隐身材料基本原理

隐身,草船借箭,2011年5月2日，美军2架“黑鹰”隐形直升机和2架“支努干”直升机从阿富汗秘密进入巴基斯坦境内，突袭了位于巴首都伊斯兰堡以北60公里处的住宅，成功击毙本拉登，轰动全球。,2011年5月2日，在击毙“本拉登”行动中，美军最新的隐身直升机坠毁,改进版“黑鹰号”,RQ-170无人侦察机,RQ-170无人侦察机,电影中的隐身衣,人之所以能看到物体，是因为物体阻挡了光波通过。如果有一种材料敷在物体表面，能引着被物体阻挡的光波“绕着走”，那么光线就似乎没有受到任何阻挡。在观察者看来，物体就似乎变得“不存在”了，也就实现了视觉隐身。,超材料,超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。超材料通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有普通性质的超常材料功能。,2006年，Pendry在Science上发文指出，可以利用负折射材料可以设计出“隐形斗篷”。在负折射率材料中，折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时，光的折射与常规折射相反，入射光线和折射光线处在于界面法线方向同一侧，也就是说，在这种材料中，光出现了异常传播，出现了扭曲的现象。要实现材料的隐身，最关键的技术就是制造出能扭曲可见光波的材料，只要制造出性能合适的材料，“隐形斗篷”将可能实现。而这种材料，正是具有负折射率的超材料。,负折射率,电磁波沿曲线传播,电磁波的传播方向取决于介质的性质,隐身衣的基本原理,隐身衣,声隐身,声隐身：094战略核潜艇,022隐身导弹艇,022级导弹艇外形设计突出隐蔽性。022艇上层建筑群有多个大倾角，把上层建筑的雷达反射波分开发散，让搜索雷达在各个角度回波严重弱化。022艇连桅杆都做成迎风多面体形状，艇体开口也用卷帘门、百叶窗遮盖，就连舰桥内观察窗边缘都采用隐身锯齿状设计。022艇采用4套喷水推进装置。喷水推进避免了常规螺旋桨推进产生的剧烈空泡，还可以螺旋桨噪音经过涵道屏蔽、集中以后才向后方传出，让022声隐形效果得到了重大提高。位于艇后部发动机排气口也进行了红外抑制设计。,磁隐身：中国新猎雷舰,隐身护卫舰,隐身护卫舰,濒海战斗舰,濒海战斗舰,“海影”隐身快艇,红外隐形：随着红外侦察、探测、制导与热成像处理技术的发展，任何兵器的热辐射都将成为明显的暴露征兆。因此，兵器采取降低红外遮挡与衰减装置、涂敷红外掩饰涂料、使用特殊燃料和燃料添加剂、在不影响推进效率的情况下降低红外辐射强度，使对方红外探测器失灵等隐形技术极为重要。,雷达隐形技术原理是通过降低己方目标的雷达散射截面RCS，达到隐形目的。所谓目标的雷达散射截面RCS，就是定量表征目标散射强弱的物理量。目标的雷达散射截面RCS越小，雷达接收能量越小，因而使敌方侦察雷达难于对己方目标作出正确的判断，从而达到隐形目的。,减少雷达散射截面的途径：1.采用材料隐形技术，即采用吸波材料或透波材料，使目标不反射或少反射雷达波，以降低目标的雷达散射截面RCS。2.采用外形隐形技术，即对己方的武器装备采用特殊的形状，以降低目标的雷达散射截面RCS。,F-117A,F-117A,F-117A是美国前洛克希德公司研制的隐身攻击机。是世界上第一种可正式作战的隐身战斗机。设计始于70年代未，1981年6月15日试飞成功，次年8月23日开始向美国空军交付，共向空军交付59架。F-117A服役后一直处于保密之中，直到1988年11月10日，空军才首次公布了该机的照片，1989年4月F-117A在内华达州的内利斯空军基地公开面世。F-117A自装备部队以来参加了入侵巴拿马、海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争等多次实战行动，战果显著。2008年退出现役。,F117A采用了各种吸波(或透波)材料和表面涂料，但更主要的是由于它采用了独特的多面体外形。为了防止雷达波进入进气口，设计人员除对发动机进行了专门处理外，重点对进气口进行了特殊设计。进气口用相距1.5厘米的吸波复合材料格栅屏蔽起来，以防止雷达波直接照射到具有强反射特性的发动机风扇叶片上。F117A的进气口的设计，可大大降低发功机的排气温度，减少红外特征。此外，F117A还采用了V形尾翼(全动式)、埋入式武器舱、可伸缩的天线等。总之，这一切都是为了减小飞机的RCS值，达到隐形的目的。,1999年，在北约对南联盟空袭作战中，1架F-117A隐形战斗机于当地时间3月27日晚上9时（北京时间3月28日凌晨4时）在贝尔格莱德以西60公里的沙巴茨与鲁马之间的地区被南联盟军队发射的SA3击落，随后坠毁在贝尔格莱德以西40公里的布贾诺伏契村附近，从此打破了不败的神话。,B-2,B-2,B-2“幽灵”（英语：Spirit）是目前世界上唯一的隐身战略轰炸机。1997年，首批六架B-2轰炸机正式服役。B-2轰炸机采用翼身融合、无尾翼的飞翼构形，机翼前缘交接于机头处，机翼后缘呈锯齿形。机身机翼大量采用石墨/碳纤维复合材料、蜂窝状结构，表面有吸波涂层，发动机的喷口置于机翼上方。这种独特的外形设计和材料，能有效地躲避雷达的探测，达到良好的隐形效果。,J-31,第四代战斗机的标准通常称为4S标准，因为这四个标准的英文单词都以S开头，即,SuperManeuverabilitySuperSonicCruiseStealthSuperiorAvionicsforBattleAwarenessandEffectiveness,就是“超机动性”、“超音速巡航”、“隐身能力”和“超视距打击”,J-20,J-20,F-22,F-22,F-35,F-35,F-35b,T-50,T-50,RQ-170无人侦察机,B-2,X-47b,法国神经元,2013年11月21日，中国“利剑”隐身无人作战攻击机成功进行了首次试飞.,RAH-66隐身武装直升机,WZ-10,WZ-10,隐身导弹在研制隐身飞机的同时，世界各国也在加紧研制各种巡航导弹、战术甚至洲际弹道导弹的隐身技术。研制隐身导弹的目的是降低其可探测概率，进而减小其被拦截概率，以增强突防攻击能力。飞机的各种隐身技术大都可以用于研制隐身导弹之中。目前，主要的隐身导弹有：美国的“战斧”巡航导弹、AGM-129先进巡航导弹，以及AGM-137型和MGM-137型隐身战术导弹；法国的远程多用途巡航导弹，英国的“风暴前兆”巡航导弹等。,几个认识上的误区：,(2)需要全频段、全空域的隐身能力不但在技术上是无法实现的，实际上也是没有必要的，只要抓住主要矛盾，避开不利的实用环境。,隐身技术包括：声隐身、磁隐身、可见光隐身、红外隐身、雷达隐身和等离子体隐身等。很多武器装备，如飞机、导弹、舰船、坦克、战车、水雷、大炮等，都可以采取隐身措施把自己隐蔽起来。首先出现的是隐形飞机，通过降低雷达截面和减小自身的红外辐射实现隐形。主要技术途径有：采用独特的外形设计和吸波、透波材料，以降低飞机对雷达波的反射；降低飞机发动机喷气的温度或采取隔热、散热措施，减弱红外辐射。,等离子体隐身技术是指利用等离子体回避雷达探测系统的一种技术。等离子体隐身技术与常规隐身技术完个不同，这种隐身技术不需要改变飞行器的外形结构便可大幅度降低飞行器的RCS值。其机理有很多，例如，等离子体对入射电磁波的折射使电磁波传播轨迹发性弯曲，雷达回波偏离敌方雷达的接受方向（称为折射隐身）；等离子体对入射电磁波的碰撞吸收（吸收隐身）；等离子体中的波与入射电磁波相互作用产生其他频率的电磁波；等离子体中粒子与电磁波的相互作用；等离子体的共振吸收；磁化等离子体隐身；时变等离子体隐身等。最常见的有两种：折射隐身和吸收隐身。,外形尺寸与雷达散射截面积,雷达频率和电磁波频谱,常用220MHz-35GHz；实际3MHz-300GHz,雷达的分类,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。,几种吸波材料,74,隐身材料的基本原理(1)降低目标自身发出的或反射外来的信号强度；(2)减小目标与环境的信号反差，使其低于探测器的门槛值；(3)使目标与环境反差规律混乱，造成目标几何形状识别上的困难。,隐身材料,雷达隐身技术中目前主要使用吸波涂料吸波结构材料透波材料智能蒙皮材料,电磁波吸收原理,电磁屏蔽不能从根本上削弱、消除电磁波。只有使用电磁波吸收材料，把电磁能转化为其它形式的能量，才能消耗电磁波。电磁波吸收材料的作用是吸收入射的电磁波，并将电磁能转换成热能损耗掉。目前耗损电磁能的手段有：一是借助介电物或微粒的分子在电磁作用下趋于运动，同时受限定导电率影响而将电磁能转变成热能损耗掉；二是采用以结构形式使入射波相位与反射波的相反来衰减电磁能。,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)。,79,隐身涂层种类很多，有防紫外侦察隐身涂层、防红外侦察隐身涂层，以及防可见光、防激光、防雷达等侦察隐身涂层，还有吸声涂层等。,80,隐身涂层多采用涂料涂覆工艺。涂料由粘结剂、填料、改性剂和稀释剂等组成。,81,粘结剂可以是有机树脂，也可以是无机胶粘剂。填料是调节涂层与电磁波、声波相互作用特性的关键性粉末状原料。,82,金属、半导体、陶瓷等不同类型的粉末可以作为填料使用，由于它们在能带结构上的差别，可针对不同的探测装置进行隐身。由于探测技术不断提高，隐身涂层也向具有多功能的多层涂层及多层复合膜方向发展。,83,结构型隐身复合材料由于涂料型隐身材料存在重量、厚度、粘接力等问题，在使用范围上受到了一定限制；因此兼具隐身和承载双重功能的结构型隐身材料应运而生。,84,电磁波在材料中传播的衰减特性是复合材料吸波的关键。实际上振幅不同的波来往传播，包括折射和散射。最后使射入复合材料的电磁波能得到衰减，达到吸收的目的。,85,此外，在设计中，使复合材料表面介质的特性尽量接近空气的特性，就会使表面反射小，从而达到隐身作用。,86,作为兼具隐身和承载双重功能的材料的设计，主要有混杂型和蜂窝形复合材料两大类。所谓混杂型是基体为高聚物，增强体是不同类型纤维材料。,87,例如，选择酚醛材脂为基体，选择碳纤维、玻璃纤维、芳纶等为增强体，选择合适的混杂结构参数，界面尽量增多，这种复合材料不仅有较好的承载功能，同时也有良好的吸收雷达波的性能。,88,蜂窝结构型隐身复合材料是一种外形上类似于泡沫塑料的纤维增强型材料，对电磁波有极好的吸收效果。如采用多层结构，频率为812GHz时，吸收性能达到15dB。,涂敷型吸波材料,将吸波涂料分散在有机高分子材料的粘结剂中，同时加入一些其它附加物，采用涂刷或喷涂方法加工，经常温固化形成涂层结构。该涂层适用于复杂曲面形体，且耐候性及综合机械性能良好。涂敷型吸波材料工艺简单、使用方便、容易调节。,涂敷型吸波材料,(1)铁氧体吸波涂料：是把铁氧体分散在有机高分子材料的粘结剂中，同时还加入一些其它附加物。铁氧体可分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型。自然共振是铁氧体吸收电磁波的主要机制。自然共振是指铁氧体在不加外恒磁场的情况下，由入射的交变磁场和晶体的磁性各向异性等共同作用产生的共振。由于铁氧体既是磁介质又是电介质，具有磁吸收和电吸收两种功能，是性能极佳的吸波材料，与其它吸波材料相比，它还具有体积小、吸波效果好、成本低的特点。但它也具有密度大、高温特性差等缺点。,涂敷型吸波材料,(2)超微磁性金属粉：磁性金属、合金粉末具有温度稳定性能好，磁导率、介电常数大，电磁损耗大，有利于达到阻抗匹配和展宽吸收频带等优点，是其成吸收材料的主要发展方向。而超微磁性金属粉材料就是将超细磁性金属粉末与高分子粘结剂复合而成，可通过多相超细磁性金属粉末的混合比例等调节电磁参数，达到较为理想的吸波效果。金属微粉吸波材料主要有两类：一是羰基金属微粉吸波材料；二是通过蒸发、还原、有机醇盐等工艺得到的磁性金属微粉吸波材料。金属微粉吸波材料微波磁导率较高、温度稳定性好，但抗氧化、耐酸碱能力差，远不如铁氧体；介电常数较大且频谱特性差，低频段吸收性能较差；密度较大。,涂敷型吸波材料,(3)纳米材料：材料组分特征尺寸在0.1-100nm，它具有极好的吸波特性，频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄，对电磁波的透射率及吸收率比微米级粉体要大得多。,涂敷型吸波材料,(4)磁纤维吸波涂层：吸波涂层材料中所使用的球状磁性吸收剂很难满足装备对吸波涂层的苛刻要求。由铁、镍、钴及其合金制成的一种多层磁纤维吸波涂层，其中纤维可通过多种吸波机制来损耗微波能量，因而可在较宽频带内实现高吸收，且重量可减轻40-60%。其中，多晶铁纤维在微波低频段的吸波性能尤为突出。,涂敷型吸波材料,(5)导电高聚物：导电高聚物具有共轭电子的线形或平面形构型与高分子电荷转移给络合物的作用，其电导率可在绝缘体、半导体和金属态范围内变化，电磁参量依赖于高聚物的主链结构、室温电导率、掺杂剂性质、微观形貌、涂层厚度、涂层结构等。,涂敷型吸波材料,(6)手征吸波材料：手征是指一种物质与其镜像不存在几何对称性，且不能通过任何操作使其与镜像重合。而手征吸波涂层是在基体树脂中掺和一种或多种具有不同特性参数的手征媒质构成。手征材料具有双各向同性的特性，其电场与磁场相互耦合。在实际应用中主要有两类手征物体：本征手征和结构手征物体。本征手征物体本身的几何形状即具有手征，如螺旋线等。目前研究的吸波手征材料是在机体材料中掺杂手征结构物质形成的结构手征复合材料。,尽管涂覆型吸波材料已得到广泛应用，但其频带窄、易脱落、涂层厚、比重大、使部件增重大等。近年来，在涂覆型吸波材料基础上发展了结构型吸波材料。它既有高的结构强度，又有好的吸波性能，而且在一些条件下缓冲了厚度与重量上的矛盾。,结构型吸波材料,(1)混杂纱吸波复合材料：通过增强纤维之间一定的混杂比例和结构设计形式制造成的、满足特殊性能要求或综合性能较好的复合材料。这种材料具有优良的吸透波性能，又兼具复合材料重量轻、强度大、韧性好等特点。作为制造隐身飞机机身、导弹壳体等部件，能大大减少隐身飞行器雷达散射截面。,结构型吸波材料,结构型吸波材料,(2)陶瓷型吸波材料：如SiC纤维、Al2O3纤维、Si3N4纤维吸波材料等陶瓷型吸波材料能满足在特殊情况下耐高温、高速热气流冲击的要求。,结构型吸波材料,(3)碳-碳吸波材料：能很好的减少红外信号和雷达信号。它具有极稳定的化学键，抗高温烧蚀性能好、强度高、韧性大，还具有优良的吸波性能。缺点是抗氧化性差，在氧化气氛下只能耐400，涂有SiC抗氧化涂层的碳-碳材料抗氧化性能大大提高。,透波材料,采用透波材料降低飞机对雷达波的反射，尽量要让入射的雷达波没有阻挡地穿过进入内层。透波材料除在电气上要满足低介电常数、低损耗特性外，还必须具有极为宽的频带特性、高的结构强度和抗雨蚀能力，经得住高速气动加热的抗热冲击能力和极高的工作温度；以及便于成型加工的特性。,高温透波材料,高温透波材料是一种兼有耐高温性能与透波性能的介质材料,高温透波材料体系主要有:陶瓷基复合材料与聚合物基复合材料。陶瓷透波材料与聚合物基复合材料分别应用于导弹、飞行器天线罩、天线窗以及雷达天线罩等。,陶瓷基透波材料,陶瓷透波材料可分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。氧化物陶瓷有氧化铝陶瓷、石英陶瓷、氧化铍陶瓷、微晶玻璃、堇青石陶瓷等等。非氧化物陶瓷主要有氮化硼(BN)和氮化硅(Si3N4).,氧化物陶瓷,(1)氧化铝陶瓷(Al2O3)在天线罩材料发展史上,氧化铝陶瓷是继纤维增强复合材料之后最早被采用的单一氧化物陶瓷。用作透波材料时,其Al2O3质量分数为97%99%。,氧化物陶瓷,(2)微晶玻璃微晶玻璃是20世纪50年代中期美国康宁公司发现的一种新型无机材料。它是借助控制晶化的方法,使特定组成的透明玻璃失透晶化,形成无数直径1m的微小晶粒,从而获得性能优异的不透明瓷质材料,因在结构上与陶瓷相似,故也称为玻璃陶瓷。在60年代就被广泛用来代替氧化铝制造马赫数在34M的多种型号防空导弹天线罩。我国已成功地用3-3料微晶玻璃制造了飞行器天线罩。,氧化物陶瓷,(3)堇青石陶瓷堇青石陶瓷是以堇青石为主晶相的陶瓷材料,用作透波材料的典型堇青石陶瓷是雷声公司生产的Rayceram,它是由泥浆浇铸或等静压成型,然后加热烧结而成。,氧化物陶瓷,(4)石英陶瓷石英陶瓷为单一氧化物陶瓷,其主要成分与透明或半透明的熔融石英一样都是二氧化硅,但由于采用泥浆浇注和烧结等陶瓷材料的制造方法,所得到的是不透明的陶瓷质材料,故称石英陶瓷。,氮化物陶瓷,(1)Si3N4Si3N4是共价健强的陶瓷材料,具有高的原子结合强度,在高温下几乎不变形。Si3N4作为透波材料而引起人们兴趣除了耐高温外,还因为它具有特殊的抗热冲击性和高强度,且硬度和强度在高温下很少下降。作为透波材料,它既具有氧化铝陶瓷的优点,又具有石英陶瓷的某些优点,因此作为新材料得到普遍的关注。,氮化物陶瓷,(2)BN陶瓷多年来曾被考虑作为天线罩材料也是因为与Si3N4陶瓷一样具有共价健而获得耐高温特性,它的介电性能接近石英,且随温度的变化较少。,聚合基复合材料,1.无机硅聚合物用无机硅聚合物DI-100和DI-200制作的复合材料结构在超过538下具有较好的热稳定性,DI-200/石英复合材料允许使用缝合和整体双层技术,可达到其他任何透波材料无法相比的性能范围,聚合基复合材料,2.磷酸盐基复合材料磷