纳米材料与隐形技术

1、LOGO Nanomaterials & stealth technique 纳米材料与隐形技术纳米材料与隐形技术 Page 2 纳米材料纳米材料&隐形技术隐形技术 纳米材料纳米材料 纳米吸波材料纳米吸波材料 纳米材料与隐形技术纳米材料与隐形技术 “空中幽灵空中幽灵” Page 3 一、什么是纳米材料？一、什么是纳米材料？ 纳米材料纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100nm 以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三维 空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作 为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 Page 4 纳米材料纳米材料 n 纳米材料结构单元的尺寸介于1纳米100纳米

2、范围之间，由于它的尺 寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使 得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大 表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导 热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 n 纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改 用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由 10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则 将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。 Page 5 n 高高的的比表面积会出现一些极为奇特的现象比表面积会出现一些

3、极为奇特的现象：金属纳米粒子在空中会金属纳米粒子在空中会 燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等。 n 小尺寸与光波波长相当或更小时呈现出的奇特现象小尺寸与光波波长相当或更小时呈现出的奇特现象：铜颗粒达到纳铜颗粒达到纳 米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始纳米时却开始 导电导电。高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。 n 当粒子的尺寸达到纳米量级时当粒子的尺寸达到纳米量级时，会出现量子效应，会出现量子效应：有种金属纳米粒有种金属纳米粒 子吸收

4、光线能力非常强，在子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种千克水里只要放入千分之一这种 粒子，水就会变得完全不透明。粒子，水就会变得完全不透明。 纳米材料的奇特效应纳米材料的奇特效应 Page 6 n 基于纳米材料的诸多特性，纳米材料成为一种最具有市场应用潜力基于纳米材料的诸多特性，纳米材料成为一种最具有市场应用潜力 的新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑。纳米材料在医学，环的新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑。纳米材料在医学，环 境，军事以及家电行业，电子工业，计算机产业，纺织工业，机械境，军事以及家电行业，电子工业，计算机产业，纺织工业，机械 工业等民用产业方面具

5、有重要用途。工业等民用产业方面具有重要用途。例如一下集中应用。例如一下集中应用。 纳米材料的应用纳米材料的应用 Page 7 n 纳米特性材料纳米特性材料 Page 8 n 纳米复合材料的界面组元所占比例大，颗粒表面原子比纳米复合材料的界面组元所占比例大，颗粒表面原子比 例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界 面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。 纳米材料的量子尺寸效应使电子的能级分裂，而分裂的纳米材料的量子尺寸效应使电子的能级分裂，而分裂的 能级间距正处于微波的能量范围，为纳

6、米材料创造了新能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新 的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐射的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐射 下，运动加剧，增加了电磁能转化为热能的效率，从而下，运动加剧，增加了电磁能转化为热能的效率，从而 提高了对电磁波的吸收性能。提高了对电磁波的吸收性能。 更加奇特的效应更加奇特的效应吸波吸波 Page 9 隐形的外衣隐形的外衣纳米吸波材料纳米吸波材料 纳米吸波材料纳米吸波材料 纳米复合隐形材料纳米复合隐形材料 空中幽灵空中幽灵隐形飞机隐形飞机 Page 10 n 纳米吸波材料具有极好的吸波特性，同时具备吸波频带宽、兼容性好、纳米吸波材料

7、具有极好的吸波特性，同时具备吸波频带宽、兼容性好、 质量轻和厚度薄等特点。纳米粒子对红外和电磁波有强烈的吸收能力质量轻和厚度薄等特点。纳米粒子对红外和电磁波有强烈的吸收能力 主要原因有两点，主要原因有两点， n 一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米粒子材一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米粒子材 料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少了波的反射料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少了波的反射 率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到 隐身的目的。隐身的目的

8、。 n 另外一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大了另外一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大了34个数量级，个数量级， 对电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达对电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达 得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到隐身得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到隐身 作用作用 n 纳米吸波材料纳米吸波材料 Page 11 n 改改变变原有基体材料与损耗介质材料的性质原有基体材料与损耗介质材料的性质 研究表明，研究表明，101025nm25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大的铁磁金属

9、微粒矫顽力比相同的宏观材料大10001000 倍。对于陶瓷材料而言，当它到达纳米尺寸时，表现出了高韧性，高倍。对于陶瓷材料而言，当它到达纳米尺寸时，表现出了高韧性，高 热强，高塑性等平时欠缺的特性。所以纳米技术的应用使这些吸收剂热强，高塑性等平时欠缺的特性。所以纳米技术的应用使这些吸收剂 的吸波性能有很大提高。的吸波性能有很大提高。 n 纳米复合物纳米复合物 各种材料具有不同的吸波特性，适应不同的波段，而目前吸波材料的各种材料具有不同的吸波特性，适应不同的波段，而目前吸波材料的 一个主要研究方向就是多频率。所以如果能复合这些材料，会使吸波一个主要研究方向就是多频率。所以如果能复合这些材料，会使

10、吸波 材料的应用范围大大加宽。材料的应用范围大大加宽。 n 纳米技术在吸波材料的以下几个方面有突出作用：纳米技术在吸波材料的以下几个方面有突出作用： Page 12 纳米吸波材料纳米吸波材料 材料特点材料特点吸波机理吸波机理 金属、金属氧化物和某些非金属、金属氧化物和某些非 金属材料的纳米级超细粉在金属材料的纳米级超细粉在 细化过程中，处于表面的原细化过程中，处于表面的原 子数越来越多，增加了纳米子数越来越多，增加了纳米 粒子的活性。在微波场的辐粒子的活性。在微波场的辐 射下，原子和电子运动加剧，射下，原子和电子运动加剧， 促使磁化，使电子能转化为促使磁化，使电子能转化为 热能，从而增加了对电

11、磁波热能，从而增加了对电磁波 的吸收。的吸收。美国研制出的美国研制出的“超超 黑粉黑粉”纳米吸波材料，对雷纳米吸波材料，对雷 达波的吸收率大于达波的吸收率大于99%99%。 隐身材料虽在很多方面都有隐身材料虽在很多方面都有 广阔的应用前景，但当前真广阔的应用前景，但当前真 正发挥作用的隐身材料大多正发挥作用的隐身材料大多 使用在与航空航天或军事有使用在与航空航天或军事有 密切关系的部件上。对于上密切关系的部件上。对于上 天的材料有个重要的要求是天的材料有个重要的要求是 重量轻，在这方面纳米材料重量轻，在这方面纳米材料 是有优势的，特别是由轻元是有优势的，特别是由轻元 素组成的纳米材料在航空隐素

12、组成的纳米材料在航空隐 身材料中应用十分广泛。身材料中应用十分广泛。 Page 13 n 各种材料具有不同的吸波特性，适应不同的波段，而目前吸波材料的各种材料具有不同的吸波特性，适应不同的波段，而目前吸波材料的 一个主要研究方向就是多频率。所以如果能复合这些材料，会使吸波一个主要研究方向就是多频率。所以如果能复合这些材料，会使吸波 材料的应用范围大大加宽。它们的复合将实现集无机、有机、纳米粒材料的应用范围大大加宽。它们的复合将实现集无机、有机、纳米粒 子的诸多特异性质于一身的新材料。子的诸多特异性质于一身的新材料。 n 金属粉体（如金属粉体（如Fe、Ni等）随着颗粒尺寸的减小，特别是达到纳米级

13、后，等）随着颗粒尺寸的减小，特别是达到纳米级后， 电导率很低，材料的比饱和磁化强度下降，但磁化率和矫顽力急剧上电导率很低，材料的比饱和磁化强度下降，但磁化率和矫顽力急剧上 升。其在细化过程中，处于表面的原子数越来越多，增大了纳米材料升。其在细化过程中，处于表面的原子数越来越多，增大了纳米材料 的活性，因此在一定波段电磁波的辐射下，原子、电子运动加剧，促的活性，因此在一定波段电磁波的辐射下，原子、电子运动加剧，促 进磁化，使电磁能转化为热能，从而增加了材料的吸波性能进磁化，使电磁能转化为热能，从而增加了材料的吸波性能 n 纳米复合材料纳米复合材料 Page 14 非隐身材料与隐身材料比较示意图非

14、隐身材料与隐身材料比较示意图 雷达依据目标反射的电磁波来跟踪目标。根据反射信号的强 弱、方位、时间等信息可计算出敌方目标的方位、运动速度等。 目标的反射信号越强，雷达就越容易探测到目标。雷达隐身材料 （也称吸波材料）能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达 波，从而达到隐身的目的。吸波材料主要是通过电磁能转化为热 能而耗散或者使电磁波因干涉而抵消。 Page 15 纳米吸波材料纳米吸波材料 “超黑粉超黑粉”涂层涂层 Page 16 纳米材料与隐形技术纳米材料与隐形技术 纳米材料为何令我们如此兴奋纳米材料为何令我们如此兴奋 如何悄无声息地将阴云笼罩这片天空如何悄无声息地将阴云笼罩这片天空 纳米材

15、料与外形隐身纳米材料与外形隐身 技术相得益彰技术相得益彰 Page 17 n “保存自己，消灭敌人”这个古今中外军事家们共同遵循的军事法则， 在现代化战争中显得尤其重要。最大限度地隐藏自己，同时又千方百 计地寻找和发现敌人，出奇制胜先发制人，给予敌人突然的沉重的打 击，取得战争的胜利。 n 海湾战争、科索沃战争和阿富汗反恐战争完全改变了人们对战争的作 战观念。重创性威胁已不是来自两军对叠的地面战，而几乎完全来自 远程空中打击。全球卫星定位系统技术和精确制导武器的发展水平， 使高技术战争中攻击武器对目标的命中率几乎由目标被发现概率所决 定。被发现就等于被消灭已成为现代军事家们的共识。 n 隐身技

16、术的产生隐身技术的产生 Page 18 隐身隐身从梦想到现实从梦想到现实 隐身斗篷隐身斗篷量子隐身衣量子隐身衣 Page 19 n 动物的启示动物的启示-仿生学隐身技术仿生学隐身技术. . 1、变色龙能根据背景环境而变化颜色、变色龙能根据背景环境而变化颜色迷彩迷彩 2、燕八哥与海鸥的大小相近，雷达截面只燕八哥与海鸥的大小相近，雷达截面只 是海鸥的是海鸥的1/2001/200外形外形 3、蜜蜂的体积远小于麻雀，但雷达截面反蜜蜂的体积远小于麻雀，但雷达截面反 而比麻雀大而比麻雀大1616倍倍外形外形 n 隐身技术的起源隐身技术的起源 Page 20 n 外形隐身外形隐身 独特的外形设计可以使得雷达

17、反射波大大减小，正如燕八哥娇小的雷独特的外形设计可以使得雷达反射波大大减小，正如燕八哥娇小的雷 达截面一样达截面一样 n 材料隐身材料隐身 特殊材料涂层吸收大量电磁波，正如变色龙引以为豪的皮肤一样特殊材料涂层吸收大量电磁波，正如变色龙引以为豪的皮肤一样 传统技术与新技术殊途同归传统技术与新技术殊途同归 n 隐身技术的两种基本要求隐身技术的两种基本要求 Page 21 外形隐身外形隐身 n技术原理：在气动力允许的条件下，改飞行器外形，技术原理：在气动力允许的条件下，改飞行器外形， 使其在特定的入射角度范围内显著降低特定照射角度使其在特定的入射角度范围内显著降低特定照射角度 范围内的范围内的RCS

18、的技术称为外形隐身技术。的技术称为外形隐身技术。 nRCS：雷达散射截面：雷达散射截面 n注释：雷达目标和散射的能量可以表示为一个有效面积和入射注释：雷达目标和散射的能量可以表示为一个有效面积和入射 功率密度的乘积。这个面积通常称为雷达散射截面。雷达目功率密度的乘积。这个面积通常称为雷达散射截面。雷达目 标反射面积标反射面积RCS可从电磁散射理论方面进行定义。定义为：单可从电磁散射理论方面进行定义。定义为：单 位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该 目标的平面波功率密度之比的目标的平面波功率密度之比的4倍。不同性质、形状和分

19、布的倍。不同性质、形状和分布的 目标，其散射效率是不同的。目标，其散射效率是不同的。 Page 22 隐身技术隐身技术-外形隐身外形隐身 在气动力允许的条件下，改变飞行器外形，使其在特定的照射角度在气动力允许的条件下，改变飞行器外形，使其在特定的照射角度 范围内显著降低范围内显著降低RCS的技术（外形隐身）通常采用的方法如下：的技术（外形隐身）通常采用的方法如下： 1.飞机的机身、机尾和机身之间的结合都是能产生角反器效应的部飞机的机身、机尾和机身之间的结合都是能产生角反器效应的部 位，可采取翼身融合体结构，位，可采取翼身融合体结构，V型尾翼或倾斜式双立尾结构等方法。型尾翼或倾斜式双立尾结构等方

20、法。 2.变后向散射为非后向散射，采用后掠翼和三角翼结构对付正前方变后向散射为非后向散射，采用后掠翼和三角翼结构对付正前方 入射光。入射光。 3.用边缘衍射代替镜面反射，尽量使机上造成镜面反射的部分平滑，用边缘衍射代替镜面反射，尽量使机上造成镜面反射的部分平滑， 使之形成边缘衍射而无强反射。使之形成边缘衍射而无强反射。 4.用平板外形代替曲面外形，减少散射源数量。可将飞机机身、短用平板外形代替曲面外形，减少散射源数量。可将飞机机身、短 舱等处向扁平方向压缩或做成近似三角形机身。舱等处向扁平方向压缩或做成近似三角形机身。 Page 23 隐身技术隐身技术-外形隐身外形隐身 B-1B B-1B 海

21、盗旗海盗旗 以美国以美国B-1B和俄罗斯海盗旗为例，前者正面雷达散射面积为和俄罗斯海盗旗为例，前者正面雷达散射面积为0.75， 后者为后者为15，所以，所以B-1B被探测距离为海盗旗的被探测距离为海盗旗的1/2左右。左右。 Page 24 24 Page 25 结合了隐形所需的所结合了隐形所需的所 有特性：有特性： 怪异的外形反射更多怪异的外形反射更多 的电磁波的电磁波 纳米涂层纳米涂层吸收大量电吸收大量电 磁波磁波 第一代隐形飞机第一代隐形飞机F 117 Page 26 隐身技术隐身技术-吸波材料吸波材料 F-22的飞机表面的吸波涂层分三层。第一层是在飞机蒙皮表面的底的飞机表面的吸波涂层分三

22、层。第一层是在飞机蒙皮表面的底 漆层，用以粘附含有银片的导电涂层；第二层即导电涂层中薄漆层，用以粘附含有银片的导电涂层；第二层即导电涂层中薄 银片与聚氨酸脂混合在一起，用以传导、消散雷达波，防止雷银片与聚氨酸脂混合在一起，用以传导、消散雷达波，防止雷 达波回到发射源；第三层为面层，其中含有金属材料用以降低达波回到发射源；第三层为面层，其中含有金属材料用以降低 雷达波转化热量，从而减少被雷达探测的风险。雷达波转化热量，从而减少被雷达探测的风险。 Page 27 隐身技术隐身技术-吸波材料吸波材料 n一些实例一些实例 常规座舱是透波的，电磁波照射到座常规座舱是透波的，电磁波照射到座 舱内的金属结构

23、、驾驶员的身体、设备等舱内的金属结构、驾驶员的身体、设备等 散射体后会产生强烈的雷达波散射。若是散射体后会产生强烈的雷达波散射。若是 给雷座舱罩上镀上一层金属膜将雷达波反给雷座舱罩上镀上一层金属膜将雷达波反 射到其他方向，可使座舱射到其他方向，可使座舱RCSRCS显著降低。显著降低。 F-22座舱盖上镀有铟锡氧化物涂层座舱盖上镀有铟锡氧化物涂层 Page 28 隐身技术隐身技术-吸波材料吸波材料 n一些实例一些实例 F-117的进气道就采用了格栅来加强隐身效果的进气道就采用了格栅来加强隐身效果 Page 29 隐身技术隐身技术-吸波材料吸波材料 采用弯曲进气道使发动机叶片不正面对着雷达波采用弯

24、曲进气道使发动机叶片不正面对着雷达波 YF-23采用的弯曲进气道采用的弯曲进气道 Page 30 纳米材料纳米材料 & 隐形技术隐形技术 纳米材料与外形隐身的结合纳米材料与外形隐身的结合 外形隐身外形隐身 运用物理方法将电磁波反射，使得隐形飞机成为可能运用物理方法将电磁波反射，使得隐形飞机成为可能 纳米涂层纳米涂层 运用新材料特性吸收大量电磁波，从而为隐形飞机保驾护航运用新材料特性吸收大量电磁波，从而为隐形飞机保驾护航 Page 31 魔高一尺，道高一丈魔高一尺，道高一丈 隐身技术的迅猛发展，对战略和战术防御系统提出了严峻隐身技术的迅猛发展，对战略和战术防御系统提出了严峻 的挑战，迫使人们考虑

25、如何摧毁隐身兵器并研究反隐身技的挑战，迫使人们考虑如何摧毁隐身兵器并研究反隐身技 术。隐身技术与反隐身技术的发展，相互制约、相互促进，术。隐身技术与反隐身技术的发展，相互制约、相互促进， 无论哪一方有新的突破，都必将引起另方的重大变革。无论哪一方有新的突破，都必将引起另方的重大变革。 纳米材料纳米材料 & 隐身技术隐身技术 结语结语: 纳米材料在军事中大显身手，已经充分说明它可以在现代生活中纳米材料在军事中大显身手，已经充分说明它可以在现代生活中 扮扮 演更加重要的角色。演更加重要的角色。 我们更加期待它为我们带来更多生活上的便利，而非战争！我们更加期待它为我们带来更多生活上的便利，而非战争！

26、 Page 32 最后，让我们一起来欣赏最后，让我们一起来欣赏 神秘的神秘的“空中幽灵空中幽灵”！ Page 33 第一代隐身飞机第一代隐身飞机F-117F-117 隐身飞机隐身飞机 Page 34 第二代隐身飞机第二代隐身飞机B-2隐身战略轰炸机隐身战略轰炸机 Page 35 B-2 B-2 通体乌黑，无机身、无前翼、无尾翼，又喜欢在若暗不明的通体乌黑，无机身、无前翼、无尾翼，又喜欢在若暗不明的 夜空出没，象夜空出没，象“黑色幽灵黑色幽灵”。 该机长约该机长约2121米，翼展米，翼展52.452.4米，高米，高5.185.18米，是目前世界上最居代表米，是目前世界上最居代表 性的隐身兵器。性的隐身兵器。 Page 36 第三代隐身飞机第三代隐身飞机 采用正常式外倾双垂尾布局，成功地将隐身外形设计技术、低超采用正常式外倾双垂尾布局，成功地将隐身外形设计技术、低超 音速波阻技术、大迎角气动力技术和非定常前体涡控技术等融合音速波阻技术、大迎角气动力技术和非定常前体涡控技术等融合 在一起，在隐身性能和机动性能之间取得了