基本介紹
- 中文名：隱身材料
- 外文名：stealth material
- 用途：降低目標可探測性
- 原理：降低目標表面的反射係數
- 作用對象：雷達、紅外、可見光、雷射等
- 分類：隱身塗層材料、隱身結構材料
簡介,分類,雷達吸波材料,紅外隱身材料,納米複合隱身材料,其它隱身材料,研究前景展望,
簡介
隱身材料是隱身技術的重要組成部分，在裝備外形不能改變的前提下，隱身材料（stealth material）是實現隱身技術的物質基礎。武器系統採用隱身材料可以降低被探測率，提高自身的生存率，增加攻擊性，獲得最直接的軍事效益。因此隱身材料的發展及其在飛機、主戰坦克、艦船、箭彈上的套用，將成為國防高技術的重要組成部分。對於地面武器裝備，重點在於防止空中雷達或紅外設備探測、雷達制導武器和雷射制導炸彈的攻擊 ；對於作戰飛機，重點在於防止空中預警機雷達、機載火控雷達和紅外設備的探測，主動和半主動雷達、空對空飛彈和紅外格鬥飛彈的攻擊。
分類
雷達吸波材料
結構型雷達吸波材料
結構型雷達吸波材料是一種多功能複合材料，它既能承載作結構件，具備複合材料質輕、高強的優點，又能較好地吸收或透過電磁波，已成為當前隱身材料重要的發展方向。
國外的一些軍機和飛彈均採用了結構型RAM，如SRAM飛彈的水平安定面，A-12機身邊緣、機翼前緣和升降副翼，F-111飛機整流罩，B-1B和美英聯合研製的鷂-Ⅱ飛機的進氣道，以及日本三菱重工研製的空艦彈ASM-1和地艦彈SSM-1的彈翼等均採用了結構型RAM。近年來，複合材料的高速發展為結構吸波材料的研製提供了保障。新型熱塑性PEEK(聚醚醚酮)、PES(聚醚碸)、PPS(聚苯硫醚)以及熱固性的環氧樹脂、雙馬來醯亞胺、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺和異氰酸酯等都具有比較好的介電性能，由它們製成的複合材料具有較好的雷達傳輸和透射性。採用的纖維包括有良好介電透射性的石英纖維、電磁波透射率高的聚乙烯纖維、聚四氟乙烯纖維、陶瓷纖維，以及玻纖、聚醯胺纖維。碳纖維對吸波結構具有特殊意義，近年來，國外對碳纖維作了大量改良工作，如改變碳纖維的橫截面形狀和大小，對碳纖維表面進行表面處理，從而改善碳纖維的電磁特性，以用於吸波結構。
美國空軍研究發現將PEEK、PEK和PPS抽拉的單絲製成復絲分別與碳纖維、陶瓷纖維等按一定比例交替混雜成紗束，編織成各種織物後再與PEEK或PPS製成複合材料，具有優良的吸收雷達波性能，又兼具有重量輕、強度大、韌性好等特點。據稱美國先進戰術戰鬥機(ATF)結構的50%將採用這一類結構吸波材料，材料牌號為APC(HTX)。
國外典型的產品有用於B-2飛機機身和機翼蒙皮的雷達吸波結構，其使用了非圓截面(三葉形、C形)碳纖維和蜂窩夾芯複合材料結構。在該結構中，吸波物質的密度從外向內遞增，並把多層透波蒙皮作面層，多層蒙皮與蜂窩芯之間嵌入電阻片，使雷達波照射在B-2的機身和機翼時，首先由多層透波蒙皮導入，進入的雷達在蜂窩芯內被吸收。該吸波材料的密度為0.032g/cm，蜂窩芯材在6-18GHz時，衰減達20dB；其它的產品如英國Plessey公司的"泡沫LA-1型"吸波結構以及在這一基礎上發展的LA-3、LA-4、LA-1沿長度方向厚度在3.8～7.6cm變化，厚12mm時重2.8kg/m2，用輕質聚氨酯泡沫構成，在4.6～30GHz內入射波衰減大於10dB；Plessey公司的另一產品K-RAM由含磁損填料的芳醯胺纖維組成，厚5～10mm，重7～15kg/m2，在2～18GHz衰減大於7dB。美國Emerson公司的Eccosorb CR和Eccosorb MC系列有較好的吸波性，其中CR-114及CR-124已用於SRAM飛彈的水平安定面，密度為1.6～4.6kg/m2，耐熱180℃，彎曲強度1050kg/cm2，在工作頻帶內的衰減為20dB左右。日本防衛廳技術研究所與東麗株式會社研製的吸波結構，由吸波層(由碳纖維或矽化矽纖維與樹脂複合而成)、匹配層(由氧化鋯、氧化鋁、氮化矽或其它陶瓷製成)、反射層(由金屬、薄膜或碳纖維織物製成)構成，厚2mm，10GHz時復介電數為14-j24、樣品在7～17GHz內反射衰減>10dB。
雷達吸波塗料
雷達吸波塗料主要包括磁損性塗料、電損性塗料。
(1) 磁損性塗料
磁損性塗料主要由鐵氧體等磁性填料分散在介電聚合物中組成。這種塗層在低頻段內有較好的吸收性。美國Condictron公司的鐵氧體系列塗料，厚1mm，在2～10GHz內衰減達10～12dB，耐熱達500℃；Emerson公司的Eccosorb Coating 268E厚度1.27mm，重4.9kg/m2，在常用雷達頻段內(1～16GHz)有良好的衰減性能(10dB)。磁損型塗料的實際重量通常為8～16kg/m2，因而降低重量是亟待解決的重要問題。
(2) 電損性塗料
電損性塗料通常以各種形式的碳、SiC粉、金屬或鍍金屬纖維為吸收劑，以介電聚合物為粘接劑所組成。這種塗料重量較輕(一般可低於4kg/m2)，高頻吸收好，但厚度大，難以做到薄層寬頻吸收，尚未見純電損型塗層用於飛行器的報導。90年代美國Carnegie-Mellon大學發現了一系列非鐵氧體型高效吸收劑，主要是一些視黃基席夫鹼鹽聚合物，其線型多烯主鏈上含有連線二價基的雙鏈碳-氮結構，據稱塗層可使雷達反射降低80%，比重只有鐵氧體的1/10，有報導說這種塗層已用於B-2飛機。
紅外隱身材料
紅外探測是僅次於雷達探測用得較多的探測手段之一。 它通常是以被動式進行，利用目標發出的紅外線來發現、識別和跟蹤目標。紅外隱身材料作為熱紅外隱身材料中最重要的品種，因其堅固耐用、成本低廉、製造施工方便，且不受目標幾何形狀限制等優點一直受到各國的重視，是近年來發展最快的熱隱身材料，如美國陸軍裝備研究司令部、英國BTRRLC公司材料系統部、澳大利亞國防科技組織的材料研究室、德國PUSH GUNTER和瑞典巴拉居達公司均已開發了第二代產品，有些可兼容紅外、毫米波和可見光。近年來美國等西方國家在探索新型顏料和粘接劑等領域作了大量工作。新一代的熱隱身塗料大多採用熱紅外透明度。紅外隱身材料主要分為單一型和複合型兩種。
單一型紅外隱身材料
導電高聚物材料重量輕、材料組成可控性好且導電率變化範圍大，作為單一紅外隱身材料使用的前景十分樂觀，但由於其加工較困難且價格相當昂貴，除聚苯胺外尚無商品生產。E. R. Stein等人研究發現，導電聚合物聚吡咯在 1.0～2.0GHz 對電磁波的衰減達26dB。中科院化學所的萬梅香等人研製的導電高聚物塗層材料，當塗層厚度在10～15μm 時，一些導電高聚物在8～20μm 的範圍內的紅外發射率可小於0.4。
複合型紅外隱身材料
複合型紅外隱身材料主要有塗料型隱身材料、多層隱身材料和夾芯材料。
(1) 塗料型隱身材料
塗料型紅外隱身材料一般由粘合劑和填料兩部分組成。填料和粘合劑是影響紅外隱身性能的主要因素，相關研究大多針對熱隱身。
(2) 多層隱身材料
多層隱身材料中最常見的是塗敷型雙層材料。一般有微波吸收底層和紅外吸收面層組成。德國的 Boehne研製了一種雙層材料，底層有導電石墨、碳化硼等雷達吸收劑 ( 75%～85%) , Sb2O3 阻燃劑( 6%～8%) 和橡膠粘合劑( 7%～18%) 組成，面層含有在大氣視窗具有低發射率的顏料。國內研製出了面層為低發射率的紅外隱身材料，內層雷達隱身材料可用結構型和塗層型兩種吸波材料的雙層隱身材料。
(3) 夾芯材料
夾芯材料一般由面板和芯組成。面板一般為透波材料，芯為電磁損耗材料和紅外隱身材料。
納米複合隱身材料
納米複合隱身材料的隱身機理
由於納米材料的結構尺寸在納米數量級，物質的量子尺寸效應和表面效應等方面對材料性能有重要影響。隱身材料按其吸波機制可分為電損耗型與磁損耗型。電損耗型隱身材料包括SiC粉末、SiC纖維、金屬短纖維、鈦酸鋇陶瓷體、導電高聚物以及導電石墨粉等；磁損耗型隱身材料包括鐵氧體粉、羥基鐵粉、超細金屬粉或納米相材料等。下面分別以納米金屬粉體（如Fe、Ni等）與納米Si/C/N粉體為例，具體分析磁損耗型與電損耗型納米隱身材料的吸波機理。
金屬粉體（如Fe、Ni等）隨著顆粒尺寸的減小，特別是達到納米級後，電導率很低，材料的比飽和磁化強度下降，但磁化率和矯頑力急劇上升。其在細化過程中，處於表面的原子數越來越多，增大了納米材料的活性，因此在一定波段電磁波的輻射下，原子、電子運動加劇，促進磁化，使電磁能轉化為熱能，從而增加了材料的吸波性能。一般認為，其對電磁波能量的吸收由晶格電場熱振動引起的電子散射、雜質和晶格缺陷引起的電子散射以及電子與電子之間的相互作用三種效應來決定。
納米Si/C/N粉體的吸波機理與其結構密切相關。M.Suzuki等人對雷射誘導SiH4+C2H4+NH3氣相合成的納米Si/C/N粉體，提出Si（C）N固溶體結構模型。其理論認為，在納米Si/C/N粉體中固溶了N，存在Si（N）C固溶體，而這些判斷也得到了實驗的證實。固溶的N原子在SiC晶格中取代C原子的位置而形成帶電缺陷。在正常的SiC晶格中，每個碳原子與四個相鄰的矽原子以共價鍵連線，同樣每個矽原子也與周圍的四個碳原子形成共價鍵。當N原子取代C原子進入SiC後，由於N只有三價，只能與三個Si原子成鍵，而另外的一個Si原子將剩餘一個不能成鍵的價電子。由於原子的熱運動，這個電子可以在N原子周圍的四個Si原子上運動，從一個Si原子上跳躍到另一個Si原子上。在跳躍過程中要克服一定勢壘，但不能脫離這四個Si原子組成的小區域，因此，這個電子可以稱為“準自由電子”。在電磁場中，此“準自由電子”在小區域內的位置隨電磁場的方向而變化，導致電子位移。電子位移的馳豫是損耗電磁波能量的主要原因。帶電缺陷從一個平衡位置躍遷到另一個平衡位置，相當於電矩的轉向過程，在此過程中電矩因與周圍粒子發生碰撞而受阻，從而運動滯後於電場，出現強烈的極化馳豫。
納米複合隱身材料的複合新技術
運用複合技術對不同的吸波材料進行納米尺度上的複合可得到吸波性能大為提高的納米複合隱身材料。近年來，納米複合隱身材料的製備新技術發展十分迅速，新的複合技術主要包括以下幾種：
（b）以自放熱、自潔淨和高活性、亞穩結構產物為特點的自蔓延複合技術。
（c）以組分、結構及性能漸變為特點的梯度複合技術。
材料的性能與組織結構有密切關係。與其他類型的材料相比，複合材料的物相之間有更加明顯並成規律化的幾何排列與空間結構屬性，因此複合材料具有更加廣泛的結構可設計性。納米隱身複合材料因綜合了納米材料與複合材料兩者的優點而具有良好的對電磁波的吸收特性，已經成為材料學研究的熱點之一。
其它隱身材料
電路模擬隱身材料
該技術是在合適的基底材料上塗敷導電的薄窄條網路、十字形或更複雜的幾何圖形，或在複合材料內部埋入導電高分子材料形成電阻網路，實現阻抗匹配及損耗,，從而實現高效電磁波吸收。這種材料能在給定的體積範圍內產生高於較簡單類型吸波材料的性能。但對每一種套用， 都必須運用等效電路或二維周期介質論在計算機上進行特定的匹配設計，而且涉及計算比較麻煩。
手征隱身材料
紅外隱身柔性材料
這種材料是指以織物為中心開發的各種紅外隱身材料, 常常以高性能纖維織物為基礎。
紅外隱身服
美國特立屈公司( TeledyncIndustr ies Inc)設計出一種紅外隱身效果較好的隱身服，它由多層塗層織物複合加工而成。基布採用多孔尼龍網，並在表面鍍銀，再在基布上貼上具有不同紅外發射率的布條，布條的一端可以自由飄動，同時控制布條表面塗層面積的大小和形狀。這種隱身服可以與背景保持一致，從而保證人體的紅外特性難於被紅外探測器探測到。
研究前景展望
當前，武器裝備的發展呈現出“精確化、隱身化、信息化”的特點，世界各軍事強國均投入了大量財力物力發展隱身技術，從國內外當前研究熱點來看，隱身材料有如下幾個重點的發展方向。
1.實用化
為保障飛行器隱身性能，其所用隱身材料，特別是隱身塗層的施工、維護十分重要。如 B－2 隱身轟炸機早期所用隱身塗層，每飛行小時至少需要 50 h維護，維護效率低、成本高，大大影響了作戰效能。因此美國在研發和提高隱身材料性能的同時，對隱身材料的實用化也進行了大量研究，包括飛機用隱身塗層噴塗、修補、去除以及現場性能檢測等工藝技術。近年來，美國開發了一種由機器人噴塗的替代性高頻材料( AHFM) ，用於替代B－2上原先為填補飛機外表面缺陷所使用的 3 000 多英尺吸波帶( 如維護口蓋附近的吸波帶) ，從而極大地簡化了B－2的維護工作，使維護時間從數天減至數小時。
2.輕質化
降低質量可以增加飛行器射程和提高有效載荷，相對於其他武器裝備而言，質量輕量化對於飛行器而言意義更為重大，因此輕質隱身材料一直是其發展的主題和重點。
3.多頻譜
戰場探測系統的多頻段性對隱身材料提出了多頻段兼容的要求。從 20 世紀 80 年代以來，國外就開展
這方面的研究，並陸續取得了一些成果。據報導，F－ 117A 採用了一種加有改性碳分子的塗層，不僅可以
吸波，還能抑制 3 ～ 5 μm 及 8 ～ 12 μm 紅外波的輻射；美國已在其戰略飛彈彈頭上採用了雷達/紅外多頻譜
隱身材料，用於彈頭的中段和再入初期隱；俄羅斯的“白楊 － M”彈頭採用了吸收雷達波和降低紅外特徵的
材料，實現了雷達隱身與紅外隱身一體化。
這方面的研究，並陸續取得了一些成果。據報導，F－ 117A 採用了一種加有改性碳分子的塗層，不僅可以
吸波，還能抑制 3 ～ 5 μm 及 8 ～ 12 μm 紅外波的輻射；美國已在其戰略飛彈彈頭上採用了雷達/紅外多頻譜
隱身材料，用於彈頭的中段和再入初期隱；俄羅斯的“白楊 － M”彈頭採用了吸收雷達波和降低紅外特徵的
材料，實現了雷達隱身與紅外隱身一體化。
4.多功能
戰場環境複雜多變，武器系統除面臨探測威脅外，還可能面臨各種高溫、核等惡劣環境。因此，對單一隱身塗層提出了多功能的要求，如隱身－防熱、隱身－抗核加固、隱身－抗雷射加固等。國外的多功能材料研究始於 20 世紀 70 年代，如美國研究了防熱、隱身、抗核一體化的功能防熱材料，近年來的國際交流中也發現俄方在多功能隱身材料上開展了很多的研究工作，並已在彈頭上得到套用。
5.智慧型化
智慧型隱身材料是新一代的隱身材料技術，具有感知、信息處理，自我指令並對環境信號作出最佳回響的功能，為實現武器系統的智慧型隱身提供了可能，具有重大的軍事套用價值。
6.耐高溫
超聲速巡航飛行器飛行過程中，彈體外表面熱平衡溫度達到 600℃以上，用於彈體外表面的隱身材料必須具有耐高溫、防熱、隔熱功能，因此研製耐高溫隱身材料尤為重要和急迫，也是後續飛行器隱身材料發展的主要方向之一。
