隐身材料

现代隐身技术及材料的应用研究

摘要：隐身技术与隐身材料在现代国防体系中具有非常重要的意义。本文对雷达隐身技术和红外隐身技术的原理做了系统阐述，并介绍了各种雷达隐身材料和红外隐身材料的国内外研究进展，主要包括多晶铁纤维、手性吸波剂、导电高分子等雷达隐身材料以及低发射率和控制目标温度的红外隐身材料。对智能隐身材料以及多功能一体化隐身材料在隐身材料的未来发展中的作用和趋势进行了分析。

关键词：雷达隐身技术，隐身材料，红外隐身技术

Study morden progess of stealthy techniques and steslthy materials

Abstract: stealthy techniques and materials are fairly significant for morden national defense system .The theory of radar stealthy techniques and infrared stealthy techniques are reviewed and the progress of different radar and infrared stealthy materials are also introduced, including polycrystalline ferrofiber ,chiral absorber, conductivity polymer etc. and also including low infrared emissivity materials, temperature – control materials. Intelligent stealthy materials and multifunctional tealthy materials are predicted to be the developing tendencies of tealthy materials.

Key words: radar tealthy materials, infrared steakthy technique, stealthy materials

现代无线电技术和雷达探测系统的迅猛发展 ,极大推动了世界各国防御系统的搜索、跟踪 、攻击 目标的能力 ,传统的作战武器受到了越来越严重的威胁。隐身技术作为提高武器系统生存、突防、打击能力的有效手段 ,已经成为集陆、海 、空三位一体的现代战争中最重要 、有效的突防战术技术。隐身材料与隐身技术息息相关 ,是隐身效果实现的关键 ,各国均对此给予了高度重视。前苏联对隐身材料的研究已有 年历史 日本在研制铁氧体涂料方面处于世界领先地位 。荷兰 、德国、美国等国家先后将隐身材料用于飞机、舰艇 ,研制的不同型号的飞机先后在战争中显露头角图 。飞行器的隐身主要是缩减 目标的雷达散射截面

和降低目标的红外辐射 ,与此相对应的是雷达隐身技术与材料以及红外隐身技术与材料的研究和发展。基于此 ,本文拟主要对这两类隐身材料的技术原理、

发展现状和趋势进行综述和总结.

一 雷达隐身技术与雷达隐身材料

1.1 雷达隐身技术

雷达隐身技术是指能显著吸收雷达波 ,令其转变为热能 ,从而减少雷达回波能量 ,达到目标隐身的技术。现代战争中,雷达仍是探测 目标最可靠的手段 ,因此 ,国内外重点研究的隐身技术大多是在雷达探测下的“隐身” 。

1.1.1结构隐身

最初的雷达隐身是通过对飞行器外 形 的 合 理 设 计 来 减 少 雷 达 散 射 截 面 积’,这是实现武器系统高性能隐身最直接有效的手段。外形设计技术是通过 目标外形结构和形状设计 ,使目标反射的雷达波能量偏离雷达发射方向 ,从而降低 目标的 。无论是理论分析还是试验研究都表明 ,对于 而言 ,物体的形状远 比尺寸重要。比如 ,小吨位运货车的 为 甘 ,而一 轰炸机这一庞然大物的 却仅为 扩。由此可见 ,目标的外形设计合理 ,能大幅度降低雷达回波的强度阎 。外形技术的原则是 ,在保证飞行器总体技术要求的前提下 ,将 目标强散射中心转化为次散射中心或是将强散射中心移出受雷达威胁的主要方位区域。多棱面外形和融合外形技术是低 RCS外形技术的两个重要方面。前者是将飞行器设计成多棱面体,使得整个机身只呈现出几个有限的窄散射峰值典型RCS 的应用实例如美 国的F 一 117A隐身战斗机融合外形技术主要包括平面和空 间的三维融合 ,通过对飞行器截面形状进行合理设计 ,使其侧向的镜面散射变为劈形边缘绕射 ,从而大大降低飞行器的侧向 ,典型应用如美国的 B一 2战略轰炸机现在美国、俄罗斯等一些国家已能够模拟和评价各种各样 的隐身外形 ,从而研究出和不断完善减缩的各种方法 ,并建立一定的设计规范川 。

1.1.2材料隐身

材料隐身主要是通过在 目标表面涂敷各种功能材料 ,散射或损耗雷达波以达到隐身的 目的。雷达吸波材料的应用是实现隐身的主要措施 ,也是隐身技术研究的主要内容。由于气动方面的限制 ,飞行器的许多部件无法采用外形隐身,只能在这些部件上采用雷达吸波材料来减缩 。目前 ,用于材料隐身的雷达吸波材料已达十几种之多 ,与外形隐身技术相 比 ,材料隐身技术 占有更为重要的地位 ,是 目前雷达隐身技术研究中最具活力 的研究领域。目前 ,科学家们正在致力于研究新的隐身机理和技术。如等离子体隐身技术和仿生学

隐身技术等。它们既不同于对飞行器外形的设计 ,也不同于在飞行器表面涂覆隐身材料 ,可谓新型隐身技术。

1.1.3等离子体隐身技术

等离子体隐身技术是60 年代就开始探索,近几年才有发展的新兴隐身手段。等离子体隐身的基本原理是 利用等离子体发生器、发生片 ,或者放射性同位素在武器表面形成一层等离子云 ,通过设计等离子体能量 、电离度、振荡频率和碰撞频率等特征参数 ,使照射到等离子云上的一部分雷达波被吸收 ,一部分改变传播方向,从而返回到雷达接收机的能量很少 ,达到隐身的目的。等离子体隐身技术吸波频带宽、隐身效果好,使用简便 、使用时间长 ,无须改变飞机的气动外形设计 ,不影响飞行器的飞行性能 ,维护费用低 ,采用等离子体隐身技术的飞行器被敌方发现的概率可降低99% 。近几年来 ,俄罗斯在等离子体技术方面取得了突破性的进展 ,并已领先于美国。但利用等离子体技术实现隐身还存在一些问题 安装等离子体发生器的部位无法隐身 要求电源功率很高 ,设备大等。

1.1.4仿生学隐身技术

在自然界中 ,许多动物都有天生的隐身本领 ,为隐身研究提出了一些有趣的课题。比如变色龙能根据背景环境而变化颜色；燕八哥与海鸥的大小相近 ,RCS却只有海鸥 1/200。蜜蜂体积远小于麻雀 ,但RCS反而比麻雀大16倍。这其中蕴藏着很深的奥秘 ,深入研究会得到很多启迪。现在美国研制出一种电致变色薄膜 ,又称“变色龙”材料。这是一种通电后能变色的聚合物薄膜 ,在不同的电压下会发出蓝 、灰 、白等不同颜色的光 ,还可显现出浓淡不同的色调。把这种薄膜贴在飞机表面 ,通过控制电压大小， 便能使飞机的颜色与天空背景一致。应用电致变色材料的主要技术障碍 目前尚不清楚,但这种材料必须接收阳光和恶劣气象的考验 ,还必须与现有雷达和红外隐身技术兼容。

二. 吸波材料的研究现状

2.1 铁氧体吸波材料

你3.1

铁氧体吸波材料是研究的较为成熟和应用最广泛的吸收剂, 其相对磁导率(μ r) 和相对介电常数较高, 在 EMC室和微波暗室应用方面已产业化, 在厚度6.3mm, 频率 10MHz～ 2GHz下, 吸收衰减可以达到-10dB。作为雷达波吸波材料, 前期主要以 NiZn 尖晶石结构为主, 由于其磁晶各向异性较小, 自然共振频率较低, NiZn 尖晶石结构主要适合工作在 30MHz～1GHz频段。 近 10 年来铁氧体吸收剂主要集中在六角铁氧体吸收剂研究上, 其吸收机理主要为电子自旋磁距的自然共振。 六角铁氧体结构根据单位晶胞堆垛方式不同, 可以形成不同的六角结构。而具有不同的磁特性, 特别是磁晶各向异性通过离子的取代, 可以进行大范围调整, 因此六角铁氧体材料作为微波吸收材料受到广泛重视。近年来国内外有大量文献报道, 不同六角结构具有不同频率特性和温度稳定性, M型和W型共振频率较高, Z和 M型温度稳定性较好。烧结六角铁氧体在 1～ 18GHz内, 可以得到较高磁导率, 较为匹配的介电常数, 是一种宽带强吸收材料。 但是, 铁氧体吸收涂层厚度较大, 密度大。

2.2 纤维吸波材料

纤维吸波材料包括导电纤维、 铁纤维、 镍纤维、 钴纤维及其合金纤维等。 最早是碳纤维用于各种损耗和屏蔽中, 后来在双层磁性吸波涂层的低层, 掺入不同含量、 不同尺度 mm级的 Cu 纤维, 发现纤维的加入有利于改善低频吸收特性。90 年代, 3M公司采用长度6μ m, 直径 0.26μ m多晶铁磁性纤维吸收剂, 体积比35%, 厚度 2mm, f=6～

19GHz, 吸收衰减小于- 10dB, 这种吸收剂可在很宽的频带内实现高吸收的效果, 且重量比传统的金属微粉材料轻, 克服了大多数磁性吸收剂所存在的大的缺点。目前国内在多晶与非晶磁性纤维吸波特性研究方面主要集中在: 纤维制备工艺、 取向问题、 基本磁特性、 各项同性电磁参数测量、 纤维材料/颗粒吸收剂复合及对吸收特性影响、 纤维材料参数表征(张量磁导率)及各向异性吸波材料设计等等。 在此领域的研究取得了一定成果。在纤维材料吸收机理、 制备工艺、 各向异性电磁参数测试手段和材料设计有待进一步加强。

2.3 纳米吸波材料

过去近 20 年里, 科学界主要对纳米颗粒的基本电磁特性进行了详细的研究。 而近几年对基微波电磁参数以及吸波性能的研究已经逐步发展起来。 在纳米材料微波特性报道较多的有法国的 TONEGUZZO 等制备了粒径 20- 250nm的 FeCoNi 材料, 对其合成工艺、 粒度分布、 热处理、 密度、 磁化强度、 相结构及动态磁学特性进行了深入研究。0.1～ 18GHz磁导率虚部测量结果有多共振峰出现, 与微米级颗粒有明显区别。在 50～ 400nm间, 随颗粒尺寸减小, 共振峰移向高频,随着颗粒尺寸分布变宽, 磁导率虚部共振峰变低, 变宽, 变少。 新加坡大学的 Ding J 等采用机械合金法研究 了 0.1～ 8GHz 内 Fe90M10, M=Fe, Co, Ni, Si, Al, Gd,Dy, 和 Nd 纳米晶合金粉末的电磁参数以及合金粉末微波磁导率同材料静态磁参数、 电阻率、 粒径的关系,发现纳米晶合金的高频磁导普遍优于传统的羰基铁和铁粉等材料。日本东北大学制备了 Y2Fe14B/Fe3B永磁/软磁纳米晶合金颗粒, 由于永磁和软磁相的交换耦合作用, 材料在 38～ 40GHz的衰减超过- 20dB, 适用于高频吸波。 同时, 国内的研究也取得一定成果, 获得在微波吸收性能较好的纳米晶合金吸收剂。目前, 纳米金属氧化物混合物吸收剂的研究也颇受重视。Hitachi. Ltd, Hitachi Research Laboratory 报

道用机械合金法制备纳米 Fe- SiO2, 在 0.1～ 18Ghz, 与Fe- SiO2 一般混合物比较,

发现磁导率和介电常数提高, 吸收特性明显改善。法国的 Christian Brosseau 等对这一领域的研究现状进行了较完备的总结。纳米薄膜或纳米多层膜材料具有优异的电磁性能,其超高频到微波频段可在 1 位、 2 位、 3 位数可调。近年来以 Fe 基、 Co基为主体的纳米晶薄膜、纳米磁性颗粒膜和多层膜的研究十分活跃, 这些铁磁性薄膜具备高饱和磁感应强度、 高居里点, 以及在 GHz频率下能够得到比铁氧体更高的磁导率。目前纳米材料作为吸波材料存在的主要问题有:纳米材料的吸收机理不够清楚, 纳米材料电磁参数的表征存在困难, 纳米材料设计方法还未掌握。

三 吸波材料发展展望

作为吸波材料 “薄、 宽、 轻、 强” 的发展方向永无境, 随着工作的深入化, 难度越来越大。 需要建立全的吸收概念, 包括材料吸收机理、 材料的表征参数材料的设计机理。

3.1智能隐身材料

国外 80 年代开发展智能隐身材料, 它是一种材料特征信息随环境改变而自动调整的材料, 代表着隐身材料先进的发展方向。 目前国内外智能隐身材料主要研究领域包括: ( 1)智能变色材料。如光致变化(变色龙漆)、 电致变色材料(美国陆军 Natick 研究发展工作中心在装甲车上涂敷的改性电致发光聚苯乙烯薄膜, Lockheed Martin 公司用于飞行器的电致变色聚合物蒙皮等)、 热敏化学伪装材料(英国研制的一种新型化学伪装材料, 能在- 20～ 1000C 条件下使用, 具有色彩的全光谱变化) ; ( 2)智能红外隐身材料、 热致可变发射率材料, 以温度控制为出发点的相变控温材料的其它控温装置系统等; ( 3)智能吸波材料。 如电场感应致变反射率材料 (英国 Alan Barnes 研究的智能雷达吸波材料, 材料的反射系统数会随外界电场的变化而快速变化)等。智能隐身材料是一个包括信息感知与获取,

数据或图像处理、 反馈控制技术以及材料技术的综合研究领域, 在技术上有极大难度。预计在未来较长的一段时期内, 国内对智能型吸波材料的研究将处于控索性阶段, 研究重点可能集中在概念及基础研究、 基体智能材料及结构元件的研制等方面。

3.2 多谱频隐身材料

从探测技术的现状和发展来看, 雷达、 热红外( 3～5、 8～ 14)和可见光( 0.4～ 0.7)探测设备及寻的传感器,目前并且在未来相当长的一段时间内仍将扮演主要角色。 因此简单地使用任何单波段的隐身材料对减少总体威胁所起的作用都是有限的, 吸波材料也必将朝多频谱兼容隐身的方向发展。在这一技术领域, 雷达和可见光兼容技术已有较大突破, 难点在于红外。由于隐身机理不同, 设计概念迥异, 雷达和红外兼容尤其是和低发射率材料的兼容具有很大难度, 也是多频谱兼容隐身亟待解决的关键问题。

四.红外隐身技术与红外隐身材料

随着红外探测技术及红外成像技术的飞速发展 ,各种具有高探测精度 、高分辨率的红外探测和遥感设备不断涌现 ,常规的红外对抗措施越来越不能满足现代战争的需要 。为此 ,以降低装备红外信 号特征和消弱敌方红外探测效能为宗旨的红外隐身技术 ,受到了各国的高度重视并迅速发展 。20世纪70年代起 ,美国和前苏联展开了大量红外隐身技术的基础性研究 ,此后 ,西方各国纷纷介人其中。目前 ,国外红外隐身技术与红外隐身材料的发展已进人实用阶段。

4.1红外隐身技术

红外隐身技术通常采取的途径为抑制 目标的红外辐射强度 M。由斯蒂芬 一 玻尔兹

曼定律知 :M=εσT4 ,辐射强度与材料温度T 的四次方和平均发射率ε成正 比。因此降低 目标的发射率和温度是降低目标红外辐射强度的主要手段。降低 目标表面的发射率一般是采用在 目标表面涂敷低发射率的红外线涂料或在 目标表面真空镀膜的技术 ,当产生的红外辐射低于探测器的阂值时 ,红外探测器将对其失去效能。在实际中降低温度比降低发射率容易 ,同时降低温度的效果也很明显。一般采用的方法：（1）尽量减少目标的散热。如减少部件的摩擦 ,部件采用低散热材料;（2）采用热屏蔽方法遮挡目标内部发出的热量；(3)采用隔热层和空气对流的方法 ,降低目标发动机中排气管的温度 ,同时将热量从目标表面传给周围空气。

4.2红外隐身材料

依据红外隐身技术的原理 ,红外隐身材料也可相应分为两类；控制发射率的材料和控制温度的材料。这些材料均可以使红外探测器在大气窗口波段（0.76-2.60μm.3-5μm ，8-14μm）的探测能力大打折扣 。

4.2.1控制发射率的红外隐身材料

控制发射率的红外隐身材料主要有金属粉末和掺杂半导体。金属是迄今为止报道最多的热隐身涂料 ,它对降低红外发射率效果最好 ,所用材料有Al粉、Zn粉 、 Cu粉 、Ni粉 、单晶 Si等 ,实际选用时多集中于性能优良，价廉易得的Al 粉 ,金属粉末的高反射性有利于降低ε ,但增加了对雷达波和可见光的反射 ,不利于雷达和光学隐身。掺杂半导体由金属氧化物主体和掺杂剂 载流子给予体 两种基本成分构成 ,理论证明 ,掺杂半导体的 ε值由载流子密度、载流子迁移率和载流子碰撞频率来控制 ,这三个参数可以通过控制掺杂条件加以调整。人们关注的掺杂半导体以掺锡氧化锢 （ITO）为代表 ,可以通过调整飞和城场 的含量来控制涂层的红外发射率 ,但可以通过调整SnO2和In2O3的含量来控制涂层

的红外发射率 ,但以ITO 粉末为颜料的涂料其红外发射率仍高达0.6一 0.7,有关新型红外隐身材料的理论有待完善。

4.2.2控制温度的红外隐身材料

控制温度的红外隐身材料包括隔热材料、吸热材料和高发射率聚合物。隔热材料用来阻隔装备发出的热量使之难于外传 ,从而降低装备的红外辐射强度 ,美国B-2隐身轰炸机上采用了50%~60%的隔热复合材料。隔热材料可由泡沫陶瓷 、镀金属塑料膜等组成 ,泡沫陶瓷导热系数小且能储存目标发出的热量 ,镀金属塑料膜能有效反射目标发出的红外辐射。吸热材料利用高焰值、高熔融热 、高相变热储热材料的可逆过程，把热辐射源的温度 一 时间曲线拉平 ,有利于减少升温引起的红外辐射增强 。高发射率聚合物涂层施加在气动加热升温的飞行器表面上 ,这种涂层应当在气动加热达到的温度范围内具有高发射率使飞行器具有最大的辐射散热能力 ,使表面温度能迅速下降 ,而在室温则具有低发射率。

五.结语

随着探测技术的发展 ,隐身技术也在不断地深人和拓展。雷达 、红外隐身技术与材料仍将是未来隐身技术中的“主角” ,但在未来战场上 ,仅靠一种隐身技术难以满足实战需要 ,迫切要求积极研究新的隐身机理 ,并在新机理的指导下研发新的隐身材料。

参 考 文 献

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