隐身材料的研究发展
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材料导报
20年 1 07月第 2卷第 1 1期
红外/达兼容隐身材料的研究进展雷马成勇,海峰,程唐耿平,谢炜(国防科技大学新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室,长沙 40 7) 103摘要关键词
阐述了实现红外与雷达隐身兼容的技术途径,综述了导电高聚物、纳米材料、杂氧化物半导体和复合掺红外/雷达兼容隐身材料导电高聚物纳米材料掺杂氧化物半导体多波段隐身材料
型多波段隐身材料等红外/雷达兼容隐身材料的隐身原理和研宄现状,并指出了红外/雷达兼容隐身材料的发展趋势。
R sac rges nIfae R d r o ail Sel t il eerhP o rs i rrd/ a a mp t e ta hMae as n C b t rM A e g o g Ch n y n,CHENG i n Haf g,TANG n pn, E e e Ge g i g XI W i( y L b o v l rm i Fie sa dC mp sts Na in l nv ri fDee s c n lg,Ch n s a4 0 7 ) Ke a fNo e a c b r n o o i t a iest o fn eTe h oo y Ce e o U y a g h 1 0 3
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Ab t a t s r c
A p o c e frai n h o aiit fif r d a d r d rs at e c i d i hsp p r p r a h s o e l i te c mp t l y o r e n a a t l i d s r e t i a e. zg bi n a e h s b n
T esel ca i a dpee t i aino e ea if rd rd r o ail sel tr l,sc scn u t g h t t mehns n rsn t t fsvr1nr e/a a mp t e ta hmaei s u ha o d ci ah m su o a c b t a no y r,n n - e il,d p d o iesmio d co sa dc mp i mu t p cr l e l mae il r lo rve d p lme s a om tras o e xd e c n u tr n o o st li e ta tat trasa eas e iwe a e s s h
i e i ial, h ee p n rn fnrrd rd r o ail sel t i s s ru h
r ad nd t l n l tedv l me t edo fae/a a mp t e t t mae a o g t ow r. a .F y o t i c b ah r lib f Ke r s ywo d if rd rd r o ail tat aeil,cn ut g p l r,nn ̄ tr l,d p do d nr e/a a mpt esel m tr s o d c n y s a om eis o e x e a c b h a i o me a a i
s mio d co s e c n u tr。muts e ta tat tras l p crlse l m eil i ha
0引言在现代高技术条件下的战争中,战场环境变得越来越恶劣复杂。各种类型的雷达、红外等先进探测器以及精确制导武器的问世,对各类装备构成了严重的威胁。为了提高武器装备的生存能力和战斗力,提高作战效能,世界各军事大国都在大力发展隐身材料技术。随着隐身与反隐身技术的不断进步,代战现
定频率范围内( 8 1G z对电磁波强烈地吸收,如~ 8H)理想的情
况是全吸收,即反射系数为零。而红外隐身材料则要求低吸收、 高发射,其常用的金属材料发射率很高。对雷达隐身是致命但的[。 6]
由 Kr hf定律可知, ih o c f对不透明的材料有e R=l+
场上的探测多样性以及复合探测制导技术飞速发展,隐身材料向着雷达波、红外、可见光、声波等多波段复合隐身的方向发展。 雷达与红外是两种最普通和最主要的军事探测和制导技术,红外/雷达兼容隐身材料在多功能隐身材料的研制中开展最早、报道最多,是隐身材料的一个研究热点L。红外和雷达这 1]两个隐身波段对材料的电磁特性要求是不同的,甚至是矛盾的, g b雷达兼容隐身材料也是隐身领域的技术攻关难点之一啪。 r/ a
其中:为发射率, e R为反射率。因此 e R必然就大;小,反之亦然。尽管如此,由于 e R都是波长的函数且红外波与雷达波和的波长相差较大,找到雷达波段反射率 R小,而热红外波段反
射率 R大、发射率 s小的材料是有可能的。即研制一种材料,使其具有微波高吸收、热红外低辐射的性能,同时具备可见光和近红外的伪装性能,该途径是采用单一型材料实现红外隐身与雷达隐身的兼容。 从原理上看,实现红外隐身和雷达隐身兼容的另一种途径
分别研制高性
能微波吸收材料和热红外低辐射材料,然后将经过国内外众多学者几十年的探索,已经有部分复合型红外/雷是:二者复合,复合后其微波吸收性能和热红外低辐射性能仍然保达兼容隐身材料研制成功并投入使用,并且发现有些材料作为一
体化红外/雷达兼容隐身材料的前景十分乐观。本文从实现
持不变或变化不大。 j
红外与雷达隐身兼容的技术途径,几种红外/雷达兼容隐身材料的隐身原理和研究现状等方面进行了阐述。
2红外/雷达兼容隐身材料目国内外研制的红外/前雷达兼容隐身材料很多,中有望其
1实现红外与雷达隐身兼容的途径
通过途径一实现红外和雷达隐身兼容的单一型材料主要有导电 纳米材料和掺杂氧化物半导体等,通过后一种途径实现物质对电磁波的吸收、反射、散射等特性随电磁波的频率不高聚物、红外和雷达隐身兼容的多层复合材料已经投入使用。面概括下同而变化,因而不同隐身波段对目标的电磁特性要求是不同的, 对于雷达隐身和红外隐身甚至是矛盾的。雷达吸波材料的作用介绍它们的隐身原理与研究现状。
是尽可能多地吸收雷达辐射的电磁波,并将其转化为热能。材 2 1导电高聚物 .料的吸波能力越强,隐身性能越好,但材料的表面温度也就随之
聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩等导电高聚物作为一类新型的隐身材料,具有密度小、可分子设计、结构多样化、电磁参量
越高,而这不利于红外隐身;另一方面,雷达吸波材料要求在一
马成勇:,9 1生,男 18年主要从事隐身材料的研究 Te;7 14 7 4 0 Em i mc 20@13 cr l 3—5 64 - l y 0 8 6 .o 0 a . n
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红外/雷达兼容隐身材料的研究进展/马成勇等
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其在 5MH ̄5G z 0 z 0 H频率范围内具有良好的吸波可调、易复合加工以及独特的物理、化学特性等优点,受到广泛材料构成,性能。沈曾民掣 研究的镀镍碳纳米管涂层,]厚度为 09r .7 m a的关注。 导电高聚物的室温电导率可在金属态、半导体和绝缘体范围内变化[ 1 91 ̄]有研究表明:当导电高聚物处于半导体状态时对电磁波有较好的吸收。其机理类似电损耗型吸收剂,在一定时在 8 1G z频率范围内反射率小于~ 1d~ 8H 0 B的带宽为 22G z任卫等采用粉体的化学包
覆技术制备出具有一定 .3 H。
雷迭吸波性能与低红外发射率的粉体,所研制的材料体系具有雷达波双重隐身的功能世界军事发达国家正在研的电导率范围内最小反射率随着电导率的增大而减小。导电聚针对红外、合物由于具有大共轭结构,表现出了高的介电常数与介电损究覆盖可见光、红外、厘米波和毫米波等波段的纳米复合隐身材耗。导电高聚物的吸波性能依赖于其主链结构、室温电导率、掺杂剂性质、掺杂程度、涂层厚度及涂层的结构等口单一 的导电高聚物吸波频带较窄,可以将导电高聚物与无机磁损耗物质复合,提高导电高聚物的磁损耗性能使其兼具电损耗与磁损耗,以展宽吸收频带。 导电高聚物由于其较高的电导率,具有一定的金属相似性, 显示出了独特的红外吸收与红外反射特性[ 1引。导电聚合物的
料。一些经济发达的国家已使用具有红外吸收功能的纤维制成军服。该纤维对人体发射的中红外线(波长为 4 p有很好 ̄6. m)的屏蔽作用,其原因是在纤维中添加了纳米 Az 3F2 3 l、e、 0 O s 2T0的复合粉体[ i、 i2 0 2。纳米隐身材料的研究主要将在以下几个方面进行:金纳米
属与合金吸收剂(如纳米铁、纳米镍、纳米钴及其合金)纳米氧}化物;纳米 S i C及纳米铁氧体、纳米石墨;纳米 s c N和纳米 i//S C N O; ̄//纳米氮化物和纳米导电聚合物等。/
红外发射率远比普通聚合物低得多,这使得该类材料有可能成为一种红外与微波兼容的隐身材料[通过多层设计, 1,可以获得轻质、宽频、多频谱隐身的功能[ 1。导电高聚物作为一体化红外/雷达兼容隐身材料的前景十分乐观,目但前导电高聚物隐身材料尚处于实验室研究阶段。 其实用化是一个系统工程,它不仅涉及导电高聚物本身的基础理论研究的广度与深度,而且还必须解决应用中所涉及的技术工艺等问题。为了实现导电高聚物技术上的应用,有两个方面的问题亟待解决[q改善导电高聚物的加工性能{ :改善其稳定性,拓宽使用温度范围。
23掺杂氧化物半导体 .金属填料虽然具有良好的红外反射特性,但是其不利于雷达隐身和可见光伪装。2世纪 8年代中后期兴起的对新型掺 O O
杂半导体材料的研究,为研制一体化的红外/雷达复合隐身涂料提供了一个新的方向。 根据半导体
连续光谱理论,见光和红外波在半导体中的可
传播特性与等离子频率 c有关: o p| N
2 2纳米材料 .自 2世纪 8年代中期以来,米材料的开发一直是材料 O O纳科学领域的研究热点之一 _在隐身材料方面纳米材料也有着 2,较好的发展前景。
或由波长表示:
式中:电子的有效质量,为真空介电常数,为载流子浓 m为 c 0 N
金属、金属氧化物以及某些非金属材料的纳米级超细微粉在细化过程中处于表面的原子越来越多,纳米材料的活性不使
度,为电子电荷,为光速。半导体的等离子频率主要取决 e c于它的载流子浓度 N。载流子浓度可以通过掺杂进行控制。 当N=I。 m ≈1, O c -时, 1掺杂半导体对可见光将有很高的 透过率,对中远红外具有高的反射率。因此这种材料不仅可以满足中远红外的隐身要求,而且还满足可见光隐身的要求,即低
断提高。在微波的作用下,材料的原子和电子运动加剧,促使磁化,使电磁能转化为热能,了对电磁波的吸收;增加纳米微粒尺寸小,比表面积大,界面极化与多重散射成为纳米材料重要的吸
波机制}量子尺寸效应使得纳米粒子的电子能级分裂,能级间隔正处于微波的能量范围(O~ 1 e )为纳米材料创造了 1 O V内, 新的吸波通道。纳米粉体具有吸收峰的等离子共振频移,这与量子尺寸有关,随着量子尺寸的变化而变化[ 2。因此可以通过改变量子尺寸控制吸收边的位移,调节吸收频带的带宽。纳米材料同时还具有可见光、红外隐身作用由于纳米微粒尺寸远 小于红外波的波长,纳米材料对红外波的透过率比常规材料要强得多,大大减少了红外波的反射,使红外探测器接收到的反射
的反射率和低的太阳能吸收系数瞳 引。根据 Hua ues论,导体材料对电磁波的反射特 gmR bn理半性为:R一 1一
其中:叫为人射电磁波的频率,为半导体的直流电导率, 它由下式决定:Ne r
信号很微弱,从而达到隐身作用;另一方面,纳米微粒大的比表 r O e -不变, a r 面积使其对红外线的吸收也比常规材料强得多,降低了红外探其中;为载流子的平均自由时间。保持 N:1。 r 2 O1时,=8 m的毫米波反射率均为 04,×l- s对A m。 . 5进一步降测器接收到的反射信号
强度值还可以降低对雷达波的反射,因此掺杂半导体还具有雷纳米隐身材料具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽、兼容性好低 r等特点加入纳米材料的隐身涂料与常规涂料相比,具有吸波能力强、密度小、可实现薄层涂装的优点,还具有高的力学性能、 良好的环境稳定性和理化性能]。美、法、日等国家都俄、德、达波隐身性能[]如。 常见的掺杂半导体材料有掺锡氧化铟 ( O、 I )掺铝氧化锌 T (A )。国内外对 IO膜与陶瓷的光电性能研究较多。 Z O等 T而对
将纳米材料作为新一代隐身材料加以探索和研究。美国研制出的“超黑粉”米材料对雷达波吸收率达到 9纳 9法国最近研
于以I O粉末作为填料的涂料的隐身性能研究较少[ T 3。马格林等 弛从红外隐身和雷达隐身原理及电磁波在半导体表面层吸收和反射的机理出发,从理论上分析了掺杂氧化物半导体同
制成功一种宽频吸波涂层,该涂层由粘结剂和纳米级微屑填充
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时实现红外和雷达隐身的可能性,并指出 I O、 AO等掺杂氧 T Z
化物半导体可以满足红外和雷达复合隐身的要求, Z O将是而 A最有发展前景的。Z AO不仅具有可与 I O比拟的电学和光学 T
3结语随着微电子技术、电对抗技术的不断发展,光单一功能的隐
特性,而且具有储量丰富、制备简单并易于掺杂、成本较低、无
毒、热稳定性好等优点,但其性能稳定性稍差,重复性不大理想,这些问题在今后的研究过程中必将逐步得到解决[,] 33。 34
身材料已难以满足实战的需要,多波段兼容隐身材料已成为隐身材料研究的发展方向。红外与雷达隐身兼容是军事目隐身标领域的战略、战术与战斗的需要,隐身材料技术研究的深入也是
24复合型多波段隐身材料 .为了实现雷达与可见光、红外复合隐身,人们首先想到的是分层涂覆_ 3。从隐身的总体效果考虑,应该先涂覆雷达吸波涂料,外面再涂以可见光、红外隐身涂料[。D inoh提出的一 6 e ert] s种由反热红外探测的面漆加反雷达探测的底漆构成的隐身材料
与拓展。红J/ '雷达兼容隐身材料的研究在我国起步较晚, b但逐渐呈现出较好的发展趋势,正处于由实验室研究向
实际应用过渡的阶段。多层复合隐身材料仍将在一段时期内被广泛应用,同时红外与雷达隐身兼容的一体化材料正在积极研究中。在针
对红外、雷达探测手段深入分析其隐身机理的基础上,通过研制雷就是一个简单而典型的例子。红外/雷达兼容隐身涂层的结构新材料和进行综合设计将使红外/达兼容隐身材料不断朝着薄轻宽强” 如图 1所示。谢国华L探索了红外低辐射隐身涂料与雷达波吸“、、、的方向发展。 8]收材料的相容性。研究表明,两种材料复合后,雷达波吸收性能
基本保持不变,只是随红外隐身涂层厚度增加谐振峰向低频平移。可通过调整材料的厚度来解决;这同时也能保证原涂层的红
参考文献
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图 1红外/ 霄达兼容隐身涂层Fg 1 If e,aa o ail s at ot s i nhrd rd r mp t e t l ca ̄ , c b e h
9 MaDami A G, pti .S c
n ayd pn oyn c i d E se A J eo d r o i i p la— r n gn
2世纪 8年代以来, O O国外出现了不少兼容多频段的隐身材料专利,常是采用多层复合的方法,可见光一通集近红外一热红
i e J. y t t tl 19,98 l ] S nh iMe s 956:5 i E n ec a, 1王东周, O李光,江建明.导电高分子研究概述[合成技术刀.及应用,0 1 6 3:6 2 0,1 () 31 X e H Q, M, u s e c n a yd pn h n me a 1 i MaY G oJ .S o d r o i p e o n g
外一雷达波隐身功能于一体[q 3。目前第二炮兵装备研究院、 国防科技大学、军械工程学院等已分别研制了多波段伪装遮障,采用可见光、红外、雷达兼容隐身设计技术,实现了多波段隐
o to odcv o ai e o ps e[ .ytec t fw n ut e l n i m ois J S ht— c i py l c n t] n iMeas 2 0, 2 4 l, 0 1 1 3: 7 1 Ko l 2 u S,Ch n r a d a R,Dh wa a n S K. C n u t g p la ine o d ci y nl n o i
身L 4。由面板和芯材组成的夹芯材料也是一种极具潜力的红外/雷达兼容隐身材料。面板一般为透波材料,芯材为电磁损耗材料和红外隐身材料。美国专利__ 4中报道的一种夹芯材料, l由 2个透明面板、个导电层和 l 1层近红外隐身膜组成。导电层和近红外隐身膜介于两透明面板之间组成芯层。夹芯材料一般较厚,具有承载和隐身的双重功能,但其且易于制成各种外形,还
cmp s efrE D ad E tI 1 Hz J. oy r m— o oi o S n MIa O G ] P lme t r o Cmu 2 0 4 m, 0 0。 1:9 0 35
1 Ch n rsk a 3 a d a e h r P, Nas a h m ih d a K. B o d a d r a b n mirwa e co v
asrtnadsid gpoets f o (n i ) J. bopi h ln rpre o pl ai e E] o n ei i a y l nS t ei M eas 1 9, 0: 1 n y h t tl, 9 9 1 5 1 5 c 1 Le Y,Ki H,e
1 4 eC m M ta.AC lcrc l r p riso o— ee tia o e t fc n p e
可以与隐身涂层配合使用。此外,还有薄膜形式的多层复合材料,由 7它层膜组成。这种复合膜外层具有频率选择性(在红外波段具有高反射,在雷达波段具有高透射,它们提供与背景协调的红外辐射,同时透过微波辐射)以下依次为雷达吸收层、强织物热屏蔽层。该材料,增第三层是带网格图案的导电溅射薄膜或金属网格,网格图案一
jgtdp lmesa dtert a ihf q e c ea i f u ae oy r n hoei l g-r u n yb hvo o c h e r
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料[]宇航材料工艺。 91()2 J. 19,6:61 YunT S ta nrrd rf ci f o d cigp !a i 6 a ,e 1 f e el t no n ut yn— .I a e o c n o
le l e cai ]P l e T sn,022: 1 i y r ot g- .oy r etg 20, 6 np m n I o J m i 1 41 M ia a , Ho hn . A efs p o t g g lp a tm 7 y k wa M s ia s s l u p ri e h n o - n
般为正方形或长方形。金属薄膜间涂有聚乙烯膜以防止膜层间 电导通。使用时将其做成叶片附在伪装网上,来保护指挥中用心和停放的飞机等[ 2。
u e rvsai t n a d o aue n ftetred— sdf i lai n/ rmesrme to h he_i o u z o
m ni a d t bt n f A ]IE, 0 2261 es nl i r ui RI .E E 20,:7 o si o o S - J
(下转第 1 2页) 3
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材料导报间呈现出左手螺旋法则。20年美国加州大学圣迭戈分校的 01
20年 1 07月第 2卷第 1 1期
DR S i . mt h等利用周期性排布的细铜导线和开口谐振环首次制造出在微波波段同时具有负介电常数、负磁导率的人工复合媒质,并在实验中观测到了负折射现象[ 1 06 5 2。2
0年月 5日,英国皇家学院 JB Pn r与 n R S i . edy m t Si c杂志上发 h在 cne e表论文称 1个月内就能研制出这种特殊的人造材料, 8并很快能制造出隐形斗篷。由此可以预测,氧体与这种左手 Mea -铁 tma
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D lnah aebc l
(责任编辑、
张
明)
(上接第 18页) 21 F nJ H,W a X,Z u D 8 a n M h B E e ti la d m g ei l r a n a n t c c cp o e t s o wae-o u l o d ci o y nl e e ia r p ri f t rs lbe c n u t e g n p la in d rv— i
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张
明)