吸波隱形材料

隱身技術是現代戰爭致勝的關鍵之一，使用吸波隱形材料可以在幾乎不影響飛行器氣動和強度性能的情況下減縮其雷達散射面積，特別適用於一些無法或難以採取外形措施的部件，如彈翼、機翼前緣部位等。

鐵氧體、金屬微粉、欽酸鋇、碳化矽、石墨、導電纖維等均為傳統吸波材料，它們通常都存在吸收頻帶窄、密度大等缺點。新型吸波材料包括納米材料、金屬纖維材料、“手征”材料、導電高聚物及電路模擬吸波材料等，它們具有不同於傳統吸波材料新型的吸波機制。

基本介紹

• 中文名：吸波隱形材料
• 外文名：absorbing stealth material
• 作用：減縮雷達散射面積
• 套用：飛行器隱身
• 吸波材料分類：阻抗匹配型和諧振型
• 吸波劑：鐵氧體、導電高聚物、手征材料等

簡介

雷達隱身技術是現代戰爭中必不可少的電子對抗技術。海灣戰爭、北約襲擊南聯盟等表明，隱身技術己成為現代戰爭致勝的關鍵之一。飛行器(飛機、飛彈)隱身的技術途徑主要有兩條：一是通過外形設計降低飛行器的雷達散射截面積RCS(Radar CrossSection)；二是飛行器套用吸收雷達波的材料，即雷達吸波材料RAM (Radar Absorption Material)，它是利用吸收劑與電磁能的相互作用而達到損耗電磁能的目的。外形隱身技術可以在不增加飛行器重量的情況下減小其RCS，而且在很寬的頻帶內有效，但隨之出現的問題是氣動性能的變化〔一般是變壞)和強度的降低。而使用RAM可以在幾乎不影響飛行器氣動和強度性能的情況下減縮其RCS，特別適用於一些無法或難以採取外形措施的部件，如彈翼、機翼前緣部位等，所以研究和開發高性能的雷達吸波材料成為各國軍事技術領域中的一個重大課題。

發展歷史

電磁波吸收的研究始於20世紀30年代，荷蘭人研發出第一種吸波材料。這種吸波材料以高損耗的炭黑和高介電常數的二氧化鈦作為介質，使得吸波材料有較小的厚度。

二戰期間(1935-1945年)，德國研發出用於潛艇隱身的"Wesch”材料，它由約0.3英寸的橡膠基羧基鐵複合板構成。由於表面具有格紋結構，因此這種材料能夠吸收較寬頻段的電磁波。此外，德國人還發明了由多層電阻片和介電材料層交替疊置構成的Jaumann層吸波材料。該材料能夠在雷達波段實現-20 dB的反射率。隨後，美國人Salisbury W. W.發明了λ/4諧振吸收屏，其在共振頻率處能夠增寬25%的吸收頻寬，該結構被命名為Salisbury屏。

20世紀50年代，Sponge公司商業化生產了“Spongex"雷達吸波材料，當把這種材料製成2英寸厚時，在2.4~10GHz的反射率能達到-20 dB此外，Severin和Meyer開始研究電路模擬吸波材料，通過實驗研究了電路環、薄片、偶極子等載入的吸波材料。這也是頻率選擇表面(FSS)吸波材料研究的起源。

20世紀80年代至今，隨著計算機技術的發展，吸波材料進入了精密最佳化設計階段。根據材料的電磁參數，可以通過計算機輔助設計技術計算出在給定厚度、頻率下的吸波性能，同時對吸波材料進行最佳化。例如，用遺傳算法、有限元法、FDTD等技術來最佳化Jaumann層結構。導電聚合物基複合材料和手性材料也逐漸用於吸波材料領域，並用有效介質理論來計算這些新材料的復介電常數和復磁導率。

結構類型及設計

按照雷達吸波材料的吸收機理，可以將其分為阻抗匹配型和諧振型兩類吸波材料。

阻抗匹配型吸波材料

錐體形吸波材料

錐體形吸波材料是典型的結構型吸波材料，材料的錐體結構使阻抗從空氣到吸波材料底端有一個漸變的過程，但是其缺點是厚度大且容易碎裂。經過合理的設計和改進，這種吸波材料被廣泛套用於微波暗室等領域。

椎體吸波器

匹配層吸波材料

匹配層吸波材料以錐形吸波材料為基礎，能在不影響吸波效果的情況下減少材料的厚度。這種吸波材料是在入射與吸收之間設定一個阻抗匹配層。阻抗匹配層的阻抗值介於空氣和吸收層之間。當匹配層的厚度為λ/4時，匹配效果最為明顯。

諧振型吸波材料

諧振型吸波材料是利用干涉原理來降低電磁波的反射，也稱為λ/4吸波材料，包括Dallenbach層、Salisbury屏和Iaumann層。這類材料的阻抗與空氣並不匹配，並且材料對厚度有一定要求，因此並不能完全吸收所有的電磁能。

Dallenbach層吸波材料

Dallenbach層吸波結構由在導電板前放置的均勻有耗介質層構成。研究發現，單層的Dallenbach結構無法得到寬頻的吸波材料，因此，人們採用多層結構拓寬它的吸收頻段Mayer F.用兩層或多層吸收層增加吸收頻寬，第一層為吸波材料與空氣界面處的鐵氧體層，第二層為含有金屬的短纖維層。通過拉格朗日方法可以最佳化多層Dallenbach吸波材料，該方法已經被用來設計錐體形和λ/4吸波器”。

Dallenbach層

Salisbury屏吸波材料

Salisbury屏是將合適阻抗的電阻屏置於金屬背底反射面的λ/4處，形成諧振型吸波結構。這種結構可以使從金屬背底和阻抗層反射的電磁波相位相反，從而實現“零反射”。

Salisbury屏的吸波性能與吸波體的厚度、介質層的介電常數相關。吸波體的厚度和介電常數增大會導致電長度增加，使吸收峰向低頻移動，實現低頻強吸收。由Salisbury屏的結構可知，純電損耗型材料的電阻膜應置於最大電場處，即距金屬表面λ/4處；而磁損耗型材料則置於最大磁場處，即金屬表面為最好。由於電損耗屏必須置於金屬面上方λ/4處，這就導致吸波結構比較厚，所以這種結構只能適用於不限制材料尺寸的場合。另外，Salisbury屏對諧振頻率外的電磁波不能實現“零反射”，吸波頻率的頻寬較窄。導電聚合物也可作為吸波材料來設計製備Salisbury屏，並用光學傳輸矩陣法來研究其吸波性能。

Salisbury屏

Jaumamn層吸波材料

在Salisbury屏的基礎上，通過增加電屏薄片和隔離層的數量來改善吸收頻寬，由此發展出了新的吸波材料，被稱為Jaumann吸波材料。

具有不同電磁特性的各層材料可以各種算法最佳化設計組合得到阻抗合適、性能較好的吸波材料。通過分析研究阻抗匹配特性，發現介質層遞變組合可滿足阻抗匹配條件，同時引入容抗和感抗等電抗因素能更好地改善其厚度頻寬比特性，也可採用遞變介質阻抗結構來滿足介質層阻抗連續變化的同時損耗增大的特性，進而實現結構吸波材料在較寬頻段的諧振吸收。

Jaumamn層

多層Jaumann層吸波材料的內部結構由低損耗介質隔開。一個6層Jaumann層吸波材料在7~15GHz反射率可達-30 dB。J. K. Nortier等利用等效傳輸線理論研究了7層電阻片Jaumann型吸波體，結果表明該結構具有理想的吸收寬頻。

吸收劑

吸波材料的研究早在二戰期間在美國和德國就已開始，發展至今已有十多種。吸波材料的吸波性能取決於吸收劑的損耗吸收能力，因此吸收劑的研究一直是吸波材料的研究重點。目前最受重視的吸收劑主要有:

鐵氧體系列吸收劑

鐵氧體系列吸收劑包括鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體和鋇系鐵氧體等，是發展最早、套用最廣的吸收劑。由於強烈的鐵磁共振吸收和磁導率的頻散效應，鐵氧體吸波材料具有吸收強、吸收頻頻寬的特點，被廣泛用於隱身領域，如美國的SR-1高空偵察機上就使用了鐵氧體吸波塗層。目前鐵氧體材料仍是研製薄層寬頻吸波材料的主體。主要有六角晶系鐵氧體和尖晶石型鐵氧體。鐵氧體材料在高頻下具有較高的磁導率，且其電阻率亦高，電磁波易於進入並得到有效的衰減。近年來對片狀六角鐵氧體研究較多。但鐵氧體系列吸收劑比重大且高頻性並不十分理想。

多晶鐵纖維繫列吸收劑

多晶鐵纖維繫列包括鐵纖維、鎳纖維、鑽纖維及其合金纖維。多晶鐵纖維以其獨特的形狀特徵和複合損耗機理〔磁損耗和介電損耗)而具有重量輕、頻頻寬的優點。調節纖維的長度、直徑及排列方式，可容易地調節吸波塗層的電磁參數。多晶鐵纖維在微波低頻段的吸波性能尤為突出。另外，在吸波塗層中如果加入其他導電纖維，如銅纖維、碳纖維等，通過與入射電磁場的相互作用，引起能量的吸收和輻射，可以“放大’，吸收劑的功能，降低塗層厚度與重量，可拓寬吸收頻帶。

導電高聚物

導電高聚物吸波材料是利用某些具有共軛電子的高分子聚合物的線形或平面形構型與高分子電荷轉移絡合物作用，設計其導電結構，實現阻抗匹配和電磁損耗，從而吸收雷達波。其電導率可在絕緣體、半導體和金屬態範圍內變化，電磁參數依賴於高聚物的主鏈結構、室溫電導率、摻雜劑性質、微觀形貌等因素。由於導電高聚物吸波材料具有結構多樣化、密度低和獨特的物理、化學特性，近10年來得到了快速的發展。將導電高聚物與無機磁損耗物質複合可開發出新型輕質寬頻吸波材料。

手征性材料

研究表明，手征性材料能夠減少入射電磁波的反射並能吸收電磁波。手征性材料在實際套用中主要可分為本徵手征性材料和結構手征性材料，前者自身的幾何形狀就使其成為手征性物體，後者是通過其各向異性的不同部分與其它部分形成一定角度關係而產生手征行為使其成為手征性材料。手征性材料與一般吸波材料相比，具有吸波頻率高、吸收頻頻寬的優點，並可通過調節旋波參量來改善吸波特性。在提高吸波性能、擴展吸波頻寬方面具有很大潛能。目前製造手征性吸波材料的方法是在普通介質中加入大小合適並具有手征性的微體。手征性材料的研究是當前的一個熱門領域，一旦手征性材料實用化，隱身技術將提高到一個新的水平。

磁性金屬納米粒子吸收劑

這種材料具有強烈的表面效應，在電磁場輻射下原子、電子運動加劇，促使磁化，使電磁能轉化為熱能，從而可以很好地吸收電磁波，因而可用於毫米波隱身及可見光-紅外隱身。1991年海灣戰爭中，使美軍出盡風頭的F-117A型戰鬥機，機身表面塗覆了能吸收紅外與微波的多種超微粒子，特別是納米粒子，它們對不同波段的電磁波有強烈的吸收能力，因而具有優異的寬頻帶微波吸收能力，可以逃避雷達的監視。其吸波原理一方面由於納米微粒尺寸遠小於紅外及雷達波波長，因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規材料要強得多，這就大大減少了波的反射率，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規粗粉大3~4個數量級，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規材料大得多，這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大為降低，因此很難發現被探測目標，起到了隱身作用。

F-117A