隱身材料.doc

隱身材料0 前言1 雷達(dá)隱身材料1.1 涂敷型吸波材料1.2 結(jié)構(gòu)型吸波材料2 紅外隱身材料2.1 控制比輻射率2.2 控制溫度3 激光隱身材料 3.1 激光隱身原理3.2 激光隱身材料技術(shù)3.3 激光隱身材料的發(fā)展4 多波段復(fù)合兼容隱身材料4.1 雷達(dá)/ 紅外兼容隱身材料4.2 紅外/ 激光兼容隱身材料4.3 雷達(dá)/ 激光兼容隱身材料4.4 雷達(dá)/ 紅外/ 激光兼容隱身材料5 隱身材料發(fā)展前沿5.1 納米隱身材料5.1.1 納米材料的特性5.1.2 納米復(fù)合隱身材料的隱身機(jī)理5.1.3 納米復(fù)合隱身材料的復(fù)合新技術(shù)5.2 智能隱身材料5.2.1 可見光智能隱身材料5.2.2 紅外智能隱身材料5.2.3 智能蒙皮5.2.4 智能隱身材料的發(fā)展趨勢(shì)6 展望0 前言2011年1月11日，中國殲20隱形戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行首次升空試飛，受到世界關(guān)注，也引起了人們對(duì)隱身技術(shù)的興趣。隨著現(xiàn)代各種光電磁探測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展,傳統(tǒng)的作戰(zhàn)武器所受到的威脅越來越嚴(yán)重。絕大多數(shù)重型武器（飛機(jī)、坦克、火炮、軍艦、導(dǎo)彈、航天器）主要是金屬裝置，最易被各種光電磁熱探測(cè)，隱身技術(shù)作為提高武器系統(tǒng)生存、突防,尤其是縱深打擊能力的有效手段,已經(jīng)成為海、陸、空立體化現(xiàn)代戰(zhàn)爭中最重要、最有效的突防戰(zhàn)術(shù)技術(shù)手段,材料的隱身手段顯得尤為重要，并受到世界各國的高度重視。世界各軍事強(qiáng)國都在積極發(fā)展隱身技術(shù), 隱身兵器發(fā)展計(jì)劃推陳出新, 新一代隱身兵器不斷涌現(xiàn)。美國的隱身技術(shù)發(fā)展較快, 目前居世界領(lǐng)先地位, 其中F-117A、B-2、F-22等隱身飛機(jī)代表著當(dāng)今世界隱身兵器先進(jìn)水平; 正在研制的一大批隱身武器, 如聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)、M計(jì)劃 (旨在提高海軍艦艇隱身性能的秘密計(jì)劃)、AGM-137三軍防區(qū)外隱身攻擊導(dǎo)彈等都將具備良好的隱身性能。俄羅斯早在1984年開始研制的米格1.42多用途隱身戰(zhàn)斗機(jī)(MFI)可與美國的F-22相媲美, 1.44隱身戰(zhàn)斗機(jī)優(yōu)于F-22, LFI和S-54 與美國的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)( JSF)相當(dāng)。另外, 法國、德國、日本、意大利等都有各自研制隱身武器的秘密計(jì)劃, 武器種類包括攻擊機(jī)、裝甲戰(zhàn)車、軍艦、高超音速攻擊導(dǎo)彈、無人航天器等。印度也應(yīng)用隱身涂料改進(jìn)現(xiàn)役戰(zhàn)斗機(jī), 制出一種隱身靶機(jī)。隱身化已成為武器裝備發(fā)展的重要特征, 也是信息化戰(zhàn)爭的必然選擇, 各軍事領(lǐng)域全面隱身化和隱身武器系列化是今后的必然趨勢(shì)。我國在這方面起步較晚,與發(fā)達(dá)國家相比還存在較大差距。今年1月，J20隱身機(jī)的試飛成功，標(biāo)志著我國隱身材料的研制步入了應(yīng)用階段。隱身技術(shù)(又稱為目標(biāo)特征信號(hào)控制技術(shù)) 是通過控制武器系統(tǒng)的信號(hào)特征,使其難以被發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤打擊的技術(shù)。按照使用的探測(cè)波來分,隱身技術(shù)可分為可見光隱身技術(shù)、雷達(dá)波隱身技術(shù)、紅外隱身技術(shù)、激光隱身技術(shù)等?？梢姽怆[身材料是研究最早的,在早期的戰(zhàn)爭中已經(jīng)得到大量應(yīng)用,目前已發(fā)展得相當(dāng)成熟,因此幾乎沒有太大的發(fā)展空間。其主要的應(yīng)用是一些偽裝材料,比如迷彩服就被做成與周圍環(huán)境具有相似的色彩和圖案,效果很好,如今專門的研究已經(jīng)很少。因此,本專題主要針對(duì)雷達(dá)、紅外、激光探測(cè)波的隱身材料以及多波段兼容隱身材料作簡單的綜述。另外，作為本世紀(jì)隱身材料發(fā)展的重要方向之一的智能隱身材料和納米隱身材料可謂應(yīng)時(shí)而生。它們的新原理、新概念對(duì)未來武器系統(tǒng)和航空航天系統(tǒng)的發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生重要影響。1 雷達(dá)隱身材料雷達(dá)很早就成為軍事上普遍使用的探測(cè)手段,因此作為雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)物的隱身一直以來就受到廣泛的關(guān)注,而且相關(guān)專家對(duì)它的研究也從未停止。雷達(dá)探測(cè)主要是向一定空間方向發(fā)射高頻雷達(dá)波（120GHZ）,當(dāng)該波碰到目標(biāo)物時(shí)就會(huì)反射一部分波回去,通過接收反射的雷達(dá)波信號(hào)就能探測(cè)到目標(biāo)物的方位。如果能使反射回波的能量降低到一定程度,以至于接收到的信號(hào)弱得無法被雷達(dá)接收器所識(shí)別,那么目標(biāo)物就達(dá)到了雷達(dá)隱身的目的。表征目標(biāo)雷達(dá)隱身效果的指標(biāo)很多,而最常用的就是雷達(dá)波反射率R，R 值越小越好。因此，如果采用雷達(dá)隱身材料, 那么這種材料要能吸收或者透過雷達(dá)波,盡量減少用于探測(cè)的反射波。對(duì)于一般的目標(biāo)物,通常很難透過大量雷達(dá)波,所以雷達(dá)隱身所用的材料以吸波材料為主。由于高頻雷達(dá)波頻率通常在120GHZ頻段，因此吸波材料通常在此波段。按材料成型工藝和承載能力,雷達(dá)吸波材料可分為涂敷型吸波材料和結(jié)構(gòu)型吸波材料兩類。由于大面積使用吸波涂料存在很多弊端，例如增加飛機(jī)重量、粘附不牢而脫落等，而結(jié)構(gòu)型吸波材料具有承力、重量輕、可設(shè)計(jì)性能強(qiáng)等特點(diǎn)，所以后者得到大力開發(fā)。1. 1 涂敷型吸波材料由于涂敷型吸波材料只是在目標(biāo)表面涂覆了一層或多層吸波材料,因此對(duì)它的承載性沒有特殊要求。這種材料使用起來方便快捷,在軍用飛機(jī)、坦克、軍艦上都有很廣泛的應(yīng)用。按照吸波材料的吸收機(jī)理可以分為干涉型和吸收型。干涉型是利用吸波層表面反射波和底層反射波的振幅相等而相位相反進(jìn)行干涉抵消,但是它的缺點(diǎn)是吸收頻帶很窄。相比而言,吸收型對(duì)雷達(dá)波具有相對(duì)較寬的吸收頻帶,因此用得最多。無論是吸波涂料還是吸波涂層,一般都是由基體材料、吸波劑以及其它一些助劑組成。其中,吸波劑對(duì)整個(gè)吸波材料的吸波性能起著關(guān)鍵性的作用,通常按照吸波劑的化學(xué)成分可分為無機(jī)吸波劑和有機(jī)高分子吸波劑。 無機(jī)吸波劑無機(jī)吸波劑主要有鐵氧體、金屬以及陶瓷,而且已經(jīng)向著超細(xì)化、納米化的方向發(fā)展。國內(nèi)科技工作者在這方面作了不少研究，焦桓等對(duì)納米的Si/ C/ N 粉體的吸波特性進(jìn)行研究,得到了單層和雙層的吸波涂層,厚度為2.7mm 的單層吸波涂層在815GHz 內(nèi)微波反射率 - 5dB ,厚度為2.8mm 的雙層吸波涂層在818GHz 的范圍內(nèi)微波反射率也在- 5dB 以下,且峰值反射率達(dá)到- 40. 5dB。曹瑩等研究的納米雷達(dá)波吸收涂料效果更好，將2Ni (OH) 2等納米材料摻入到聚氨酯涂料或環(huán)氧涂料中,使涂料在118GHz的寬頻范圍內(nèi)反射率都在- 15dB 以下,且吸收峰值也達(dá)到了- 40dB。在國外，Bregar 從理論模型出發(fā),證實(shí)了納米鐵磁吸波材料具有普通粒子所無法比擬的吸波特性，顯示了吸波劑納米化的發(fā)展方向。 有機(jī)吸波劑有機(jī)吸波劑主要有導(dǎo)電高聚物和由美國卡耐基-梅隆大學(xué)研制的視黃基席夫堿,它們都是發(fā)展得相對(duì)較晚的吸波劑。導(dǎo)電高分子吸波材料具有較低的微波反射率,很好的吸波性能，以及獨(dú)特的物理、化學(xué)特性,并具有密度小、分子設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)多樣化、電磁參量可調(diào)、易復(fù)合加工等特點(diǎn),受到了廣泛的重視,應(yīng)用前景廣闊。國外科技者研究了以導(dǎo)電聚吡咯( PPy) 為主體的復(fù)合材料對(duì)不同入射角微波的吸收特性,入射角從10變化到80,在518GHz 的寬頻范圍內(nèi)的反射率始終都在- 10dB 以下。視黃基席夫堿的吸波材料,由于密度低、吸收頻帶寬也受到了極大的關(guān)注。國內(nèi)王少敏等對(duì)視黃基席夫堿進(jìn)行了研究,先后合成了小分子和大分子的視黃基席夫堿,并對(duì)它們的微波吸收性能進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明,材料對(duì)微波有一定的吸收性能,特別是10GHz 左右處都有低于- 10dB 的強(qiáng)吸收峰。然而視黃基席夫堿作為微波吸收劑的發(fā)展尚未成熟,效果暫時(shí)還無法與其它吸收劑相 比，還有待進(jìn)一步研究。 其它吸波劑主要是手性吸波劑和智能吸波劑。手性吸波劑可以通過調(diào)節(jié)手性參數(shù)來做到寬頻帶低反射,而傳統(tǒng)的吸波材料通過調(diào)節(jié)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率很難同時(shí)滿足寬頻帶和低反射的要求,因此對(duì)于手性吸波劑的研究近年來也有不少。但由于手性吸波劑尚處于研究初始階段,缺乏足夠的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),有很多技術(shù)難點(diǎn)有待突破,目前還不能很快應(yīng)用于實(shí)際。智能吸波劑的研究為吸波材料的發(fā)展提供了一種新的思路,與其它吸波劑不同,智能吸波劑不是單一的一種材料,它一般跟電路聯(lián)合在一起,需要有外部傳感器以及反饋系統(tǒng)等智能部件。1. 2 結(jié)構(gòu)型吸波材料結(jié)構(gòu)型吸波材料是一種多功能復(fù)合材料,具有承載和雷達(dá)隱身的雙重功能,是非常有發(fā)展前途的吸波材料。由于需要承載,因此對(duì)這種材料的要求非常高。按照結(jié)構(gòu)形式其可分為混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、多層吸波復(fù)合材料以及夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。它主要是由承載的基體材料和吸波劑復(fù)合而成?；w材料主要是高分子類的一些材料,而吸波劑可以是由上述的無機(jī)、有機(jī)吸波劑或者是它們的混合物組成。梁勇等研制的多功能納米復(fù)合薄膜材料使用的是無機(jī)吸波劑,復(fù)合材料的吸波性能優(yōu)良,在812GHz 的微波段內(nèi)的反射率低于- 10dB ,而且具有耐磨、耐腐蝕以及阻燃等多種性能。而毛衛(wèi)民等的發(fā)明使用了無機(jī)的軟磁金屬粉和導(dǎo)電高聚物的混合吸波劑,并且采用了多層的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),制成的復(fù)合材料在218GHz 的寬頻范圍內(nèi)反射率低于- 4 - 16dB。在國外,做得最好的還是日本的Hayashi 等,他們用Ni2Zn 類型的多孔鐵氧體吸波劑制成的輕質(zhì)、阻燃、耐用的復(fù)合材料具有很好的吸波性能,在120GHz 波段范圍內(nèi)的反射率都低于- 20dB。實(shí)際應(yīng)用中,洛克威爾國際公司用石墨/環(huán)氧復(fù)合材料和由玻璃布蒙皮、石墨、炭黑、橡膠等組成的吸收層和蜂窩結(jié)構(gòu)制造了F2117 飛機(jī)的整套罩和進(jìn)氣口唇部等,事實(shí)證明效果很好?？傊?盡管某些吸波材料在一些方面具有優(yōu)勢(shì),但還沒有同時(shí)滿足各種要求的雷達(dá)吸波材料。無論是涂敷型還是結(jié)構(gòu)型雷達(dá)吸波材料,是向著吸收能力高、吸收頻帶寬、力學(xué)性能和耐候性好、厚度薄而質(zhì)量輕的方向發(fā)展。在結(jié)構(gòu)吸波材料領(lǐng)域，西方國家中以美國和日本的技術(shù)最為先進(jìn)，尤其在復(fù)合材料、碳纖維、陶瓷纖維等研究領(lǐng)域，日本顯示出強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力。英國的Plesey公司也是該領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)。2 紅外隱身材料紅外探測(cè)是僅次于雷達(dá)探測(cè)用得較多的探測(cè)手段之一，它在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中將占有越來越重要的地位, 如海灣戰(zhàn)爭中美國擊落的飛機(jī), 有40 %是由紅外制導(dǎo)的空空導(dǎo)彈擊中的。因此,紅外隱身材料的研究已成為繼雷達(dá)吸波材料之后未來吸波材料研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。它通常是以被動(dòng)式進(jìn)行,利用目標(biāo)發(fā)出的紅外線來發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤目標(biāo)。由于空氣中的水分和二氧化碳會(huì)不同程度地吸收紅外線,因此能透過大氣的紅外波長范圍是有限的,通常把相對(duì)大氣透明的紅外波長范圍稱為大氣窗口,共有3 個(gè)大氣窗口:窗口(0.792.60m) 、窗口(35m) 、窗口(814m)。窗口屬于近紅外波段,它的特點(diǎn)與可見光相似,但穿透力比可見光強(qiáng)。一般近紅外隱身都與可見光隱身一起考慮,它要求目標(biāo)與背景的反射率差要小,只要差別小到一定程度就可以達(dá)到近紅外隱身,目前近紅外隱身材料一般都為涂敷型,且以涂料居多。Kumar 等曾對(duì)印度西部拉賈斯坦邦地區(qū)的植物葉子在400900nm 可見和近紅外光譜波段的反射作過調(diào)查,目的就是為了指導(dǎo)設(shè)計(jì)涂料的顏色用于軍事目標(biāo)在該波段的隱身。Sliwinski 等研制出了可以調(diào)節(jié)近紅外波段反射曲線進(jìn)而與背景反射曲線一致的彩色顏料,可用于制備近紅外隱身涂料。近紅外隱身一般通過與可見光類似的偽裝都能達(dá)到很好的效果。通常紅外隱身更多考慮的還是中遠(yuǎn)紅外波段,即窗口和窗口,該波段紅外又稱為熱紅外。使用該波段的紅外探測(cè)系統(tǒng)通常是依靠目標(biāo)自身和背景的輻射差別來發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)。而根據(jù)波爾茲曼定律: E = 4T4 ,其中為玻爾茲曼常數(shù), E 為目標(biāo)自身的輻射能量,它主要與發(fā)射率和溫度T 有關(guān)。通常背景的溫度較低,輻射能量較小。因此要使目標(biāo)與背景的輻射差減小,就得降低目標(biāo)的輻射能量。熱紅外隱身材料主要是根據(jù)這樣的基本原理,通過降低目標(biāo)的發(fā)射率或溫度來達(dá)到紅外隱身目的。因此,按作用機(jī)理紅外隱身材料可分為控制比輻射率和控制溫度兩類。2.1 控制比輻射率控制比輻射率主要是針對(duì)紅外隱身涂料。國內(nèi)在紅外隱身涂料研究方面的歷史較短,基本上處于探索階段。國家在“863”項(xiàng)目中專門設(shè)立了紅外偽裝的研究課題。雖然有報(bào)道說涂料紅外發(fā)射率達(dá)到0.5 以下,但都沒有進(jìn)入實(shí)用階段。目前研究的涂料材料有無機(jī)和有機(jī)或兼而有之。和金屬有關(guān)的有二氧化硅的鋁片、摻錫氧化銦、氧化錫、摻鋁氧化鋅等。此外國內(nèi)也對(duì)復(fù)合型雙層隱身材料進(jìn)行了研究,其低紅外發(fā)射率面層材料的法向發(fā)射率介于0.23 和0.54 之間。2.2 控制溫度鑒于波爾茲曼定律中輻射能量與溫度的四次方成正比,溫度成為紅外隱身非常重要的因素。有研究表明,通過灑水蒸發(fā)或通入冷卻流體吸熱來控制溫度,可實(shí)現(xiàn)熱紅外隱身。而從材料的角度出發(fā),一般熱紅外隱身所用的材料主要有兩類:相變材料和隔熱材料。 相變材料相變材料( PCM) 可以利用材料達(dá)到相變溫度時(shí)由于相變潛熱而吸收熱量,從而控制目標(biāo)溫度。David 等發(fā)明了一種用于減少紅外輻射的材料,該材料使用了一種微膠囊粒子,這種微膠囊粒子由外殼材料和相變材料組成,根據(jù)不同場(chǎng)合相變材料可以使用不同碳原子數(shù)目的直鏈烷烴,把該微膠囊植入泡沫材料、用膠粘劑粘合起來或制成涂料就成為一種熱紅外隱身材料,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明紅外雷達(dá)已經(jīng)探測(cè)不到。國內(nèi)孫浩等用石蠟和脲醛樹脂制備了微膠囊相變材料,并制成涂料涂敷于高溫的測(cè)試表面,測(cè)試了其紅外隱身性能以及其耐熱耐酸堿性能,測(cè)試結(jié)果顯示所遮蓋的目標(biāo)物經(jīng)過材料的相變過程,紅外熱成像儀已觀察不到目標(biāo)的熱特征,由于該材料還具有優(yōu)良的耐熱性、耐候性和熱循環(huán)性能,因而應(yīng)用前景廣闊。 隔熱材料由于冬天環(huán)境溫度比較低,目標(biāo)與背景的溫度差很大,熱紅外隱身困難,因此只有設(shè)法讓目標(biāo)的熱輻射不能輕易傳出外表面,才有可能躲過熱紅外探測(cè)。為此, Pusch 等發(fā)明了一種可用于冬天的隱身材料，使用高分子纖維材料為基材,然后在材料兩面涂上軟質(zhì)塑料,當(dāng)然外面還加了幾層用于雷達(dá)和可見光隱身的材料,該材料在大氣窗口和窗口中顯示了較好的隱身效果。大多數(shù)顏料通常都是高發(fā)射率材料,如果在一般的彩色涂料上加入大熱慣量隔熱材料,一方面它不會(huì)增加涂料的發(fā)射率,另一方面也具有顯著的降溫效果。據(jù)報(bào)道,在某些很難降低發(fā)射率的彩色涂料中,如果加入聚合物微球,它不僅具有明顯的降溫效果(最多可降溫911 ) ,而且對(duì)涂料的發(fā)射率沒有影響,更可降低涂層發(fā)射率至0. 1 左右。因此,聚合物微球也可用于熱紅外隱身。由于目前還沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)人員的具體研究工作和研究成果的文獻(xiàn),因此這類材料用于紅外隱身還有待進(jìn)一步確認(rèn)。3 激光隱身材料3.1 激光隱身原理激光隱身是通過減少目標(biāo)對(duì)激光的反射信號(hào),使目標(biāo)具有低可探測(cè)性。其主要出發(fā)點(diǎn)是減少目標(biāo)的激光雷達(dá)散射截面 (LRCS) 和激光反射率。LRCS 綜合反映了激光波長、目標(biāo)表面材料及其粗糙度、目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)形狀等各種因素對(duì)目標(biāo)激光散射特性的影響,是用于表征目標(biāo)激光散射特性的主要指標(biāo),也是最重要的目標(biāo)光學(xué)特性指標(biāo)之一。反射率是指當(dāng)材料的厚度達(dá)到其反射比不受厚度的增加而變化時(shí)的反射比。由于在一般情況下,激光隱身材料都有一定的厚度,其厚度的變化不影響反射比,因此,評(píng)價(jià)激光隱身材料性能的參數(shù)可以稱為光譜反射率或光譜漫反射率。3.2 激光隱身材料技術(shù)按激光隱身材料的隱身機(jī)理來分主要有吸收材料、導(dǎo)光材料、透射材料,其中吸收材料應(yīng)用最為普遍。3.2.1 吸收材料激光吸收材料(LAM) 的作用在于強(qiáng)烈吸收激光從而減小激光反射信號(hào)或改變激光頻率。按材料的成型工藝和承載能力，吸收材料分為涂覆型和結(jié)構(gòu)型?，F(xiàn)在各國采用的激光材料隱身技術(shù)主要有: “涂覆型”。降低目標(biāo)對(duì)激光的后向散射。如利用涂料降低目標(biāo)表面的光潔度,或在目標(biāo)表面涂覆吸收材料,使目標(biāo)反射信號(hào)強(qiáng)度減弱;或采用激光偽裝隱身網(wǎng),可在網(wǎng)上涂覆吸收激光的涂料; 因?yàn)閭窝b隱身網(wǎng)價(jià)格低廉、使用方便、工藝穩(wěn)定、易于批量生產(chǎn)且可實(shí)現(xiàn)多頻譜隱身功能,國際上正大力發(fā)展此種材料。德國的Pusch Gunter 發(fā)明了一種偽裝網(wǎng),在雷達(dá)波段、可見光隱身及紅外波段處可產(chǎn)生逼近環(huán)境(樹木) 的輻射。對(duì)于涂覆型吸收材料,主要從兩方面降低目標(biāo)材料的漫反射: 研究對(duì)激光具有高吸收的材料; 研究涂層的表面形態(tài),以構(gòu)造漫反射表面,使入射的激光能量以散射的形式傳輸?shù)狡渌较蛏?同時(shí)進(jìn)行多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),波長匹配層導(dǎo)入激光信號(hào),吸收層消耗激光能量。“結(jié)構(gòu)型”。將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成吸收型的多層夾芯,或把復(fù)合材料制成蜂窩狀,在蜂窩另一端返回,這樣既降低了反射激光信號(hào)的強(qiáng)度,又延長了反射光的到達(dá)時(shí)間。結(jié)構(gòu)型吸波材料的研制起始于20 世紀(jì)60 年代,其在武器裝備上的應(yīng)用是20 世紀(jì)70年代末和80 年代初,應(yīng)用較為廣泛的是在隱身飛機(jī)上。結(jié)構(gòu)型吸波材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)和吸波等特點(diǎn),是一種多功能復(fù)合材料,受到國內(nèi)外高度重視。目前結(jié)構(gòu)吸波材料正積極地朝著寬頻吸收的方向發(fā)展。3.2.2 其它激光隱身功能材料透射材料是讓激光透過目標(biāo)表面而無反射。從原理上,透光材料后應(yīng)有激光光束終止介質(zhì),否則仍有反射或散射激光存在。導(dǎo)光材料是使入射到目標(biāo)表面的激光能夠通過某些渠道傳輸?shù)狡渌较蛉?以減少直接反射回波。這兩種隱身功能材料作為激光隱身材料,實(shí)現(xiàn)難度較大。3.3 激光隱身材料的發(fā)展在國外,激光隱身技術(shù)在外形技術(shù)和材料技術(shù)上已有了較快的發(fā)展。近年來,國內(nèi)也展開了激光隱身的研究,并取得了初步的研究成果。但隨著激光武器向多波段、可調(diào)諧的方向發(fā)展,現(xiàn)有的激光吸收材料工作波段固定、且對(duì)氣候有一定的依賴性,已不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求,因此開展新型的多功能、多頻譜兼容的激光隱身材料體系的研究,已成為今后的研究趨勢(shì)和發(fā)展方向之一。另外,探索激光隱身的新技術(shù)、新方法,積極開展新的隱身機(jī)理,也是今后的一個(gè)研究方向和熱點(diǎn)。4 多波段復(fù)合兼容隱身材料由于當(dāng)前多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展以及探測(cè)手段的日益多樣性,戰(zhàn)場(chǎng)武器裝備可能同時(shí)面臨雷達(dá)、紅外、激光以及可見光等探測(cè)手段的威脅,因此多波段復(fù)合隱身材料的發(fā)展很早就受到了專家以及相關(guān)研究者的關(guān)注和重視。下面針對(duì)當(dāng)前最常用的探測(cè)手段,即雷達(dá)、紅外以及激光的復(fù)合隱身材料作簡單概述。4.1 雷達(dá)/ 紅外兼容隱身材料高效率的雷達(dá)隱身材料以提高電磁波的吸收率為前提,往往同時(shí)也提高了材料的發(fā)射率,材料紅外發(fā)射率的降低與雷達(dá)吸波能力的提高存在著矛盾。盡管如此,由于紅外和雷達(dá)的波長相差很大,紅外波是微米級(jí)的,雷達(dá)是厘米或毫米級(jí)的,因此從理論上來說,研究和開發(fā)紅外/ 雷達(dá)兼容隱身的材料是可能的。金屬材料是紅外隱身材料中應(yīng)用較多的一類材料,它具有低的紅外發(fā)射率,但由于高的反射率不利于雷達(dá)隱身，通過復(fù)合有可能解決這一問題。有研究發(fā)現(xiàn),一些金屬氧化物、半導(dǎo)體材料等與片狀鋁粉混合使用時(shí),紅外反射、輻射及與雷達(dá)波的兼容性能較好。此外, 研究表明導(dǎo)電聚合物在3cm 附近波段有很好的微波吸收特性，且具有電磁和光學(xué)參量可調(diào)節(jié)、密度小、易于復(fù)合和成型等優(yōu)點(diǎn),因此作為雷達(dá)/ 紅外兼容的隱身材料也很有前景。然而,國外最多的是采用多層結(jié)構(gòu)。如美國專利很早就研制了一種同時(shí)具有雷達(dá)和紅外隱身效果的材料,這種材料具有3 層結(jié)構(gòu)。底層為基層,可以使用表面涂有聚乙烯膜或增塑聚氯乙烯的尼龍或聚酯纖維編織材料，能很好地反射和吸收來自目標(biāo)的熱紅外輻射;中間層是沉積金屬層,一般為氣相層積而成的純金屬鋁， 特殊表面電阻設(shè)計(jì)使其具有與環(huán)境相似的雷達(dá)反射性質(zhì)；最上面是涂料層,主要內(nèi)含氧化鉻、氧化鐵、二氧化鈦等金屬氧化物高分子涂料，對(duì)近紅外和可見光都具有良好隱身性能,能在熱紅外波段具有更好的隱身效果，涂料中含有對(duì)中遠(yuǎn)紅外光透明的黏合劑。這種多層結(jié)構(gòu)具有較好的雷達(dá)/ 紅外復(fù)合隱身效果。4.2 紅外/ 激光兼容隱身材料通常所說的激光/ 紅外兼容隱身材料是指對(duì)熱紅外波段和16m 激光能兼容的隱身材料。對(duì)于同一目標(biāo)要同時(shí)達(dá)到紅外與激光的隱身,就必須同時(shí)降低材料的發(fā)射率和反射率,這是一對(duì)矛盾。因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)典的熱輻射理論,即基爾霍夫定律,物體在熱平衡狀態(tài)時(shí)有:(, T) =(, T) ,即物體的發(fā)射率等于吸收率。對(duì)于不透明的涂料(透射率接近0) , 根據(jù)能量守衡定律有:(, T) +(, T) = 1，所以,在同一波段范圍同時(shí)降低材料的反射率和發(fā)射率從而達(dá)到紅外與激光的兼容隱身是熱平衡理論所面臨的難題。增加材料反射率、降低發(fā)射率能達(dá)到紅外隱身目的,但這也往往提高了材料對(duì)這一波長的激光反射率,使得目標(biāo)對(duì)激光“顯形”,而如果降低材料的反射率以求激光隱身則又增加了紅外的發(fā)射率。要達(dá)到紅外和激光的隱身兼容,就必須克服兩者對(duì)材料的這對(duì)矛盾要求。雖然有研究能做到16m 處激光低反射和814m范圍內(nèi)目標(biāo)外形紅外熱圖能分割,但還不能使目標(biāo)完全融合在背景之中,且對(duì)16m 激光和35m 波段的紅外隱身也沒有考慮,因此要制得完全意義上的激光與紅外復(fù)合隱身材料,還有很多地方需要突破。不過,有報(bào)道稱,研究動(dòng)態(tài)熱輻射理論,建立起非平衡狀態(tài)下的隱身機(jī)理將有助于同一波段內(nèi)紅外與激光復(fù)合隱身的研究。相信隨著有機(jī)高分子和納米材料的發(fā)展,今后可能會(huì)制得具有特殊官能團(tuán)和表面結(jié)構(gòu)的材料,它能在16m 等特定激光波長處具有強(qiáng)激光吸收,而在其它熱紅外波段范圍內(nèi)具有高反射,從而實(shí)現(xiàn)激光/ 紅外的兼容隱身。4.3 雷達(dá)/ 激光兼容隱身材料盡管激光隱身與雷達(dá)隱身都要求有低的反射率。但激光隱身主要是通過分子共振和特殊的表面微粒微孔結(jié)構(gòu)來吸收激光,而雷達(dá)隱身則是通過電損耗或磁損耗材料的作用,使進(jìn)入材料的雷達(dá)波轉(zhuǎn)換為熱能損耗掉。有文獻(xiàn)報(bào)道了一種涂料,達(dá)到了一定程度的多波段復(fù)合隱身。測(cè)試結(jié)果表明, 在微米波段，激光隱身反射率約小于0.5 % ,在8毫米波段雷達(dá)反射率達(dá)- 10dB ,并具備可見光偽裝性能。此外,國內(nèi)科技工作者謝國華等的實(shí)驗(yàn)也給雷達(dá)/ 激光兼容隱身材料的研究提供了新的思路,通過對(duì)傳統(tǒng)雷達(dá)吸波材料的表面狀態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),比如制成較為粗糙的表面或通過致孔劑形成多孔結(jié)構(gòu),粗糙表面利于激光散射,多孔結(jié)構(gòu)使得入射的激光通過孔洞的多次吸收、折射及反復(fù)震蕩而削弱,從而使材料具備雷達(dá)/ 激光隱身的兼容。4.4 雷達(dá)/ 紅外/ 激光兼容隱身材料從當(dāng)前的形式來看,在上述的3 種兼容隱身材料中,紅外/激光兼容的隱身是目前復(fù)合隱身的重點(diǎn),這是由它們的內(nèi)在矛盾性所決定的。但是從長遠(yuǎn)的發(fā)展來看,研制具有雷達(dá)/ 紅外/激光(包括可見光) 兼容的多波段復(fù)合隱身材料是最終的目標(biāo)。盡管有人指出,目前采用由反紅外探測(cè)的面漆加反雷達(dá)探測(cè)的底漆,通過發(fā)揮煙幕彈來降低對(duì)激光的反射。但這畢竟不是長久之計(jì),煙幕彈只能暫時(shí)維持一段時(shí)間,要想獲得較為長期有效的隱身材料,還得研制出一種同時(shí)具備很好的雷達(dá)/ 紅外/ 激光兼容隱身性能且耐久的材料,而目前還未發(fā)現(xiàn)此類材料。5 隱身材料發(fā)展前沿 傳統(tǒng)的隱身材料以強(qiáng)吸收為主要目標(biāo)，新型的隱身材料則要滿足“薄、輕、寬、強(qiáng)”，即未來的隱身材料應(yīng)滿足多頻譜隱身、環(huán)境自適應(yīng)、耐高溫、耐海洋氣候、抗核輻射等的要求，以適應(yīng)未來戰(zhàn)場(chǎng)。這里納米隱身材料與智能隱身材料將成為隱身材料的兩個(gè)主要發(fā)展方向。5.1 納米隱身材料5.1.1 納米材料的特性 表面效應(yīng)。納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例，隨著粒徑的減小，表面原子數(shù)量比迅速增加。由于表面原子數(shù)量比增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。 量子尺寸效應(yīng)。粒子尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子連續(xù)能級(jí)離散化，致使納米材料具有高的光學(xué)非線性，特異的催化及光催化特性。 小尺寸效應(yīng)。當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長或德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度等物理尺寸特征相當(dāng)或者更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞，從而產(chǎn)生一系列的光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。 5.1.2 納米復(fù)合隱身材料的隱身機(jī)理 由于納米材料的結(jié)構(gòu)尺寸在納米數(shù)量級(jí)，物質(zhì)的量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)等方面對(duì)材料性能有重要影響。隱身材料按其吸波機(jī)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(dǎo)電高聚物以及導(dǎo)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(xì)金屬粉或納米相材料等。原上海鋼鐵研究所在章靖國主導(dǎo)下和華師大和交大合作，曾申請(qǐng)了國家和上海兩項(xiàng)科學(xué)基金，研究過FeNiB和FeZrB超細(xì)納米金屬粉的物理特性以及對(duì)微波的吸收。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(jī)理。 磁損耗型 金屬粉體（如Fe、Ni等）隨著顆粒尺寸的減小，特別是達(dá)到納米級(jí)后，電導(dǎo)率很低，材料的比飽和磁化強(qiáng)度下降，但磁化率和矯頑力急劇上升。其在細(xì)化過程中，處于表面的原子數(shù)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(yùn)動(dòng)加劇，促進(jìn)磁化，使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，從而增加了材料的吸波性能。一般認(rèn)為，其對(duì)電磁波能量的吸收由晶格電場(chǎng)熱振動(dòng)引起的電子散射、雜質(zhì)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(yīng)來決定。 電損耗型 納米Si/C/N粉體的吸波機(jī)理與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。但目前對(duì)其結(jié)構(gòu)的研究并沒有得出確切結(jié)論，有人用固溶體結(jié)構(gòu)模型中的“準(zhǔn)自由電子” 位移的馳豫來解釋電磁波能量損耗的原因。5.1.3 納米復(fù)合隱身材料的復(fù)合新技術(shù) 納米復(fù)合隱身材料因?yàn)榫哂泻芨叩膶?duì)電磁波的吸收特性，已經(jīng)引起了各國研究人員的極度重視，而與其相關(guān)的探索與研究工作也已經(jīng)在多國展開。盡管目前工程化研究仍然不成熟，實(shí)際應(yīng)用未見報(bào)道，但其已成為隱身材料重點(diǎn)研究方向之一，今后的發(fā)展前景一片光明。而其一旦應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品，也必將會(huì)對(duì)各國的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等多方面產(chǎn)生巨大影響。近年來，納米復(fù)合隱身材料的制備新技術(shù)發(fā)展的很迅速，這些新的復(fù)合技術(shù)主要包括：以在材料合成過程中于基體中產(chǎn)生彌散相且與母體有良好相容性、無重復(fù)污染為特點(diǎn)的原位復(fù)合技術(shù)； 以自放熱、自潔凈和高活性、亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)物為特點(diǎn)的自蔓延復(fù)合技術(shù)； 以組分、結(jié)構(gòu)及性能漸變?yōu)樘攸c(diǎn)的梯度復(fù)合技術(shù) ；以攜帶電荷基體通過交替的靜電引力來形成層狀高密度、納米級(jí)均勻分散材料為特點(diǎn)的分子自組裝技術(shù)；依靠分子識(shí)別現(xiàn)象進(jìn)行有序堆積而形成超分子結(jié)構(gòu)的超分子復(fù)合技術(shù)。 材料的性能與組織結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。與其他類型的材料相比，復(fù)合材料的物相之間有更加明顯并成規(guī)律化的幾何排列與空間結(jié)構(gòu)屬性，因此復(fù)合材料具有更加廣泛的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性。納米隱身符合材料因綜合了納米材料與復(fù)合材料兩者的優(yōu)點(diǎn)而具有良好的對(duì)電磁波的吸收特性，已經(jīng)成為目前各主要國家材料科技界人士爭相研究的熱點(diǎn)之一。 5.2 智能隱身材料隱身的根本目的是盡可能的降低目標(biāo)和背景的可探測(cè)特征的差別，使兩者一致或接近。然而，相對(duì)于目標(biāo)而言，背景是十分復(fù)雜并且不斷變化的，所以使用一成不變的隱身技術(shù)手段很難做到這一點(diǎn)。20 世紀(jì)80 年代中期，人們提出了智能材料的概念。智能材料是一種能從自身表層或內(nèi)部獲取關(guān)于環(huán)境條件及其變化信息，進(jìn)行判斷、處理和做出反應(yīng)，以改變自身結(jié)構(gòu)與功能并使其很好地與外界協(xié)調(diào)，具有自適應(yīng)性的材料系統(tǒng)。智能材料的問世，標(biāo)志并宣告了第五代新材料的誕生，在武器裝備隱身化和新軍事變革的大背景下，智能隱身材料也因此得到了各國的高度重視。5.2.1 可見光智能隱身材料隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，可見光成像制導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、跟蹤、攔截目標(biāo)的能力越來越強(qiáng)，各種武器裝備所面臨的威脅日趨嚴(yán)重。各國軍事專家積極探索和研究，希望利用智能隱身材料制成的涂層，達(dá)到真正意義上的“變色龍”隱身。整個(gè)“變色隱身”的過程是：在材料系統(tǒng)中加入傳感器和控制器，使光探測(cè)器的窄帶通濾波器可以識(shí)別環(huán)境的波長和光強(qiáng)度，再將輸出信號(hào)經(jīng)模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換器傳輸給微處理器進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)處理，并發(fā)出控制指令以改變材料的顏色和色強(qiáng)（模/數(shù)）度，從而達(dá)到隱身的效果。材料包括熱敏化隱身材料，電致變色材料等。5.2.2 紅外智能隱身材料隨著紅外探測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前的單一的紅外偽裝越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的需要。對(duì)紅外隱身材料的研究也在不斷的進(jìn)步，一些新的紅外智能隱身系統(tǒng)也進(jìn)入人們的視野。據(jù)報(bào)道，目前應(yīng)用的有兩類： 導(dǎo)電高分子電致變色材料。實(shí)驗(yàn)顯示其在中遠(yuǎn)紅外寬頻范圍(0.4m45m)具有可控的紅外發(fā)射率變化(0.30.7)，以適應(yīng)背景的紅外發(fā)射率，實(shí)現(xiàn)紅外偽裝。 熱電轉(zhuǎn)換材料。熱電轉(zhuǎn)換材料利用熱電晶體的Peltier 效應(yīng)，可以對(duì)高溫物體進(jìn)行制冷，從而避免紅外發(fā)射。用熱電材料制造的熱電轉(zhuǎn)換裝置具有無運(yùn)動(dòng)部件、無污染、無噪聲、無磨損、免維護(hù)、對(duì)形狀大小和使用條件的限制小、適用面廣等突出優(yōu)點(diǎn)，由此可見其作為熱紅外隱身偽裝材料具有極大的應(yīng)用前景。5.2.3 智能蒙皮 智能蒙皮技術(shù)的著眼點(diǎn)在于提高飛機(jī)的綜合性能,這種技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn):飛機(jī)表層不僅能承受載荷和維持外形,而且具有通訊、隱身、電子對(duì)抗、火控、飛控等功能;部分或全部替代原來