隱身材料的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

1、<p>　　隱身材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　摘要：介紹了隱身材料的分類(lèi)，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(diǎn)和研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上在此基礎(chǔ)上，介紹了納米隱身材料和紅外、雷達(dá)的兼容隱身材料，并指出多頻譜兼容隱身是未來(lái)隱身材料發(fā)展的趨勢(shì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：隱身技術(shù)，吸波材料，發(fā)展趨勢(shì)，多頻兼容隱身</p&

2、gt;<p>　　隨著電子科技的迅速發(fā)展，雷達(dá)，毫米波，紅外，激光，聲波等探測(cè)技術(shù)趨于成熟，使得未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上武器系統(tǒng)特別是一些大型的作戰(zhàn)武器 ，如飛機(jī) 、坦克、導(dǎo)彈、艦艇等所面臨的威脅日益增加 。為了提高在戰(zhàn)場(chǎng)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(guó)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(zhēng)對(duì)吸波材料的性能提出了越來(lái)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(qiáng)的綜合要求 ，各國(guó)都在積極開(kāi)發(fā)新型的吸波材料。</p><p>　　通常說(shuō)的隱身技術(shù)是指在一定探測(cè)環(huán)境中控制、降低各種武器裝備的特征信號(hào)，使其在一定范圍內(nèi)難以被發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和攻擊的技術(shù)。隱身技術(shù)作為一項(xiàng)高技術(shù)，與激光武器，巡航導(dǎo)彈被稱為軍事科學(xué)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(lèi)</p><p>　　隱身材料的分類(lèi)方法有很多種，相應(yīng)于隱身技術(shù)的分類(lèi)，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(dá)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(dá)是探測(cè)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(biāo)并測(cè)定其位置的設(shè)備。吸收雷達(dá)波的材料稱為雷達(dá)吸波材料，簡(jiǎn)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(guò)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(lèi)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(yīng)具備兩個(gè)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(jìn)人介質(zhì)內(nèi)部；衰減特性指進(jìn)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(lái)表征[3]。對(duì)于單一組元的吸收體，阻抗匹配和強(qiáng)吸收之間存在矛盾，有必要進(jìn)行材料多元復(fù)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(qiáng)吸收為主要目標(biāo)，常用的材料有鐵氧體、金屬微粉、鈦酸鋇、碳化硅、石墨、導(dǎo)電纖維等[4]。它們通

7、常都存在吸收頻帶窄、密度大等缺點(diǎn)。新型吸波材料包括納米材料、多晶鐵纖維、“手征”材料、導(dǎo)電高聚物及電路模擬吸波材料等，要求滿足“薄、寬、輕、強(qiáng)”等特點(diǎn)，即厚度薄，吸收頻帶寬，重量輕，力學(xué)性能強(qiáng)。</p><p>　　吸波材料還可以可分為導(dǎo)電損耗型、介電損耗型和磁損耗型三類(lèi)[5]。（1）當(dāng)導(dǎo)電型吸波材料受到外界磁場(chǎng)感應(yīng)時(shí)，會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流又產(chǎn)生與外界磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，從而與外界磁場(chǎng)相抵消，達(dá)到對(duì)外

8、界電磁場(chǎng)的屏蔽作用。非磁性金屬粉末、石墨和導(dǎo)電高分子等屬于導(dǎo)電損耗型；（2）碳化硅、鈦酸鋇等屬于介電損耗型吸波劑，其機(jī)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(guò)磁滯損耗、鐵磁共振和渦流損耗等機(jī)制大量吸收電磁波的能量，并將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)達(dá)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(biāo)表面形成吸波涂層，是一種吸波的

9、高分子復(fù)合涂料。這種涂料具有反射率低，響應(yīng)頻帶寬，輕且薄等特點(diǎn)。后者具有承載和吸收雷達(dá)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(qiáng)度高的高聚物復(fù)合材料(如玻璃鋼，芳綸纖維復(fù)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(cè)系統(tǒng)是依靠探測(cè)目標(biāo)自身和背景的輻射差別來(lái)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)[6]。紅外

10、隱身材料主要通過(guò)降低目標(biāo)表面的紅外發(fā)射率和絕對(duì)溫度，改變目標(biāo)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(shí)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(yuǎn)紅外波段（6～l5um)和極遠(yuǎn)紅外波段（15～1000um)[1]。但由于所受的大氣窗口的限制，紅外探測(cè)器的實(shí)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(biāo)和背景的輻射能量差減小到紅外探測(cè)器探測(cè)不到或識(shí)別不出的程度，因此對(duì)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(yīng)頻帶要寬，即要求該材料的覆蓋波段為 3—5um和 8—14um，同時(shí)要有利于實(shí)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(biāo)的絕對(duì)溫度.</p><p>　　從玻耳茲曼定律可以看出，實(shí)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(biāo)的表面溫度[8],所有對(duì)應(yīng)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(biāo)熱輻射的最有效的材料。目前已見(jiàn)報(bào)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(lái)的

13、研究，發(fā)現(xiàn)中空微珠的隔熱降溫效果較好，而且當(dāng)其用量小于 20％時(shí)，中空微珠對(duì)涂層的發(fā)射率基本沒(méi)有影響[9]。正在興起的相變材料目前正受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，人們也開(kāi)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(shí)，伴隨吸熱、放熱效應(yīng)而引起溫度變化，利用這種特性可以從溫度上對(duì)目標(biāo)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(lèi)，但因?yàn)楸∧ば筒牧铣杀据^昂貴，制作復(fù)雜，難以在武器中得到實(shí)際應(yīng)用，因此目前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)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(fù)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(dá)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(qiáng)、單色性好、相干性和亮度好。它與普通微波雷達(dá)相比，還具有分辨力高、抗干擾能力強(qiáng) 、隱蔽性好等優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)[11]。激光隱身是通過(guò)降低目標(biāo)對(duì)激光的回波信號(hào)，使目標(biāo)具有低可探測(cè)性。要實(shí)現(xiàn)激光隱身，必須減少目標(biāo)的激光雷達(dá)散射截面。激光雷達(dá)散射截面(LRCS)[12]是描述目標(biāo)對(duì)照射到它上面的激光的散

16、射能力的物理量 ，用于評(píng)價(jià)目標(biāo)的激光隱身效果。</p><p>　　激光隱身材料通常對(duì)激光信號(hào)吸收強(qiáng) ，從而降低了激光反射信號(hào) ，還可以改變發(fā)射激光的頻率，使回波信號(hào)偏離激光探測(cè)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?yàn)樗鼉r(jià)格低，使用方便，適用與各種目標(biāo)和目標(biāo)的各種位置。其他類(lèi)型的激光隱身材料尚未見(jiàn)具體報(bào)導(dǎo)。</p><p>　　2 .隱身材料的應(yīng)用&

17、lt;/p><p>　　在民用上，吸波材料主要應(yīng)用與建材中，目前主要研究和開(kāi)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(hù)領(lǐng)域 ，較常用的手段是電磁屏蔽防護(hù)。為克服電磁屏蔽所帶來(lái)的電磁波高反射這一弊端 ，對(duì)某些屏蔽材料的性能要求已由過(guò)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(yīng)用前景廣闊，它可以廣泛應(yīng)用于建筑物、橋、塔等處時(shí)，可以防止雷達(dá)偽像。在通信基地，可以用來(lái)

18、改善通信質(zhì)量。在機(jī)場(chǎng)、航標(biāo)、碼頭、電視臺(tái)和接收站附近的高大建筑物上，可以用來(lái)消除反射干擾，以盡量減輕電磁輻射對(duì)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(mén)以及國(guó)家保密單位的防信息泄露等部門(mén)</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(lái)越受到人們的關(guān)注。例如 ，B-2隱身轟炸機(jī) 900m 表面噴涂有堅(jiān)韌的彈性體吸波涂層

19、，F(xiàn)-22隱身戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身部分金屬零件采用吸波涂層 ，F(xiàn)／A一18E／F飛機(jī)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(biāo)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(yùn)載火箭上[15]。在水上作戰(zhàn)時(shí)，潛艇和魚(yú)雷最常用的手段，主要用聲納探測(cè)。將聲隱身材料應(yīng)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(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)有報(bào)道研發(fā)了多種隱身效果比較好的隱身材料。報(bào)道最多的有納米隱身材料和雷達(dá)與紅外兼容的復(fù)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(gè)非?；钴S的熱點(diǎn)，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(yīng) 、宏觀量子隧道效應(yīng)、界面效應(yīng) 、納米非均勻性等特點(diǎn)，使其在光、電、磁等物理方面具有獨(dú)特的性質(zhì) ，可導(dǎo)致微波的高磁導(dǎo)率 、高磁損耗 ，實(shí)現(xiàn)微波的寬頻帶強(qiáng)吸收，而且具有兼容性好、質(zhì)量輕、厚度薄等特點(diǎn)，是一 種 具 有 很大 發(fā) 展?jié)?力 的新一 代 隱身材料。國(guó)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(dǎo)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(dá)與紅外兼容的復(fù)合材料</p><p>　　目前雷達(dá)在各種探測(cè)器中仍占主導(dǎo)地位, 而紅外技術(shù)在偵察、捕獲目標(biāo)和制導(dǎo)技術(shù)方面也已得到廣泛的應(yīng)用,因此,雷達(dá)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(dá)吸波材料與紅外隱身材料的隱身機(jī)理不同,使得它們的性能要求相互制約。雷達(dá)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(shí)滿足以上兩種要求, 實(shí)現(xiàn)起來(lái)有相當(dāng)?shù)睦щy,大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻雜半導(dǎo)體填料[20]能滿足雷達(dá)與紅外兼容隱身的可能性。實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和紅外兼容目前有兩條技術(shù)途徑: 一是研制一種雷達(dá)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(dá)波吸收和熱紅外低輻射材料, 然后通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將其復(fù)合起來(lái), 復(fù)合后其雷達(dá)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(dá)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(dǎo)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(guó)內(nèi)有多家單位在開(kāi)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(shí)兼顧兩種性能,且雷達(dá)波吸收性能基本不變。但國(guó)內(nèi)對(duì)厘米波與紅外兼容隱身材料的研究甚少。</p><p><b>　　4. 結(jié)語(yǔ)&

25、lt;/b></p><p>　　隨著現(xiàn)代偵察和制導(dǎo)技術(shù)的多元化發(fā)展及各種先進(jìn)探測(cè)設(shè)備的相繼問(wèn)世, 要求吸波材料將來(lái)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(biāo)上使用的材料要求實(shí)現(xiàn)多個(gè)波段以上的多功能隱身材料一體化設(shè)計(jì)。因此,在未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中, 適合一二個(gè)相應(yīng)頻段的吸波介質(zhì)將很難金后的探測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)戰(zhàn)意義, 發(fā)展多頻段高性能隱身材料技術(shù)是未來(lái)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(qiáng)”的隱身材料一直是人們的追求。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]周馨我.功能材料學(xué).[M].北京;北京理工大學(xué)出版社，2011.234-280.</p><p>　　[2] 楊詠來(lái)，寧桂伶.吸波材料及其研究進(jìn)展，化工進(jìn)展，2009,5（21）：56-

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