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隐身材料简介 1 内容 隐身技术的提出雷达工作原理简介吸波材料智能隐身技术导电高分子材料 2 一隐身技术的提出 现代无线电技术和雷达探测系统的迅猛发展 对传统武器装备的战场生存构成的严重威胁 3 在二次世界大战末期生产出了10cm的SCR 584炮瞄雷达 使高射炮命中率提高了十倍 飞机压倒性的进攻力量受到雷达和防空系统的严重削弱 4 越战期间 北越利用50年代的俄式地空导弹击落了190架美军的战机 美空军在海湾战争中没有损失1架F 117战机 相比之下 美军有32架非隐形战机被伊拉克防空火炮或地空导弹击落 5 1991年1月29日 JSTARS探测到一个伊军车队 随即把目标信息传送给战场空中指挥与控制中心 指挥战机实施攻击 摧毁了该车队61辆中的58辆 6 JSTARS 美军军事新概念的产物 即 联合监视目标攻击雷达系统 由波音公司707 300客机改装而成 雷达舱 设备操作人员 美国空军参谋长甚至认为 美国将来如果没有像JSTARS这样的系统是不会参战的 7 为了提高武器装备在战场上生存 突防和纵深打击能力 隐身技术应运而生 隐身技术 降低目标的雷达 红外 激光的可探测信号特征 使之难以被探测 识别 跟踪和攻击 8 隐身技术是随着雷达技术的发展而发展起来的 隐身技术及材料研究始于第二次世界大战期间 起源在德国 发展在美国并扩展到英 法 俄罗斯及日本等发达国家 隐身技术和雷达技术 就是一种矛和盾的关系 9 F 117A B 2 10 几个认识上的误区 11 二雷达工作原理简介 活雷达 蝙蝠 12 雷达 利用电磁波的二次辐射 转发或目标固有辐射来探测目标 获取目标空间坐标 速度等特征信息的一种无线电技术 反射的电磁波 发射的电磁波 13 雷达频率和电磁波频谱 常用220MHz 35GHz 实际3MHz 300GHz 14 雷达的分类 15 电磁波与物体的作用 反射 透射 吸收 雷达利用波的反射来探测物体 怎样才能让波不反射回去呢 把入射的波吸收掉 16 三吸波材料 吸波材料 将电磁波转换为其他形式的能量 如机械能 电能和热能 而消耗掉的材料 17 3 1吸波原理 入射波 反射波 折射波 18 要想对电磁波进行有效的吸收 1 使电磁波最大限度进入到材料内部 以减少电磁波的直接反射 介质对电磁波的反射系数为 Z和Z0分别是介质的特性阻抗和自由空间的波阻抗 19 tanD tanDE tanDM Ed Ec Ld Lc 2 电磁波进入材料内部后 要设法对入射的电磁波进行有效的吸收和衰减 能量损耗 DL为感应电场D相对于外加电场的滞后相位 DM为感应磁场B相对于外加磁场的滞后相位 Ed为在外加电场下 材料的电偶极矩产生重拍引起的损耗的量度 Ld为在外加磁场下 材料的磁偶极矩产生重拍引起的损耗量度 Ec和Lc分别为材料在电场和磁场作用下产生极化和磁化的程度 20 3 2吸波材料的分类 按材料的成型工艺和承载能力 涂覆型吸波材料 结构型吸波材料 按吸波原理 吸收型 干涉型 按材料的损耗机理 电损耗型 介质的极化弛豫损耗 磁损耗型 磁滞损耗和磁畴共振 按研究的时期 传统的吸波材料 铁氧体 金属微粉 石墨 碳化硅 导电纤维等 新型的吸波材料 纳米材料 手性材料 导电高聚物 多晶纤维等 21 3 3几种吸波材料 22 四智能隐身技术 4 1智能隐身材料的提出 传统的隐身材料已经不能满足隐身的要求 23 目标和背景的可探测性有差别 是各种探测系统能够从背景中发现和识别目标的基础 红外成像图 24 相对目标而言 背景是十分复杂并且不断变化的 为了减小目标和背景的可探测性有差别 25 智能隐身材料 能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化信息 进行判断 处理和做出反应 以改变自身的一种或多种参数 使其很好的与外界协调 其实是一种自适应的材料系统 4 2智能隐身材料的定义 26 信号传感器 信号处理系统 信号转换器 背景 信号采集系统 微处理机 信号处理器 信号处理与控制子系统 目标可探测性生成系统 智能隐身材料系统原理图 27 4 3智能隐身材料的应用 智能蒙皮可见光智能隐身红外智能隐身雷达波智能隐身 28 4 3 1智能蒙皮 定义 将不同电导率的多层薄膜连结在一起 获得功能上与分层介质吸波涂层类似的蒙皮结构 并将各种机载电子装置 传感器等嵌入蒙皮内 从而构成了智能蒙皮 29 美国空军于1985年 首先提出了光纤智能蒙皮的概念和计划 这种光纤智能蒙皮内嵌入保型雷达 导航设备 目标搜索和各种传感器元件 使光纤数字电路遍布飞机机翼内 不仅可以隐身 而且灵敏度高 易操纵 并可自动校正飞行 苏 30MKI F 35 30 F 35正在等待安装碳纤维机身蒙皮 31 4 3 2可见光智能隐身 希望利用智能隐身材料制成涂层 达到真正意义上的变色龙隐身 32 美国空军怀特实验室 研究了一种聚苯胺基复合材料 可用于调节飞机蒙皮的亮度和颜色 美军科曼奇隐身直升机 智能化视觉隐身 使武装直升机成为一条 变色龙 难以被敌方发现 跟踪和攻击 大大提升了自身的战场生存能力 33 美军纳蒂克研究中心 研制的自动变色布 通过装在衣服上的微传感器作用 使这种布料可随地面和背景的变化而自动变色 34 4 3 3红外智能隐身材料 美国陆军应用导电高分子电致变色材料制作士兵服装 使士兵能够在夜间不被敌人的探测器发现 可根据目标辐射出的红外线的特征 改变自身的参数 达到红外隐身的目的 35 4 3 4雷达波智能隐身材料 英国谢菲尔德大学研制的自适应雷达波吸收材料 能够通过调节电压 使得吸收体中每层导电聚合物的电阻可调节 实现了反射率 吸收峰不同频率下可调的目的 使得在很宽的频带内具有很强的隐身能力 36 4 4智能隐身材料的优点 1 隐身能力强 2 威胁预警 3 健康评估和寿命预测 37 五导电高分子材料 5 1导电高分子材料的定义 导电高分子是指其本身或经过 掺杂 后具有导电性的一类高分子材料 38 可分为 复合型 普通聚合物 导电粉末 如防静电塑料袋 导电胶 本征型 依靠分子结构导电 39 根据导电性 绝缘体 电导率 10 10S cm 半导体 10 10 102S cm 导体 102 106S cm 超导体 材料导电能力的差异与原因 能带间隙 EnergyBandGap 金属之Eg值几乎为0eV 半导体材料Eg值在1 0 3 5eV之间 绝缘体之Eg值则远大于3 5eV 40 5 2导电高分子材料的发展 1973年 白川英树 Hegger MacDiarmid 掺杂聚乙炔 电导率达102s cm 1986年 ElsenbaumerR L 等人得到了可溶性聚噻吩2000年10月H Shirakawa A G McDiarmid和A J Heeger因在导电聚合物这一新兴领域所做的开创性工作而被授予诺贝尔奖 41 1974年日本筑波大学H Shirakawa在合成聚乙炔的实验中 偶然地投入过量1000倍的催化剂 合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔 10 8 10 7S m 10 3 10 2S m 导电高分子材料的发现 42 1975年 G MacDiarmid J Heeger与H Shirakawa合作进行研究 他们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应后 其电导率令人吃惊地达到3000S m 聚乙炔的掺杂反应 43 后续研究 44 其它导电高分子材料 与聚乙炔相比 它们在空气中更稳定 可直接掺杂聚合 电导率在104S m左右 可以满足实际应用需要 45 5 3导电机理 导电高分子材料的共同特征 交替的单键 双键共轭结构 聚乙炔由长链的碳分子以sp2键链接而成 每一个碳原子有一个价电子未配对 且在垂直于sp2面上形成未配对键 其电子云互相接触 会使得未配对电子很容易沿着长链移动 实现导电能力 46 半导体到导体的实现途径 掺杂 在共轭有机分子中 电子是无法沿主链移动的 而 电子虽较易移动 但也相当定域化 移去主链上的电子 氧化 或注入电子 还原 这些空穴或额外电子可以在分子链上移动 使高分子成为导电体 47 导电高分子材料的掺杂途径 氧化掺杂 p doping CH n 3x 2I2 CH nx xI3 还原掺杂 n doping CH n xNa CH nx xNa 掺杂后的聚合物形成盐类 产生电流的原因并不是碘离子或钠离子而是共轭双键上的电子移动 48 掺杂导电高分子材料的导电机理 碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成I3 聚乙炔分子形成带正电荷的自由基阳离子 在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地移动 结果使双键可以成功地延着分子移动 实现其导电能力 49 5 4导电高分子材料的制备 50 5 4 1溶液聚合法 合成路线 苯胺单体 溶液 缓慢加入引发剂 N2保护 低温搅拌 稳定的分散液 聚苯胺产品 过滤 洗涤 干燥 溶液 盐酸 硫酸或高氯酸水溶液 引发剂 NH4 2SO8 51 52 5 4 2乳液聚合 反应介质 苯胺单体 乳化剂 搅拌预乳化 乳液 引发剂 分散液 丙酮 PAn DBSA沉淀 洗涤 干燥 聚苯胺产品 反应介质 去离子水 乳化剂 十二烷基苯磺酸 DBSA 引发剂 过硫酸铵 53 54 5 4 3微乳液聚合 微乳液是一种外观透明或半透明 低黏度的热力学稳定体系 其分散液滴大小仅有10 100nm 55 合成路线 引发剂 乳化剂 助乳化剂 反应介质 透明的微乳液 滴加苯胺单体 聚苯胺乳液 破乳 聚苯胺 搅拌 室温搅拌 反应介质 0 1mol L的HCl溶液乳化剂 十二烷基苯磺酸引发剂 过硫酸铵助乳化剂 丁醇 56 被认为是目前最理想的聚苯胺合成方法 57 5 4 4模板聚合法 以胶束或反胶束作为模版 生成的PAn粒子以静电斥力吸附或嵌入表面活性剂分子 得到具有特殊形貌进而具有特定功能的聚苯胺 58 不同形状的胶束 59 正胶束和反胶束的结构 60 优点 合成的聚苯氨具有特殊形貌 良好的取向性 规整度 缺点 需要在反应结束后除去模板 而且此操作会导致合成的产物 如纳米粒子 纳米棒等 发生团聚 61 5 4 5酶催化法 目前主要用辣根过氧化氢酶 HRP 来催化过氧化氢的分解 利用过氧化氢氧化使苯胺聚合 62 优点 简单 高效 无环境污染 是非常具有发展前景的合成方法 缺点 聚合是在水体系中进行 而聚苯胺不溶于水 因此很快会从水中析出 导致仅能得到分子量很低的寡聚体 63 5 4 6电化学法 电化学法 在含苯胺的电解质溶液中 选择适当的电化学条件 使苯胺在阳极上发生氧化聚合反应 生成黏附于电极表面的聚苯胺薄膜或是沉积在电极表面的聚苯胺粉末 64 直流电源 V A 阴极 阳极 e e eR X e 电化学合成示意图 65 优点 直接获得与电极基体结合力较强的高分子薄膜 通过改变聚合电势和电量可以方便地分别控制聚苯胺膜的氧化态和厚度 所得到的产物无需分离步骤 66 缺点 单体的氧化电位一般比所得聚合物的可逆氧化还原电位高 因此在聚合过程中可能出现聚合物链的过氧化 电化学聚合中单体聚合活性中心的选择性较差 几乎所有电化学聚合都存在不同程度的交联 67 5 5高分子材料导电能力的影响因素 5 5 1掺杂率 掺杂率小时 电导率随着掺杂率的增加而迅速增加 当达到一定值后 随掺杂率增加电导率变化很小 此时为饱和掺杂率 68 5 5 2共轭链长度 电子运动的波函数在沿着分子链方向有较大的电子云密度 并且随着共轭链长度的增加 这种趋势更加明显 导致聚合物电导率的增加 69 5 5 3温度 对金属晶体 温度升高引起的晶格振动阻碍其在晶体中的自由电子运动 而对于聚乙炔 温度的升高有利于电子从分子热振动中获得能量 克服其能带间隙 实现导电过程 70 5 6 1电导率范围宽 5 6导电高分子的特性 71 5 6 2具有电致变色性 72 73 响应速度快 10 13sec 5 6 3响应速度快 74 5 7导电高分子的应用 75 5 7 1发光二极管 利用导电高分子与金属线圈当电极 半导体高分子在中间 当两电极接上电源时 半导体高分子将会开始发光 比传统的灯泡更节省能源而且产生较少的热 可应用于电视屏幕 交通信息标志等 高分子发光二极管颜色可调 可弯曲 大面积和低成本等优点 76 5 7 2太阳能电池 导电高分子可制成太阳电池 结构与发光二极管相近 但机制却相反 它是将光能转换成电能 优势在于廉价的制备成本 迅速的制备工艺 具有塑料的拉伸性 弹性和柔韧性 77 一个分子类似于一根导线 可用于高灵敏度检测 超大规模集成技术 5 7 3分子导线 78 79 5 7 4二次电池 可充电电池 高分子掺杂态储存电能 脱掺杂过程中释放电能 全塑电池 输出电压3V 电池容量3mA h 复充放电上千次 80 5 7 5生物传感器 葡萄糖传感器 尿素传感器 乳酸