飞机隐身涂层.ppt

飞机材料表面隐身涂层 制备技术及工程 主讲内容 引言 引言 在高技术战争中 地面目标的克星是各种作战飞机 而作战飞机的克星则是防空导弹 与防空导弹配套的雷达 发射电磁波照射目标 通过接收回波 便可以判断来袭目标的特征和位置 这种情况下 没有什么比 看不见 摸不着 找不到 打不中 的隐身术更具有吸引力了 第二次世界大战期间 一些飞机采用经试验的迷彩涂料 降低飞机与天空背景的对比度 减小飞机的目视特征 这是最早 最简单的隐身飞机 20世纪60年代初 美国的U 2和SR 71侦察机开始采用雷达隐身技术 1978年 美国政府批准F 117A攻击机研制计划 1988年 美国先后曝光了F 117A隐身战斗机和B 2隐身战略轰炸机 揭开了鲜为人知的隐身奥秘 B 2隐身战略轰炸机 F 22 猛禽 是一种单座 双发动机 双垂直尾翼的隐身战斗机 是第四代超音速战斗机的典型代表 在设计制造中 该机采用了一系列先进的技术 采用这些技术后 F 22不仅大大减轻了体重 降低了飞行阻力 更重要的是具有了很高的隐身性能 歼20是中国第五代隐身重型歼击机 采用两台国产涡扇10B发动机 DSI两侧进气道 全动垂尾 鸭式布局 该机于2010年10月14日完成组装 2010年11月4日进行首次滑跑试验 现已成功试飞两次 隐身技术 隐身技术是指通过降低目标的可探测信号特征 从而减小目标被敌方各种探测设备发现概率的综合性技术 现代隐身技术主要分为电磁波隐身技术和声波隐身技术 隐身关键技术 吸波材料 能吸收或衰减入射的电磁波 使其因干涉而消失或其电磁能转换为其他形式的能量 其基本原理包括干涉作用和吸收作用 1 干涉作用干涉作用是将入射的电磁波分成两部分 一部分从吸波层表面反射 另一部分透过吸波层后经底层反射后再穿过吸波层射出来 若经底层反射的波与吸波层表面反射的波相位正好相反 两段波便可发生干涉而减弱 吸波基本原理 2 吸收作用材料对电磁波产生吸收作用有两个条件 1 电磁波入射到材料上时能最大限度地进入到材料内部 即电磁匹配要好 匹配特性 2 进入材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉 即电磁损耗要大 衰减特性 雷达与红外隐身技术 雷达隐身涂层制备 雷达隐身材料是指能够吸收衰减入射的电磁波 并通过吸收剂的介电振荡 涡流以及磁致伸缩 将电磁能转化成热能而耗散掉或使电磁波因干扰而消失的一类材料 雷达对目标的发现和对目标参数的测量 是通过目标对雷达发射机所发射的雷达波的反射回波信号来实现的 雷达隐身涂料要求对相应波段的雷达波具有低反射的涂料 一是涂料吸收雷达波 通过在粘结剂中加入电损耗或磁损耗填料 利用电损耗物质在电磁场作用下 使进入涂层中的雷达波转换为热能损耗掉 或是借助磁损耗材料内部偶极子在电磁场下运动受限定磁导率限制 而把电磁能转换为热能损耗掉 二是利用谐振原理 当涂层厚度等于雷达波长的四分之一时 通过谐振作用减少雷达波的反射 隐身涂层要求在尽量宽的频带内 用尽量薄的涂层 尽量轻的材料 所得到涂层的吸雷达波能力最强 即追求薄涂层 宽频 强吸收的效果 按材料损耗机理 吸波材料可分为电损耗型和磁损耗型 电损耗型包括电阻型和电介质型两种 按吸收机理 吸波材料可分为吸收型和干涉型两类 按化学成分 吸波材料可分为无机吸波材料和有机高分子吸波材料 目前国内外重点研究和主要应用的吸波材料有铁氧体吸波材料 金属粉吸波材料 多晶铁纤维吸波材料 导电高分子吸波材料等 铁氧体具有吸收强 吸收频带宽 成本低廉 制备工艺简单等优点外 还因为其较好的频率特性 适合制作匹配层 在低频率拓宽频带方面 相对于金属粉末 更具有良好的应用前景 铁氧体样品的制备工艺可归纳为干法生产和湿法生产 主要包括酸盐热分解法 溶胶一凝胶法 化学共沉淀法 低温燃烧合成法 超临界流体干燥法 喷雾燃烧法等 其中溶胶 凝胶法 sol gel 和化学共沉淀法是在铁氧体粉末制备中较常采用的方法 采用溶胶凝胶自蔓延法制备钡铁氧体粉末 溶胶凝胶自蔓延法制备钡铁氧体工艺流程图 称取一定量的硝酸铁 硝酸钡分别配制成金属离子浓度为0 4mol L溶液 为保证络合反应发生完全 将硝酸铁 硝酸钡溶液滴加入柠檬酸溶液 同时加入适量浓氨水 控制溶液的pH值稳定在7 0 然后加入20g L聚乙二醇 PEG 搅拌30min形成溶胶 将形成的溶胶置于80 水浴反应2h后 干热加热溶胶 随着溶胶脱水溶液黏度逐渐增加 形成褐色凝胶 到达一定温度后 凝胶开始自蔓延燃烧 生成蓬松的树枝状前驱体自燃粉末 将该粉末研磨 高温煅烧 即可获得目的产物 红外隐身涂层制备 红外隐身的目的是降低或改变目标的红外辐射特征从而实现目标的低可探测性 通过改进结构设计和应用红外物理原理来衰减 吸收目标的红外辐射能量 可使红外探测设备难以探测到目标 由斯蒂芬 玻尔兹曼定律 M T4式中 M为物体的总辐射强度 为玻耳兹曼常数 为物体的发射率 T为物体的绝对温度 材料的红外辐射特性决定于材料的温度和发射率 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 红外隐身涂层具有低发射率 高反射率 在红外线辐射频段才有良好的隐身效果 红外隐身涂料的构成一般由填料和黏结剂两部分组成 目前用于热红外隐身涂料配方中的填料大致分为如下几类 金属填料 着色填料 半导体填料等 黏结剂分为有机和无机两大类 其中以有机黏结剂种类最多 目前可用于红外隐身涂层的黏结剂有氯化聚苯乙烯 丁基橡胶等 从发展趋势看 实用性能较大的是以聚乙烯为基本结构的改型聚合物 选用改进的AI粉做填料 粘结剂采用由无水乙醇 二甲苯组成的聚苯乙烯清漆和高氯化聚乙烯树脂 HCPE 试验器材选用 托盘天平 研磨机 高速搅拌机 超声场 刷子 空压机 喷枪 烧杯 玻璃棒等辅助设备 试验的工艺 称取一定比例的填料及粘结剂 将填料与粘结剂充分混合 用高速搅拌机搅拌 用研磨机研磨 过筛 在超声波解聚分散 刷涂 或喷涂 Al粉 聚苯乙烯清漆 高氯化聚乙烯树脂 研磨机 高速搅拌机 超声波解聚 激光隐身技术 激光技术在军事领域的发展 20世纪80年代以来 隐身技术特别是雷达和红外隐身技术的发展已经达到了一个很高的水平 如美国研制开发的低可探测飞机 LowObservableAircraft F 117隐身攻击机 B 2隐身轰炸机在雷达隐身和红外隐身方面已经做得非常好了 但是随着激光技术的飞速发展 激光技术在武器装备等方面的应用日益增多 激光测距机 激光制导技术 激光雷达 激光隐身技术 激光隐身过程与雷达隐身过程相类似 主要是降低目标表面的反射系数 减小激光探测器的回波功率 降低激光探测器的性能 使敌方不能或难以进行激光探测 以达到激光隐身的目的 从微观能量上看 物质对激光的吸收过程是物质与电磁波的作用过程 在此过程中 光子的能量转化为电子的动能 势能 或分子 原子 的振动能和转动能 激光隐身材料针对的激光波长为0 69 m 0 93 m 1 06 m 1 54 m或10 6 m 其中最常用的为1 06 m和10 6 m 好的激光隐身材料应对特定波长的激光具有高的吸收率和低的反射率 此外 其它的性能如热稳定性 化学稳定性以及力学性能也要满足一定的要求 激光隐身技术采取的主要手段 实现激光隐身技术的途径主要有外形技术和材料技术 其中外形技术是通过目标的非常规外形设计降低其雷达散射截面 LRCS 而材料技术是采用能吸收激光的材料或在表面上涂覆吸波涂层使其对激光的吸收率大 反射率小 以达到隐身的目的 因为外形设计只能散射30 左右的雷达波 且很难找到LRCS与气动力学俱佳的外形 因此要彻底解决隐身问题 还是要靠隐身材料来实现 激光隐身材料 激光隐身材料主要包括激光吸收材料 导光材料 透射材料三大类型 其中透射材料是让激光透过目标表面而无反射 从原理上 透光材料后应有激光光束终止介质 否则仍有反射或散射激光存在 导光材料是使入射到目标表面的激光能够通过某些渠道传输到其它方向去 以减少直接反射回波 这两种隐身功能材料作为激光隐身材料 实现难度较大 激光隐身吸收材料 掺杂半导体隐身涂层 在半导体内等离子波长 p 大于入射光波长情况下半导体有低反射率 半导体的等离子波长 p 取决于它的载流子浓度 N 注 m为电子有效质量 0为真空介电常数 c为光速 据此 通过掺杂控制其载流子浓度 N 从而改变掺杂半导体化合物等离子波长 使其在1 06 m波长附近产生强吸收 这类激光隐身功能元通常为In2O3 SnO2和ITO等半导体材料 掺杂元素通常为过渡族元素 如 Sb Ni Cu等 过渡元素掺杂SnO2激光隐身材料的制备 实验原料 成分设计 制备方法 采用固相合成法 将所需的原料混合均匀后 置于实验电炉中1300 1350 高温合成 光谱转换材料 这类材料可以吸收多个低能量的长波长光子 然后发出高能量的短波长光 利用它对激光频率的转换特性来降低激光回波反射的能量 从而达到激光隐身的目的 例如可以考虑选择对1 06 m波长的激光有强吸和光谱转换效率的稀土离子 如 Sm3 Er3 掺杂在基质体系中 将1 06 m的光转化为其它波长的光 从而达到吸收的效果 有机金属络合物 通过对各种过渡金属离子 稀土离子吸收光谱特性的分析研究 选择能有效吸收1 06 m波长激光的金属离子 同时对能与过渡金属离子 稀土离子络合 或螯合 的各种有机络合剂进行选择对比 找到所需的有机络合剂 或进行适当的改性 通过有机络合剂与相应的金属离子络合 或螯合 制备成能有效吸收1 06 m波长激光的有机金属化合物 再经提纯也可作为激光隐身功能元之一 这种激光隐身功能元可能更适合作为激光隐身薄膜的功能性原料 红外 激光兼容隐身材料 通常所说的激光 红外兼容隐身材料是指对热红外波段和10 6 m激光能兼容的隐身材料 对于同一目标要同时达到红外与激光的隐身 就必须同时降低材料的发射率和反射率 但这是互相矛盾 基尔霍夫定律 物体在热平衡状态时有 T T 即物体的发射率等于吸收率 根据能量守衡定律有 T T 1 可见要达到红外和激光的隐身兼容 就必须克服两者对材料的这对矛盾要求 理想的激光 红外兼容隐身材料应该具有如下图所示反射曲线 因此要制得完全意义上的激光与红外复合隐身材料 还有很多地方需要突破 相信随着有机高分子和纳米材料的发展 今后可能会制得具有特殊官能团和表面结构的材料 它能在10 6 m等特定激光波长处具有强激光吸收 而在其它热红外波段范围内具有高反射 从而实现激光 红外的兼容隐身 测试方法 红外隐身涂层隐身测试雷达波反射率测试激光后向散射特性测试 一红外隐身涂层隐身测试 我们主要从三太方面检验红外隐身涂层隐身效果 1是可见光和近红外波段反射率检测2是8 14 m波段发射率的检测3是材料的导热系数测量 1 是可见光和近红外波段反射率检测 1 反射率的测量对红外隐身涂层可见光和近红外波段检测 通过反射率和绿色检验镜检测评价 它的测试原理是先测出参比样品反射能量的光谱分布I 然后测出样品能量光谱分布聃 其比值即为样品的反射光谱 可用公式 1 表示 1 反射率测试仪 reflectivitytester 以土黄 中绿 深绿反射率为例 2 绿色检验镜的检测用绿色检验镜可进行如下实验 1 人工绿色材料光谱反射差异检验 2 分辨天然绿色植物背景上用普通人工绿色材料伪装的目标 绿色检验镜 下面为迷彩服和普通的迷彩服用绿色检验镜在可见光 近红外波段检查的效果对比图 2红外发射率的测量 测量发射率 IR一2型双波段发射率测量仪 针对不同的背景 需要采用不同的伪装隐身方法 对于地面目标 涂覆具有一定差值的不同发射率的涂料 使其产生红外迷彩 并与背景融合 对于海上目标 涂覆与海水红外发射率相近的涂料 对于空中目标 涂覆低发射率的涂料 最大限度地降低目标的红外辐射 是实现红外隐身的主要方法 但是 由红外迷彩产生热分割 热变形也是红外隐身的手段之一 因而红外涂料的发射率也需要一个由低到高的系列 3涂层导热系数测量 利用导热系数测量仪导热系数是表征物质热传导性质的物理量 根据傅立叶导热方程式 在物体内部 取两个垂直于热传导方向 彼此间相距为h 温度分别为岛 1 2平行平面 设 1 2 若平面面积均为S 在出时间内通过面积S的热量 Q满足下述表达式 即为导热系数 导热系数测试系统 二雷达波反射率测试 采用RCS后向反射法测量材料雷达波反射率 三激光后向散射特性测试 总结 随着多波段探测和制导技术的不断发展 隐身技术对涂料的要求除了红外与雷达外 还应包括涂料的可见光性 激光波吸收性能等 因此 探索新技术 新方法 积极开展新的隐身机理和新型多功能隐身材料的研究 特别是新型涂敷行多功能 多频谱兼容的隐身材料是新的研究热点和难点 纳米吸波涂层材料 手性吸波涂料 等离子体隐身技术 多频段吸波材料 由于当前多模复合制导技术的不断发展以及探测手段的日益多样性 战场武器装备可能同时面临雷达 红外 激光以及可见光等探测手段的威胁 因此多波段复合隐身材料的发展很早就受到了专家以及相关研究者的关注和重视 如何使涂层在几个波段彼此兼容 将是今后主要研究方向之一 多频段吸波材料 纳米涂层材料 近年来 纳米吸波涂料成为隐身涂料新的亮点 它是一种极具发展前景的涂料 其一般由无机纳米材料与有机高分子材料复合 通过精细控制无机纳米粒子均匀分散在高聚物基体中 以制备性能更加优异的新型涂料 其机械性能好 面密度低 是高效的宽频带吸波涂料 可以覆盖电磁波 微波和