻擊能力。等離子體隱身材料材料因其耐高溫等特性主要用在航天與運載火箭上[15]。在水上作戰(zhàn)時，潛艇和魚雷最常用的手段，主要用聲納探測。將聲隱身材料應用與潛艇上，可以減小其被發(fā)現(xiàn)的概率。 </p><p>&l

20、t;b>　　3 .隱身材料展望</b></p><p>　　隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)有報道研發(fā)了多種隱身效果比較好的隱身材料。報道最多的有納米隱身材料和雷達與紅外兼容的復合材料[16]。</p><p>　　3.1 納米隱身材料</p><p>　　納米隱身材料是目前隱身材料研究中一個非?；钴S的熱點，納米材料具有很多與眾不同的特異性能[17]

21、，主要表現(xiàn)為具有納米尺寸效應 、宏觀量子隧道效應、界面效應 、納米非均勻性等特點，使其在光、電、磁等物理方面具有獨特的性質(zhì) ，可導致微波的高磁導率 、高磁損耗 ，實現(xiàn)微波的寬頻帶強吸收，而且具有兼容性好、質(zhì)量輕、厚度薄等特點，是一 種 具 有 很大 發(fā) 展?jié)?力 的新一 代 隱身材料。國內(nèi)外研究的納米隱身材料主要有 ：納米金屬和合金 、納米金屬單層膜和多層膜 、納米鐵氧體 、納米導電聚合物、納米 SiC、納米碳纖維吸波材料等[18]。&

22、lt;/p><p>　　3.2 雷達與紅外兼容的復合材料</p><p>　　目前雷達在各種探測器中仍占主導地位, 而紅外技術(shù)在偵察、捕獲目標和制導技術(shù)方面也已得到廣泛的應用,因此,雷達和紅外隱身的兼容性將是今后研究的主要方向之一[19]。但由于雷達吸波材料與紅外隱身材料的隱身機理不同,使得它們的性能要求相互制約。雷達吸波材料要求高吸收率,低反射率;而紅外隱身材料要求低吸收率, 高反射率[]。

23、要使同一種材料同時滿足以上兩種要求, 實現(xiàn)起來有相當?shù)睦щy,大量實驗發(fā)現(xiàn)摻雜半導體填料[20]能滿足雷達與紅外兼容隱身的可能性。實現(xiàn)雷達和紅外兼容目前有兩條技術(shù)途徑: 一是研制一種雷達波高吸收、熱紅外低輻射的隱身材料; 二是分別研制高性能雷達波吸收和熱紅外低輻射材料, 然后通過結(jié)構(gòu)設計將其復合起來, 復合后其雷達波吸收性能和熱紅外低輻射性能仍能保持不變或變化不大[1]。</p><p>　　雷達波與紅外兼容主要包

24、括毫米波與紅外兼容和厘米波與紅外兼容。毫米波與紅外兼容隱身材料主要用于導彈和地面武器裝備的隱身; 厘米波和紅外兼容隱身材料主要用于軍用飛行器的隱身。國內(nèi)有多家單位在開展毫米波和紅外兼容隱身材料的研究。王智勇[21]等在毫米波吸波材料上涂覆一層紅外涂料,在一定的厚度范圍內(nèi),可以同時兼顧兩種性能,且雷達波吸收性能基本不變。但國內(nèi)對厘米波與紅外兼容隱身材料的研究甚少。</p><p><b>　　4. 結(jié)語&

25、lt;/b></p><p>　　隨著現(xiàn)代偵察和制導技術(shù)的多元化發(fā)展及各種先進探測設備的相繼問世, 要求吸波材料將來發(fā)展成為能兼容厘米波、毫米波、紅外、激光等多種頻譜的隱身材料, 在同一目標上使用的材料要求實現(xiàn)多個波段以上的多功能隱身材料一體化設計。因此,在未來的戰(zhàn)爭中, 適合一二個相應頻段的吸波介質(zhì)將很難金后的探測系統(tǒng)具有實戰(zhàn)意義, 發(fā)展多頻段高性能隱身材料技術(shù)是未來隱身材料研究的重要方向。隱身材料正向著

26、多頻譜，兼容性，智能化發(fā)展，研究“寬，薄，輕，強”的隱身材料一直是人們的追求。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]周馨我.功能材料學.[M].北京;北京理工大學出版社，2011.234-280.</p><p>　　[2] 楊詠來，寧桂伶.吸波材料及其研究進展，化工進展，2009,5（21）：56-

27、59.</p><p>　　[3] 朱冠芳，吸波材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，工業(yè)技術(shù)，2011（17）：64-65</p><p>　　[4] 張健，張文彥，奚正平.隱身吸波材料的研究進展[J].稀有金屬材料與工程，2008,37（4）：504-507.</p><p>　　[5]邱琴，張宴清，張雄.電磁波吸收材料的研究進展[J].同濟大學材料與化工學院，2009,8:

28、78-81.</p><p>　　[6]游毓聰，杜仕國.熱紅外隱身材料的發(fā)展狀況.河北化工，2006 29（3):6-8.</p><p>　　[7]張?zhí)m，王璐，劉瓊. 紅外隱身材料的研究進展[J].洛陽理工學院學報，2011 ，21（1）：5-8.</p><p>　　[8]付 偉．飛機的光電臆身技術(shù)[J]．航空兵器，2001,(4)：9-13．</p>

29、;<p>　　[9]費逸偉，黃之杰，孫元寶．新型熱紅外偽裝涂料用填料中空微珠性能研究[J]．紅外技術(shù)，2003，25(3)：55-59．</p><p>　　[10] 李靖宇，杜仕國，施冬梅．紅外隱身涂料粘合劑的研究進展．表面技術(shù)，2009，38(4)：72-74．</p><p>　　[11]趙錦，陳宏書，王結(jié)良. 激光隱身材料的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].西安工業(yè)大學材料

30、與化工學院，2011， 26：78-82</p><p>　　[12] 盧言利，張拴勤，呂緒良．激光隱身材料的研究新進展[J]．材料導報網(wǎng)刊，2008，5：5-7．</p><p>　　[13]孔魏，張凱.從吸波機理探析建筑吸波材料的應用及展望[J].上海建材，2010,1:17-19.</p><p>　　[14]哈恩華，黃大慶，丁鶴雁.新型輕質(zhì)雷達吸波材料的研究

31、應用及進展[J].北京航空材料研究院，2009,3:55-59.</p><p>　　[15] 韋萍蘭,何立萍. 離子體隱身技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].導彈與航天運載技術(shù)， 2009，5：22-25．</p><p>　　[16] 張樹華．新型雷達吸波材料的發(fā)展和與應用[J]．軍事技術(shù)，2004 (12)：25—27．</p><p>　　[17] 于海濤，莊海燕. 納米

32、隱身材料胡研究進展及發(fā)展趨勢[J] .材料開發(fā)與應用， 2011， 1：82-84.</p><p>　　[18] 張衛(wèi)東 ，吳伶之．納米雷達隱身材料研究進展[J]．字航材料工藝，2011,3:1-4.</p><p>　　[19] 閻宵霞.雷達/紅外兼容性隱身材料的研究進展及發(fā)展方向[J].技術(shù)物理教學，2010,18（3）：46-48.</p><p>　　[2