《型非金属材料》

1、新型雷达波吸收材料研究进展随着军事技术的不断发展，雷达、亳米波、红外、激光、多光谱和声波等现代探测和制 导技术大量应用于武器系统中，给飞机、舰艇、坦克及苴它武器的生存造成了极大的威胁。 隐身材料技术作为提髙武器系统生存和突防能力，提高武器装备隐身能力，提髙总体作战效 能的有效手段，受到世界各军事大国的高度重视，频带宽、效率高、密度小以及兼容型吸 波材料成为研究的热点。美陆军已计划广泛研究用于地而车辆的辐射率/反辐射率可控的低可视 性涂料，研究能对背景和威胁自动做出反应的自适应涂料，以便降低红外、可见光、雷达、 声、磁等信号特征。与以往相比，美军军用车辆的雷达和热信号特征，在2000年时已降低了

2、 50%,预讣到2005年将降低70%11 J。隐身材料技术已是满足今后高科技作战需求的不可缺 少的关键技术之一。雷达隐身技术的目的是要使武器的雷达目标特征，即散射信号(RCS)减 弱到最小程度。武器的雷达散射信号的大小一般用雷达散射截而来表示。根据雷达距离方 程：y =K (1)式中y为雷达的探测距离，K为比例系数，取决于雷达性能，为雷达散射截而值。可知， 目标的值降为原来的10%时，)，减小为原来的56%,目标的值降为原来的1%时，7减 小为原来的31%,由此可见雷达隐身技术的作用。减小武器(RCS)值的途径主要有外形技术、 阻抗加载技术、材料技术等。其中材料技术是正在兴起的行之有效的隐身

3、手段，受到各军事 强国的广泛关注。吸波材料的吸波原理电磁波在空气中传播遇到媒质时，由于媒质的阻抗与自由空间的阻抗不匹配，电磁波在 空气与媒质界而发生反射。透射波进入媒质内部在其中传播并与媒质发生相互作用而被转换 成其它诸如机械能、电能和热能等形式的能量消耗掉。材料对电磁波的吸收，关键在于吸波 体与空气媒质的阻抗是否匹配。巴电磁波通过阻抗为Zn的自由空间入射到输入阻抗为的吸 收波界而上时，一部分被反射，另一部分进入吸波体.2新型雷达波吸收材料吸波材料是实现武器装备隐身的重要手段，英开发和应用是隐身技术发展的重要内容之 一。近年来，国内外诸多学者在研究并改进传统的吸波材料的同时，对新型吸波材料进行

4、了 一些有益的探索。目前已投入使用和正在研制的新型吸波材料主要有2. 1纳米吸波材料纳米材料是指材料组分的特征尺寸在纳米疑级的材料，它独特的结构使其自身具有量子 尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应。由于纳米微粒尺寸小，比表而积大，表 而原子比例髙，悬挂键增多，从而界面极化和多重散射成为重要的吸波机制。量子尺寸效应 使纳米粒子的电子能级发生分裂，分裂的能级间隔正处于微波的能量范弗1内，从而导致新的 吸波通道。纳米微粒的上述特征为雷达波的吸收提供了新的吸波机制和更多的通道。所以在 电磁特性方而，纳米材料与大尺度的材料相比，具有吸波性能好、频带宽等优点，因而在电 子对抗中有着广阔的应用前景

5、。纳米吸波材料具有极好的吸波特性，同时具有宽频带、兼容性好、质量轻和厚度薄等特 点，苴作为种新型的吸收剂已成为各军事强国研究的热点。美国已经研制出第四代纳米吸波 材料“超墨粉”，其对雷达波的吸收率可达99%。法国研制成功一种宽频谱微波吸收涂层，该涂 层由粘结剂和纳米级微粉填充材料构成，这种多膜叠合而成的结构具有良好的磁导率，在 50MHz-50GHz频率范用内吸收性能较好。美国的Silks公司利用一种超细陶瓷球粉体-8u,添 加在普通的漆中，喷涂在飞机和车辆上，可以提髙隐形能力，还可以涂覆在电子 装备上来对付电子干扰。陈曙等采用化学法成功制备了FeB超细非晶合金颗粒，并对其吸波 性能进行了研究

6、，结果表明，这种纳米颗粒具有较大的内禀磁损耗，是一种有应用潜力的吸 波材料。2. 2宽频谱吸波材料现代光电技术的迅速发展使精确制导武器能在可见光、红外、毫米波、以至米波的宽频 段内对目标进行侦察观测，因此仅采用对抗单一频带的隐身材料是远远不够的，只有能够对 抗多种探测仪器的宽频谱隐身材料才能满足军事装备隐身的需要，这也是材料隐身技术发展 的重要方向之一。欧洲专利介绍了徳国公司研究的一种多频谱隐身材料，这种隐身材料可用 于生产军用伪装网。这种隐身网的优点是制造简单，成本较低，并且能在可见光波段、红外 波段和雷达波段隐身。美国专利USP5661484介绍了一种宽带吸收材料，由两种不同的纤维任 意分

7、散在电介质包覆层中形成。其中一种纤维由一泄阻抗的石墨丝组成，另一种纤维由表面 涂覆金属的导电石墨丝组成。纤维的合适选择使该材料具有宽带或多频谱的吸收特性。美国 公司研制出一种多频谱超轻型吸波材料，这种新型材料为柔性复合材料，主要成分为聚合 物，经过多道工序制得。该材料很轻，英质量只有131g/m2,即可吸收雷达发射的频率高达 140GHZ的厘米波和亳米波，又可防近红外（0. 60.9 m）、中红8b （35 m）、远红外（810gm）, 还能防波长为0. 30. 7 m的可见光。我国已研制出复合隐身涂料，它能使812GHz和 26. 5-40GHZ波段的雷达散射而积衰减810dB,相当于雷达探

8、测距离减小，它还能改变被保 护目标的红外辐射特性，降低红外成像制导的发现和识别概率。2. 3手性吸波材料手性是指一种物体与苴镜像不存在几何对称性且不能通过任何操作使物体与镜像重合 的现象。研究表明，具有手性结构的材料能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波弓I， 手性吸波材料是近年来开发的新型吸波材料。手性吸波材料是利用手性物质的旋光色散性吸收电磁波能量的，手性材料的性质主要由它的 手性参数的电磁参数决左，合理地选择手性参数可极大地改善材料的吸波性能。目前研究的 手性需达波吸收材料，是在基体中搀杂手性结构物质形成的手性复合材料。美国专利US 4948922介绍了一种吸波涂层，英基体由导电聚合物或

9、其它低损耗电介质组成， 手性材料以螺旋状形态掺杂在基体中，该种吸波涂层能在较宽频带范囤内对电磁波进行有效 反射和吸收。手性材料与普通吸波材料相比有两个优势：个是调整手性参数比调疗介电参数 和磁导率容易，大多数材料的介电参数和磁导率很难在较宽的频带上满足反射要求：二是手 性材料的频率敏感性比介电参数和磁导率小，容易实现宽波段吸收。手性吸波材料自20世纪80年代才受到一些部门的重视，虽处于刚起步的阶段，但有着广阔的发 展前景。2. 4导电高分子吸波涂料这类吸波涂料利用某些具有共轨电子高分子聚合物，与掺杂剂进行电荷转移作用，设计 高聚物的导电结构，实现阻抗匹配和电磁损耗来达到对电磁波的吸收Jo经掺杂

10、后的高分 子链结构上存在自由基（偶极子或孤子），这类偶极子的跃迁使高分子具有了导电性。导电髙 分子的导电性可以在绝缘体、半导体、金属导体之间广泛地变化，不同的电导率呈现不同的 吸波性能。其电导率的大小与导电髙分子的分子链长及分子结构对偶极子的朿缚力有着 密切的关系。一般来说，高分子链越长，结构规整性越好，导电性就越好。对于导电高分子 吸波材料的研究表明：导电髙分子处于半导体状态时（电导率在10-310-1S / cm）,对微波 有较好的吸收。导电高分子吸波涂料是新开展的髙分子材料研究领域。美国宾夕法尼亚大学 Marcdiarmid将聚乙烘用作吸波材料，用该材料制成2mm的薄膜对35GHz的微波

11、吸收可达9%。 法国的Yent、Olmedo等研究了聚毗咯、聚苯胺、聚一3辛基噬吩在3cm波段内的吸收，结果 发现它们的吸收率均在8dB以上u。导电髙分子的密度小，一般在1. 12. Og/cm的范用内， 可使隐身装备轻量化：可溶性导电高分子加工性能良好，可实现薄层化：导电髙分子热稳左 性好，在空气中开始分解的温度在3002以上，可以较好地适应环境。还能与无机磁损耗物 质或超微粒子复合，可发展成为一种新型的轻质、宽带微波吸收材料。高分子的光功能材料 能够透射、吸收、转换光线，有的材料在光的作用下可以变色，它们将在红外和可见光隐身中大显身手。2. 5结构吸波材料为了提髙承载和吸波性能，减轻飞行器

12、质量和改善气动特性，发展了一种由结构型吸波 材料、透波材料和其它材料构成的结构型吸波体，或简称吸波结构。这种结构把隐身技术中 的两个主要技术一一外形技术和材料技术结合起来，有时还可以结合阻抗加载技术，具有承 载和减少电磁反射的双重功能，其综合性能明显优于单独的材料技术，结构吸波材料因此很 快就广泛应用于各种隐身飞行器。吸波性能优良的结构材料主要有层板型、蜂窝型与复合型, 一般以热塑性材料(如环氧树脂)为基体与吸波剂混合，并用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、 碳化纤维进行增强而成。新研制的结构型吸波材料不仅对雷达波、红外线有很高的吸收率， 而且具有较好的承载能力，容易维护，发展潜力很大。采用碳纤维增

13、强的热塑性树脂结构吸 波材料作为武器系统的主承力结构，不仅具有良好的透波、吸波性能，而且强度髙、韧性大、 质量轻，可使武器减少自重、增强机动性能。美国专利US 6043769介绍了一种结构吸 波材料，由泡沫颗粒和纤维朿组成，纤维束分布在泡沫颗粒上，形成一种泡沫纤维混合物， 能够铸成各种所需形状。成形的吸波体能够在10 MHz100 GHz的频段内吸收电磁波。结构 吸波材料已成为新一代军用飞行器材料研究的重要方向，如F 117A、B2、F22隐身飞行 器上结构材料用疑分另0为10%、50%、70%。2. 6多晶纤维吸波涂料多晶纤维吸波材料是靠涡流耗损和磁滞损耗一起构成磁损耗，在外界交变电磁场的作

14、用 下，纤维内的自由电子产生振荡运动，产生振荡电流，将电磁波的能量转换为热能而损耗掉。 它是一种质轻的磁性雷达波吸收剂，具有吸收强、频带宽、而密度低等特点，克服了大多数 磁性吸收剂存在的严重缺点。美国3M公司研制出的亚微米级多晶铁纤维吸波涂层在46GHz 频带内的反射率低于一5dB,在6-20GHz频带内的反射率低于10dB,在10. 513. 5GHz频带 内的反射率低于一20dBo欧洲伽玛(GAMMA)公司研制出一种新型雷达波吸收涂层，采用多晶 铁纤维作为吸收剂，这是一种轻质的磁性雷达波吸收剂，可在很宽的频带内实现高吸 收效果，且质量减轻40%60%。据报道，该技术已成功用于法国国家战略防

15、御部队服役 的导弹和载人飞行器。2. 7电路模拟吸波材料电路模拟吸波材料是在合适的基底上涂覆由导电材料做成的薄窄条、网络、十字形或更 复杂的几何图形，或在复介材料内部埋入导电髙分子材料形成电阻网络实现阻抗匹配及损 耗，从而达到高效吸收雷达波的目的。这种吸波材料的性能明显优于简单类型的吸波材料。 这种吸波体运用等效电路或二维周期介质理论进行匹配设汁，当涂层为厚时，达到R -10dB 水平，带宽约8GHz,但设计麻烦，应用也有困难。这种吸波体也可以和阻抗渐变结构结合使 用。当然组合使用也会带来设计工艺复杂，结构完整性受限，耐温度变化性降低，成本髙等 缺点。2. 8等藹子体吸波材料等离子体吸波的基本

16、原理是：利用等离子体发生器、发生片或放射性同位素在兵器表 面形成一层等离子云，通过控制等离子云的能虽:、电离度、振荡频率和碰撞频率等特征参 数，使照射到等离子体云上的雷达波在遇到等离子体的带电离子后，两者发生相互作用，电 磁波的一部分能量传给带电离子，被带电离子吸收，而自身能量逐渐衰减。如可以在弹道导 弹的弹头和飞机关键部位采用等离子体涂料隐身。涂料以针一210、锅一242、總一90等放射 性同位素为原料，在飞行器飞行过程中放射岀强a射线，高能粒子促使空气电离子形成等离子体 层，其吸收性能在l-20GHz范用内衰减可达17dB,如使频率为1GHz入射波衰减10%20%的 #-210涂层厚度仅为0. 025mm。这种技术与目前已经广泛应用的隐身技术相比有诸多优势 1L2 9J： 一是吸波频带宽，吸收率高，隐身性能好；二是使用简单，价格便宜：三是无需改 变飞机的气动外形，不影响飞机的飞行性能，还可大大降低飞行阻力。早在20世纪60年代, 前苏联就开始了等离子体吸收电磁波性能的研究。80年代初开始进行了等离子体实验，重点 研究等离子体在髙空超声速飞行器上的潜在应用。到1999年初，俄罗斯克尔徳什研究中心就 已经开发出第一代离子体发生片和第二代等离子体发生器，并在飞机上进行试验获得了成 功。3结束