隐形材料的原理及其应用.doc

隐形材料
定义：
旨在降低武器装备的雷达、红外、可见光或声波等可探测信号特征、使之难以被探测、识别、跟踪或攻击的一种特殊用途材料。
所属学科：
航空科技（一级学科）；航空材料（二级学科）
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。武器系统采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、箭弹上应用，将成为国防高技术的重要组成部分。对于地面武器装备，主要防止空中雷达或红外设备探测、雷达制导武器和激光制导炸弹的攻击 ；对于作战飞机，主要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、空对空导弹和红外格斗导弹的攻击。
浅谈隐形材料
隐身材料按频谱可分为声、雷达、红外、可见光、激光隐身材料。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。
雷达隐身涂料技术：为了减少雷达截面，常用的隐身技术途径有三类：即外形设计技术、吸收材料技术和加载对消技术。
下面主要介绍相关的雷达隐身涂料技术：
涂敷型吸波涂料：实质上是一种高分子复合涂料。它是以高分子溶液或乳液为基料，及波刘和其它附加成分分散加入其中而制成。如美国研制的系列铁氧体吸波涂料，主要成分是俚镉、镍镉和锂锌铁氧体，它在厘米波段到分米波段，可使雷达波反射衰减达20DB。因此，研制开发“轻、薄、宽”的吸波涂料是今后主要发展方向。（例如B-2战略隐形轰炸机上就是用了一种基于环氧树脂的“先进高频材料”隐身涂料）目前国外正在研制超薄层、宽频带、高效能的吸波涂料，例如放射性同位素吸波涂料。它利用钋 210 和锔 242 等同位素射线产生的等离子体来吸收雷达波，在（1－20）GH2 宽频带内雷达反射波可衰减20DB。美国伯奇博士研制一种名为ATRSBS 的化合物，它吸收雷达电磁波后转化为热能，起到雷达隐身之作用。
等离子体隐形技术：
等离子体的形成
第一种：是用等离子体发生器制造等离子体，即使用高频电磁能将空气雪崩成等离子体。如果飞行器采用这种方式产生等离子体，需要有相应的“气体循环系统”进行支持，其作用是：将等离子体发生器制造的等离子体快速输送到夹层中，并将夹层中的等离子体再次循环至发生器进行再次生成。因为等离子体离开发生器后会很快恢复到正常的空气形态，只有反复经过发生器调制才能保证透波夹层中等离子体形态的稳定，始终维持良好的隐形效果。
第二种：通过给惰性气体充电的方式形成等离子体。这与电棒、霓红灯的原理一样：即将惰性气体充入透波夹层中，当给惰性气体通电时就形成等离子体状态，从而对入射的雷达波进行吸收和散射；这种方式具有很好的灵活性：需要隐形时只要通电就能将透波夹层中的惰性气体电离为等离子体，使之达到隐形目的。当断开电路时雷达又能发现目标。这种灵活的隐形选择既有利于战时隐身又有利于平时的航行管制；当然这种等离子体生成方式尽管在原理上电棒、霓红灯相同，但毕竟是以反雷达为目标而不是为了照明，因此可以采用措施防止生成等离子体的同时向外辐射可见光，比如可以在玻璃钢外壳上涂非透明油漆；以上两种应该就是当今世界占最主导地位的军事隐形技术！ 但究其综合效果，真的能长存于世吗？
红外隐身材料
　　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、制造施工方便，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采用热红外透明度。国内外目前研制的红外隐身材料主要有单一型和复合型两种。
　　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范围大，因此作为单一红外隐身材料使用的前景十分乐观，但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制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 的范围内的红外发射率可小于0. 4。
　　复合型红外隐身材料
　　复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,目前的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研制了一种双层材料, 底层有导电石墨、炭化硼等雷达吸收剂 ( 75%～85%) , Sb2O3 阻燃剂( 6%～8%) 和橡胶粘合剂( 7%～18%) 组成，面层含有在大气窗口具有低发射率的颜料。国内研制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。
纳米复合隐身材料
　　纳米复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。
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络、十字形或更复杂的几何图形, 或在复合材料内部埋入导电高分子材料形成电阻网络, 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范围内产生高于较简单类型吸波材料的性能。但对每一种应用, 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不论是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。目前, 用于微波波段的手征材料都是人造的。现在研究的手征吸波材料是在基体中掺杂手征结构物质形成的手征复合材料。
　　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。
需要克服四大技术难关
　　1．为达到完全隐形的效果，通过离被隐形物体最近的光波，必须以超过相对论的“光速极限”（注：在爱因斯坦的相对论中，光速无法被超越。）的方式偏转。幸运的是，爱因斯坦的理论允许平滑光脉冲经历这样的转变。
　　2、隐形效果只对特殊范围的波长有作用，只能在非常小的频率范围内发挥效果。
　　3、防护罩可用于覆盖任何形状的物体，但不能飘动。移动的物体会破坏隐形效果。
　　4、研制出针对雷达的隐形材料还相对容易，其内部结构用毫米计算即可。但要研制出针对视觉的隐形材料，则难度很大，其结构必须是纳米（注：十亿分之一米）级别的。此外，科学家还要考虑使潜艇和军舰等更重更大的物体隐形。
前景广阔
　　隐形技术在军用和民用方面的前景很广阔。例如，可研制一种容器遮蔽核磁共振扫描仪干扰；可建隐形罩以避免障碍物阻挡手机信号；甚至可在炼油厂上建一个隐形罩，使它不影响海边的美丽风景。医生手术所戴的手套使用“隐形”技术，医生动手术的手就会变得“透明”，不会挡住需要手术的部位。飞机驾驶舱的底部“穿”上“隐形衣”，飞机着陆时，驾驶员就能很清楚地看到地面跑道的情况，着陆时就更安全。
　　随着隐形技术和隐形装备的不断发展，身着隐形衣的作战人员涌向未来战场，必将给传统的侦察设备带来全新挑战，同时，也必将推动隐形与反隐形对抗技术的加速发展。
众所周知，现今的纳米材料已经达到了一个不错的高度，他们的韧性，耐高温性，密封性，硬度等等都已经非常之高了！ 如若真正符合了这种情况，那我认为，那就将是对雷达起到了真正的隐形！