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隐身材料【隐身材料】隐身材料可以降低被探测率，提高自身的生存率，是实现武器隐身的物质基础，是隐身技术的重要组成部分 。针对不同的探测波频谱，隐身材料可分为声、雷达、红外、可见光、雷射隐身材料 。按材料成型工艺和承载能力，可分为隐身涂层材料和隐身结构材料 。
基本介绍中文名：隐身材料
外文名：stealth material
用途：降低目标可探测性
原理：降低目标表面的反射係数
作用对象：雷达、红外、可见光、雷射等
分类：隐身涂层材料、隐身结构材料
简介隐身材料是隐身技术的重要组成部分，在装备外形不能改变的前提下，隐身材料（stealth material）是实现隐身技术的物质基础 。武器系统採用隐身材料可以降低被探测率，提高自身的生存率，增加攻击性，获得最直接的军事效益 。因此隐身材料的发展及其在飞机、主战坦克、舰船、箭弹上的套用，将成为国防高技术的重要组成部分 。对于地面武器装备，重点在于防止空中雷达或红外设备探测、雷达制导武器和雷射制导炸弹的攻击 ；对于作战飞机，重点在于防止空中预警机雷达、机载火控雷达和红外设备的探测，主动和半主动雷达、空对空飞弹和红外格斗飞弹的攻击 。分类隐身材料按频谱可分为声、雷达、红外、可见光、雷射隐身材料 。按材料用途可分为隐身涂层材料和隐身结构材料 。这里便着重介绍几类重要的隐身材料 。雷达吸波材料雷达吸波材料（RAW）是最重要的隐身材料之一，它能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到隐身的目的 。按使用形式可分为结构型吸波材料和雷达吸波涂料两类 。结构型雷达吸波材料结构型雷达吸波材料是一种多功能複合材料，它既能承载作结构件，具备複合材料质轻、高强的优点，又能较好地吸收或透过电磁波，已成为当前隐身材料重要的发展方向 。国外的一些军机和飞弹均採用了结构型RAM，如SRAM飞弹的水平安定面，A-12机身边缘、机翼前缘和升降副翼，F-111飞机整流罩，B-1B和美英联合研製的鹞-Ⅱ飞机的进气道，以及日本三菱重工研製的空舰弹ASM-1和地舰弹SSM-1的弹翼等均採用了结构型RAM 。近年来，複合材料的高速发展为结构吸波材料的研製提供了保障 。新型热塑性PEEK(聚醚醚酮)、PES(聚醚碸)、PPS(聚苯硫醚)以及热固性的环氧树脂、双马来醯亚胺、聚醯亚胺、聚醚醯亚胺和异氰酸酯等都具有比较好的介电性能，由它们製成的複合材料具有较好的雷达传输和透射性 。採用的纤维包括有良好介电透射性的石英纤维、电磁波透射率高的聚乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、陶瓷纤维，以及玻纤、聚醯胺纤维 。碳纤维对吸波结构具有特殊意义，近年来，国外对碳纤维作了大量改良工作，如改变碳纤维的横截面形状和大小，对碳纤维表面进行表面处理，从而改善碳纤维的电磁特性，以用于吸波结构 。美国空军研究发现将PEEK、PEK和PPS抽拉的单丝製成复丝分别与碳纤维、陶瓷纤维等按一定比例交替混杂成纱束，编织成各种织物后再与PEEK或PPS製成複合材料，具有优良的吸收雷达波性能，又兼具有重量轻、强度大、韧性好等特点 。据称美国先进战术战斗机(ATF)结构的50%将採用这一类结构吸波材料，材料牌号为APC(HTX) 。国外典型的产品有用于B-2飞机机身和机翼蒙皮的雷达吸波结构，其使用了非圆截面(三叶形、C形)碳纤维和蜂窝夹芯複合材料结构 。在该结构中，吸波物质的密度从外向内递增，并把多层透波蒙皮作面层，多层蒙皮与蜂窝芯之间嵌入电阻片，使雷达波照射在B-2的机身和机翼时，首先由多层透波蒙皮导入，进入的雷达在蜂窝芯内被吸收 。该吸波材料的密度为0.032g/cm，蜂窝芯材在6-18GHz时，衰减达20dB；其它的产品如英国Plessey公司的"泡沫LA-1型"吸波结构以及在这一基础上发展的LA-3、LA-4、LA-1沿长度方向厚度在3.8～7.6cm变化，厚12mm时重2.8kg/m2，用轻质聚氨酯泡沫构成，在4.6～30GHz内入射波衰减大于10dB；Plessey公司的另一产品K-RAM由含磁损填料的芳醯胺纤维组成，厚5～10mm，重7～15kg/m2，在2～18GHz衰减大于7dB 。美国Emerson公司的Eccosorb CR和Eccosorb MC系列有较好的吸波性，其中CR-114及CR-124已用于SRAM飞弹的水平安定面，密度为1.6～4.6kg/m2，耐热180℃，弯曲强度1050kg/cm2，在工作频带内的衰减为20dB左右 。日本防卫厅技术研究所与东丽株式会社研製的吸波结构，由吸波层(由碳纤维或硅化硅纤维与树脂複合而成)、匹配层(由氧化锆、氧化铝、氮化硅或其它陶瓷製成)、反射层(由金属、薄膜或碳纤维织物製成)构成，厚2mm，10GHz时复介电数为14-j24、样品在7～17GHz内反射衰减>10dB 。在结构吸波材料领域，西方国家中以美国和日本的技术最为先进，尤其在複合材料、碳纤维、陶瓷纤维等研究领域，日本显示出强大的技术实力 。英国的Plesey公司也是该领域的主要研究机构 。雷达吸波涂料雷达吸波涂料主要包括磁损性涂料、电损性涂料 。(1) 磁损性涂料磁损性涂料主要由铁氧体等磁性填料分散在介电聚合物中组成 。这种涂层在低频段内有较好的吸收性 。美国Condictron公司的铁氧体系列涂料，厚1mm，在2～10GHz内衰减达10～12dB，耐热达500℃；Emerson公司的Eccosorb Coating 268E厚度1.27mm，重4.9kg/m2，在常用雷达频段内(1～16GHz)有良好的衰减性能(10dB) 。磁损型涂料的实际重量通常为8～16kg/m2，因而降低重量是亟待解决的重要问题 。(2) 电损性涂料电损性涂料通常以各种形式的碳、SiC粉、金属或镀金属纤维为吸收剂，以介电聚合物为粘接剂所组成 。这种涂料重量较轻(一般可低于4kg/m2)，高频吸收好，但厚度大，难以做到薄层宽频吸收，尚未见纯电损型涂层用于飞行器的报导 。90年代美国Carnegie-Mellon大学发现了一系列非铁氧体型高效吸收剂，主要是一些视黄基席夫硷盐聚合物，其线型多烯主链上含有连线二价基的双链碳-氮结构，据称涂层可使雷达反射降低80%，比重只有铁氧体的1/10，有报导说这种涂层已用于B-2飞机 。红外隐身材料红外探测是仅次于雷达探测用得较多的探测手段之一 。它通常是以被动式进行，利用目标发出的红外线来发现、识别和跟蹤目标 。红外隐身材料作为热红外隐身材料中最重要的品种，因其坚固耐用、成本低廉、製造施工方便，且不受目标几何形状限制等优点一直受到各国的重视，是近年来发展最快的热隐身材料，如美国陆军装备研究司令部、英国BTRRLC公司材料系统部、澳大利亚国防科技组织的材料研究室、德国PUSH GUNTER和瑞典巴拉居达公司均已开发了第二代产品，有些可兼容红外、毫米波和可见光 。近年来美国等西方国家在探索新型颜料和粘接剂等领域作了大量工作 。新一代的热隐身涂料大多採用热红外透明度 。红外隐身材料主要分为单一型和複合型两种 。单一型红外隐身材料导电高聚物材料重量轻、材料组成可控性好且导电率变化範围大，作为单一红外隐身材料使用的前景十分乐观，但由于其加工较困难且价格相当昂贵，除聚苯胺外尚无商品生产 。E. R. Stein等人研究发现，导电聚合物聚吡咯在 1.0～2.0GHz 对电磁波的衰减达26dB 。中科院化学所的万梅香等人研製的导电高聚物涂层材料，当涂层厚度在10～15μm 时，一些导电高聚物在8～20μm 的範围内的红外发射率可小于0.4 。複合型红外隐身材料複合型红外隐身材料主要有涂料型隐身材料、多层隐身材料和夹芯材料 。(1) 涂料型隐身材料涂料型红外隐身材料一般由粘合剂和填料两部分组成 。填料和粘合剂是影响红外隐身性能的主要因素，相关研究大多针对热隐身 。(2) 多层隐身材料 多层隐身材料中最常见的是涂敷型双层材料 。一般有微波吸收底层和红外吸收面层组成 。德国的 Boehne研製了一种双层材料，底层有导电石墨、碳化硼等雷达吸收剂 ( 75%～85%) , Sb2O3 阻燃剂( 6%～8%) 和橡胶粘合剂( 7%～18%) 组成，面层含有在大气视窗具有低发射率的颜料 。国内研製出了面层为低发射率的红外隐身材料，内层雷达隐身材料可用结构型和涂层型两种吸波材料的双层隐身材料 。(3) 夹芯材料夹芯材料一般由面板和芯组成 。面板一般为透波材料，芯为电磁损耗材料和红外隐身材料 。纳米複合隐身材料纳米複合隐身材料的隐身机理由于纳米材料的结构尺寸在纳米数量级，物质的量子尺寸效应和表面效应等方面对材料性能有重要影响 。隐身材料按其吸波机制可分为电损耗型与磁损耗型 。电损耗型隐身材料包括SiC粉末、SiC纤维、金属短纤维、钛酸钡陶瓷体、导电高聚物以及导电石墨粉等；磁损耗型隐身材料包括铁氧体粉、羟基铁粉、超细金属粉或纳米相材料等 。下面分别以纳米金属粉体（如Fe、Ni等）与纳米Si/C/N粉体为例，具体分析磁损耗型与电损耗型纳米隐身材料的吸波机理 。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，促进磁化，使电磁能转化为热能，从而增加了材料的吸波性能 。一般认为，其对电磁波能量的吸收由晶格电场热振动引起的电子散射、杂质和晶格缺陷引起的电子散射以及电子与电子之间的相互作用三种效应来决定 。纳米Si/C/N粉体的吸波机理与其结构密切相关 。M.Suzuki等人对雷射诱导SiH4+C2H4+NH3气相合成的纳米Si/C/N粉体，提出Si（C）N固溶体结构模型 。其理论认为，在纳米Si/C/N粉体中固溶了N，存在Si（N）C固溶体，而这些判断也得到了实验的证实 。固溶的N原子在SiC晶格中取代C原子的位置而形成带电缺陷 。在正常的SiC晶格中，每个碳原子与四个相邻的硅原子以共价键连线，同样每个硅原子也与周围的四个碳原子形成共价键 。当N原子取代C原子进入SiC后，由于N只有三价，只能与三个Si原子成键，而另外的一个Si原子将剩余一个不能成键的价电子 。由于原子的热运动，这个电子可以在N原子周围的四个Si原子上运动，从一个Si原子上跳跃到另一个Si原子上 。在跳跃过程中要克服一定势垒，但不能脱离这四个Si原子组成的小区域，因此，这个电子可以称为“準自由电子” 。在电磁场中，此“準自由电子”在小区域内的位置随电磁场的方向而变化，导致电子位移 。电子位移的驰豫是损耗电磁波能量的主要原因 。带电缺陷从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置，相当于电矩的转向过程，在此过程中电矩因与周围粒子发生碰撞而受阻，从而运动滞后于电场，出现强烈的极化驰豫 。纳米複合隐身材料的複合新技术运用複合技术对不同的吸波材料进行纳米尺度上的複合可得到吸波性能大为提高的纳米複合隐身材料 。近年来，纳米複合隐身材料的製备新技术发展十分迅速，新的複合技术主要包括以下几种： （a）以在材料合成过程中于基体中产生弥散相且与母体有良好相容性、无重複污染为特点的原位複合技术 。（b）以自放热、自洁净和高活性、亚稳结构产物为特点的自蔓延複合技术 。（c）以组分、结构及性能渐变为特点的梯度複合技术 。（d）以携带电荷基体通过交替的静电引力来形成层状高密度、纳米级均匀分散材料为特点的分子自组装技术 。（e）依靠分子识别现象进行有序堆积而形成超分子结构的超分子複合技术 。材料的性能与组织结构有密切关係 。与其他类型的材料相比，複合材料的物相之间有更加明显并成规律化的几何排列与空间结构属性，因此複合材料具有更加广泛的结构可设计性 。纳米隐身複合材料因综合了纳米材料与複合材料两者的优点而具有良好的对电磁波的吸收特性，已经成为材料学研究的热点之一 。其它隐身材料电路模拟隐身材料该技术是在合适的基底材料上涂敷导电的薄窄条网路、十字形或更複杂的几何图形，或在複合材料内部埋入导电高分子材料形成电阻网路，实现阻抗匹配及损耗,，从而实现高效电磁波吸收 。这种材料能在给定的体积範围内产生高于较简单类型吸波材料的性能 。但对每一种套用，都必须运用等效电路或二维周期介质论在计算机上进行特定的匹配设计，而且涉及计算比较麻烦 。手征隐身材料所谓的手征是指一个物体无论通过平移或旋转都不能与其镜像重合的性质 。研究表明,，手征材料能够减少入射电磁波的反射并能够吸收电磁波 。在基体中掺杂手徵结构物质还可形成手征複合材料 。红外隐身柔性材料这种材料是指以织物为中心开发的各种红外隐身材料, 常常以高性能纤维织物为基础 。红外隐身服美国特立屈公司( TeledyncIndustr ies Inc)设计出一种红外隐身效果较好的隐身服，它由多层涂层织物複合加工而成 。基布採用多孔尼龙网，并在表面镀银，再在基布上贴上具有不同红外发射率的布条，布条的一端可以自由飘动，同时控制布条表面涂层面积的大小和形状 。这种隐身服可以与背景保持一致，从而保证人体的红外特性难于被红外探测器探测到 。研究前景展望当前，武器装备的发展呈现出“精确化、隐身化、信息化”的特点，世界各军事强国均投入了大量财力物力发展隐身技术，从国内外当前研究热点来看，隐身材料有如下几个重点的发展方向 。1.实用化为保障飞行器隐身性能，其所用隐身材料，特别是隐身涂层的施工、维护十分重要 。如 B－2 隐身轰炸机早期所用隐身涂层，每飞行小时至少需要 50 h维护，维护效率低、成本高，大大影响了作战效能 。因此美国在研发和提高隐身材料性能的同时，对隐身材料的实用化也进行了大量研究，包括飞机用隐身涂层喷涂、修补、去除以及现场性能检测等工艺技术 。近年来，美国开发了一种由机器人喷涂的替代性高频材料( AHFM)，用于替代B－2上原先为填补飞机外表面缺陷所使用的 3 000 多英尺吸波带( 如维护口盖附近的吸波带)，从而极大地简化了B－2的维护工作，使维护时间从数天减至数小时 。2.轻质化降低质量可以增加飞行器射程和提高有效载荷，相对于其他武器装备而言，质量轻量化对于飞行器而言意义更为重大，因此轻质隐身材料一直是其发展的主题和重点 。3.多频谱战场探测系统的多频段性对隐身材料提出了多频段兼容的要求 。从 20 世纪 80 年代以来，国外就开展这方面的研究，并陆续取得了一些成果 。据报导，F－ 117A 採用了一种加有改性碳分子的涂层，不仅可以吸波，还能抑制 3 ～ 5 μm 及 8 ～ 12 μm 红外波的辐射；美国已在其战略飞弹弹头上採用了雷达/红外多频谱隐身材料，用于弹头的中段和再入初期隐；俄罗斯的“白杨 － M”弹头採用了吸收雷达波和降低红外特徵的材料，实现了雷达隐身与红外隐身一体化 。4.多功能战场环境複杂多变，武器系统除面临探测威胁外，还可能面临各种高温、核等恶劣环境 。因此，对单一隐身涂层提出了多功能的要求，如隐身－防热、隐身－抗核加固、隐身－抗雷射加固等 。国外的多功能材料研究始于 20 世纪 70 年代，如美国研究了防热、隐身、抗核一体化的功能防热材料，近年来的国际交流中也发现俄方在多功能隐身材料上开展了很多的研究工作，并已在弹头上得到套用 。5.智慧型化智慧型隐身材料是新一代的隐身材料技术，具有感知、信息处理，自我指令并对环境信号作出最佳回响的功能，为实现武器系统的智慧型隐身提供了可能，具有重大的军事套用价值 。6.耐高温超声速巡航飞行器飞行过程中，弹体外表面热平衡温度达到 600℃以上，用于弹体外表面的隐身材料必须具有耐高温、防热、隔热功能，因此研製耐高温隐身材料尤为重要和急迫，也是后续飞行器隐身材料发展的主要方向之一 。