功能材料3.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,隐身材料,第九章,隐身技术,始于第二次世界大战,。随着美军隐身飞机频频亮相，隐身技术已为公众所瞩目，成为各国在军事高技术竞争中竞相争夺的一张重要“,王牌,”。,隐身飞机、隐身导弹、隐身舰艇、隐身军车等武器装备的相继出现,，不仅大大提高了军事目标的隐蔽性能，而且,有效地提高了武器装备的生存能力和突防能力,，,在现代战争中显示出了巨大的威力。,已被当今世界各国视为重点开发的军事高新技术。,美国国防部更是把这一要求列为重点发展计划。,近年来，随着多学科的交叉研究，吸波材料在材料的选择上有了更大的空间，特别是与具有不同特性材料的复合，使吸波材料的性能有了更大进展。,第一节、,当代隐身技术,1、隐身技术,隐身技术：,改变武器装备等目标的可探测信息特征，使敌方探测系统不易发现或发现距离缩短的综合性技术。,当代隐身技术主要包括：,反雷达探测、反红外探测、反电子探测、反可见光探测和反声波探测,等隐身技术，其中,反雷达探测,和,反红外探测,隐身技术是当前发展的重点。,1.1、雷达黑洞反雷达探测隐身技术,雷达探测目标的能力，是由目标在雷达波照射下，在雷达接收天线方向上产生的电磁散射信号强度即,雷达散射截面积（,RCS）,决定的。所以，,降低目标的,RCS,值是反雷达探测隐身技术的主要途径。,目前已广泛应用的技术有：隐身外形技术、隐身材料技术、微波传播指示技术,。,1.1.1、,“,改头换面,”隐身外形技术,所谓,“改头换面”，就是改进目标的外形设计，即利用计算机辅助设计等现代设计手段，在一定约束条件下对装备及其外形进行优化设计，在保持一定性能的前提下，使其被探测的雷达截面积最小。,1.1.2、,“,乔装打扮”隐身材料技术,所谓“乔装打扮”，主要是指采用能吸收或透过雷达波的涂料或复合材料，使雷达波有来无回、多来少回，达不到预期的目的。,1.1.3、“,随机应变”微波传播指示技术,所谓,“,随机应变,”,，是指钻雷达波传播中的空子，利用计算机预测出雷达波在大气中传播情况，使突防飞行器在雷达波覆盖区的,“,空隙,”,、,“,盲区,”,或,“,波道,”,外飞行，就可避开敌方雷达的探测，顺利突防。,1.2、红外盾牌反红外探测隐身技术,随着红外侦察、探测、制导和热成像处理技术的发展，反红外探测隐身技术也越来越重要，它是通过抑制目标的红外辐射，或改变目标的热形状，从而达到目标与背景的红外辐射不可区分的一门技术。,目前，反红外探测隐身技术的主要技术措施有：,改变红外辐射特征、,降低红外辐射强度。,1.2.1、,改变红外辐射特征,通过改变红外辐射波段，使飞机等目标的红外辐射波段处于红外探测器的响应波段范围之外，或者是将目标的红外辐射避开大气窗口而在大气层中被吸收和散射掉，也可使对方红外探测器失效。,1.,22、,降低红外辐射强度,这是红外隐身的主要技术手段，主要是通过降低辐射体的温度和采用有效的涂料来降低目标的辐射功率，其主要途径有：减少散热源、采用散热量小的设计和部件、采用闭环冷却系统、改善气动力特性，减少气动力摩擦等。,1.3、电波隐蔽反电子探测隐身技术,为了使目标不被性能越来越高的电子侦察系统发现，作为,抑制目标电磁信号特征,的反电子探测隐身技术，也是隐身技术的重要领域之一。,武器装备等目标自身的电磁辐射源主要包括其机载的各种电子设备，如雷达及其它电子探测系统、通信系统、控制系统、伺服机构执行部件、电子对抗系统、无线电信标等。,反电子探测隐身技术,的主要技术措施是：,a：,减少无线电设备如用红外设备代替多普勒雷达等；,b：,用低截获概率技术改进电子设备。如采用频率捷变技术，以降低信号被识别的概率；,c：,减少电缆的电磁辐射。如尽量缩短各种电子设备间的距离等；,d：,避免电子设备天线被动反射。如将天线做成能嵌入目标体内的结构等；,e,：,对电子设备进行屏蔽。如改进武器装备的结构，采用特殊材料或涂料，以减少向外辐射电磁能等。,1.4、,匿迹潜形-反可见光探测隐身技术,控制目标的电磁辐射和红外辐射特征，虽可对雷达、电子、红外探测系统达到隐身目的，但对可见光波段的光学探测、跟踪、瞄准系统达不到隐身目的，所以，反可见光探测隐身技术也在研究和发展。,反可见光探隐身技术：,就是通过减少目标与背景之间的亮度、色度和运动的对比特征，达到对目标视觉信号的控制，从而降低敌方可见光光学探测系统的探测概率。,目前研究提出的反可见光探测的主要技术措施有：,a：,改进目标外形的光反射特征。如飞机采用近似平板外形的座舱罩代替曲面外形的座舱罩等；,b：,控制目标的亮度和色度。如在目标表面涂敷迷彩涂料等；,c：,控制目标发动机喷口的火焰和烟迹信号。如采用不对称喷口降低喷焰温度，从而降低喷焰光强等；,d：,控制目标照明和信标灯光。如对必要的灯光在一定的角度范围内进行遮挡等。,控制目标运动构件的闪光信号。,1.5、噪声屏障,反声波探测隐身技术,反声波探测隐身技术,：就是控制目标声波辐射特征，降低被声波探测系统探测到的概率的技术。,目标的噪声，主要是发动机等机械的工作噪声、目标体及其部件（如螺旋桨）运动和排气对周围介质的扰动噪声、目标体及其构件的振动噪声等。,为了降低目标向周围介质传播的噪声，目前反声波探测隐身技术采用的主要技术措施有：,a：,改进发动机辅机的设计。如采用低噪声发动机和辅机等。,b：,利用吸声和声阻尼材料。如使用橡皮、塑料等非结构型雷达吸波装置。,c：,采用减振和隔声装置。采用双弹性支承基座、橡胶或软塑料垫及履带等可起减振作用；采用隔音罩、波声器、消音瓦等则可隔音。,d：,减小螺旋桨运动对介质的扰动噪声。飞行器可增加旋桨叶数并降低转速，舰艇可采用主动气幕等法降低噪声。,e,：是合理进行目标整体设计。主要指设计时应力求,避免,目标体及其腔室结构产生,共振,等现象。,2、,隐身技术存在的主要问题,近代几场局部战争表明了隐身技术并非完美无缺。隐身技术也存在一些尚未解决的问题。,2.1、隐身平台本身存在的主要问题,为了隐身，隐身平台需要在体积、重量、制造、维护等方面付出一定代价，雷达截面减缩量超过,10,dB,时，这些代价会急剧升高，从而产生一些突出问题：,为了在平台内部携带弹药，体积会增大；,使用隐身材料增加了隐身平台的重量；,前两代隐身飞机飞行速度低（,0.8,马赫），机动性和可靠性差，大过载转弯时会失速；,隐身平台所用材料种类繁多，而且要求达到前所未有的工艺水平，增加了制造难度；,使用雷达波吸收材料需要额外的保障、试验和评估程序，造成维护难，,B-2,轰炸机每飞行小时至少需要,50,小时维护；,隐身平台成本高（,B-2,轰炸机的单价已超过,5,亿美元）；,易受天气、空气湿度影响等。,2.2、隐身技术和武器系统的局限性,a：,现用或研制中的隐身飞机都以,单站雷达,为对抗目标,。,现在的隐身飞机只能对抗单站雷达，很难在所有被照射的角度上都达到很小的雷达截面。,F-117A,正前方迎头正负30度之内雷达截面平均值为0.02平方米，但从前半球45度至侧向，其雷达截面会增加25-100倍，从上方侦察时，更容易被发现。,b：,难以在整个电磁及红外频谱都保持相同的低可观测性。,隐身武器目前只对厘米波雷达有效，某些米波防空雷达能引起飞机平尾或机翼边缘产生谐振，形成强列的回波。从超高频（,UHF）,起，波长越长，隐身效果越差。俄罗斯研究得出的结论是，飞行器在厘米波段下的雷达截面为0.2-0.5平方米，在分米波段时为0.3-0.7平方米，在米波段时为0.5-1.0平方米。,c：,隐身武器也“尺有所短”。,隐身飞机飞行速度慢，体积大，攻击高度低，防护性能差，一般预先确定飞行路线，这都给包括轻武器在内的各种火器提供了打击的良机。,d：,需要外部为其提供数据，有可能被截获,。,隐身武器总是尽可能地不发射雷达信号，需要外部为其发送数据。这就为截获这些数据，发现隐身武器提供了可能。,e,：,隐身飞机在投弹时打开弹舱，破坏了原有的隐身性能。,隐身飞机需要打开弹舱门投弹，其雷达截面突然增大，容易暴露自己。另外，隐身飞机为了投掷激光制导炸弹，需要使用激光指示目标，也可能暴露自己。,3、隐身技术的发展趋势,3.1、进一步扩展隐身频段,目前，隐身技术主要是针对厘米波雷达的，但对其它波段的雷达隐身性能并不好。,随着反隐身技术的发展，防空雷达的工作频段正向毫米波、亚毫米波、红外、激光和米波段扩展。因此，隐身频段也必须进行相应的扩展，才能够很好的兼顾全频段隐身效果。如不断开发新型的宽频带吸波涂料和结构材料、研制宽频带干扰机等。,3.2、加强特征测量技术,为了有效地控制目标的信息特征，必须详尽地研究目标的信息特征，因此将进一步重视发展目标信息特征测量技术，提高测量精度。,所采取的重要措施是建立可供隐身目标在逼真作战环境中进行测试和作战试验的试验场。例如，目前美国至少有,7,家公司正在研制、生产雷达散射截面积（,RCS,）,测量标准设备，并已建立了几个室内和室外雷达散射截面积测量标准设备。,今后的,RCS,测试场将以测量宽频带情况下的目标雷达散射截面积为重点，深入研究宽频带波形的目标响应。目标其他信息特征的测量技术和试验研究也将得到重视和发展。,3.3、开发新型隐身材料,为适应信息化战场对隐身材料的更高要求，各国都在研制和开发新型隐身材料。,比较典型的有以下两种：,纳米隐身材料,：它是指材料组分的特征尺寸在纳米级（1-100纳米）的材料。实验证明纳米材料具有极好的吸波特性。目前，美、法、德、日、俄等国家把纳米材料作为新一代隐身材料进行探索和研究。,智能型隐身材料,：它是一种具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号作出最佳响应的材料和结构，因而具有隐身功能。,3.4、探索新的隐身机理,现今各国军方除了对各种隐身技术进行更全面、更深入的研究外，还在寻求发展其他更多更新的技术途径和隐身机理，主要技术措施有：,等离子隐身技术,：试验证明，用等离子气体层包围诸如飞机、舰船、卫星等的表面，当对方雷达波碰到这层特殊气体时，由于等离子体层对雷达波有特殊的吸收和折射特性，使反射回雷达接收机的能量很少。,应用仿生技术：,通过研究发现，海鸥与燕八哥的体积相近，但海鸥的,RCS,却比燕八哥大,200,倍；蜜蜂的体积小于麻雀，但它的,RCS,反而比麻雀大,16,倍。为何会出现如此悬殊的结果，真正机理眼下还未研究清楚，但通过研究找出这种巨大差别的原因，或许可发现更有效地减小,RCS,的新方法。,第二节、雷达隐身材料-吸波材料,1、吸波材料的发展,荷兰,首先将吸波材料用于飞机隐身。,其后，德、美等国也将吸波材料用于飞机和舰艇。,60年代，美国将吸波材料用于2高空侦察机。,70,年代,美国又在,14、16、18,战斗机上使用了吸波材料。,80年代初先后研制成,ATF、B1、A10,等型号的隐身飞机。,80年代中后期相继面世的美国隐形飞机无疑代表了吸波材料实际应用的巨大成就。其中，有代表意义的是117、2、22、12等隐形飞机。117隐身战斗机的成功，系统地运用了各种缩减雷达散射截面的措施，其,RCS,值为0.2,2,。2隐形轰炸机的,RCS,值仅为0.01,2,。,前苏联也早在60年代就开始了飞机隐身技术的研究，80年代具有隐身性能的米格27，米格31，熊式轰炸机等在80年代装备部队。,日本制备吸波材料的技术也十分先进，美国的117机体上的特殊吸波涂料就是日本研制的，日本还研制了隐身直升机。在,FSX,的下一代支援隐身战斗机上将大量采用吸波材料。,英、法、德意、荷也正在联合研制,ACA,隐身战斗机,这反映和标志着西欧在吸波材料的研制和应用方面紧跟世界先进水平。,中国随着,“,863,”,计划的实施,也开始大力发展吸波材料的研究。,例如,国防科技大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、航空航天材料研究院等高校和科研单位目前正在进行吸波材料,尤其是结构型吸波材料的研究。,以航空材料研究所为代表,研究碳纤维或碳化硅纤维增强塑料作为飞行器结构件,兼具吸波特性。,西北工业大学凝固技术国家重点实验室已研制成功了一种主要由固溶,的,SiC,微晶组成的新型耐高温吸收剂。,2、吸波材料的分类方法,吸波材料有许多分类方法，目前没有权威的定论，主要有以下三种。,（1）,按,损耗机理,的不同，可分为,介电型吸波材料,和,磁性吸波材料,。,介电型吸波材料,的主要特点是具有高的介电常数和介电损耗角，以介质的电子极化或界面衰减来吸收电磁波。,磁性吸波材料,损耗机理主要为铁磁共振吸收，具有较大的磁损耗角，以涡流损耗、磁滞损耗、剩余损耗机制衰减，吸收电磁波。,（2）,按,成型工艺和承载能力,可分为,涂覆,和,结构型,两类。,涂覆型吸波材料是具有电磁波吸收功能的涂料，其工艺简单，使用方便，因容易调节而受到重视，隐身兵器几乎都是用了涂覆型吸波材料。,结构型吸波材料具有承载和吸波的双重功能，其结构形式有蜂窝状、角锥状和波纹状等。,（3）,按,吸收原理,分为,吸收型,和,干涉型两类,。,吸收型主要是材料本身对雷达波损耗吸收。,干涉型利用吸波层表面反射和底层反射波的振幅相等、相位相反进行干涉抵消。,3、吸波机理,由于目前各国探测目标的手段主要为微波雷达。,微波雷达：,利用电磁波在传播过程中遇见介质变化时将在界面,感应,电磁流，并向四周,辐射,电磁能的原理，通过分析雷达接收天线截获(或感应)的辐射电磁能，便可判断目标的距离、方位、大小、类型等。,雷达隐身技术:,是以电磁波,散射理论,为基础,采用各种措施使目标在雷达探测波束范围内,具有极小的雷达截面积,大幅度地减少被敌方雷达接收机截获的电磁波能量,使雷达对目标的探测距离缩短。,采取的手段：,首先应,避免,的是,产生,感应电流,这主要靠材料设计实现(,隐身材料技术,)；其次是,避免,天线接收到电磁能的,辐射,它主要靠外形设计实现(,隐身外形技术,)。,3.1、吸波机理,假设雷达发射的功率为,Pt,接收的辐射功率为,Pr,则有关系式:,Pr=Pt,2,2,/(4),3,4,(1),式中,为天线增益(最大辐射方向的功率与平均值的比值),为电磁波波长,为目标距离,为雷达散射截面,。,这里取决于目标特性的只有雷达散射截面,。,雷达散射截面,与,目标的大小,、,电磁特性,参数,(与形状、波长相关),及,反射系数,有关,。,而,反射系数,取决于,界面材料的电性能,及,雷达波的波长、入射角和入射极化,(电场与入射面的关系)对于平面界面，当入射角垂直界面时，垂直极化与平行极化的反射系数相等，即有,=(,2,-,1,),1/2,/(,2,+,1,),1/2,(2),1、2,为两种介质的本征阻抗，由介质的电特性介电常数,和导磁率,确定,即,1,=（,1,/,1,）,2,=（,2,/,2,）,由(2)式可得,不反射条件为,1,=,2,或,1,/,1,=,2,/,2,(3),由此可见，从目标结构选材方面,缩减(,),的途径,为：,避免两种介质阻抗的剧烈变化，确保阻抗渐变或匹配,，它可通过材料的特殊设计实现，即将材料设计成表面阻抗接近自由空间阻抗,随厚度增加，阻抗渐小（,梯度功能材料,）。,3.2、,阻抗渐变,材料的制备方法,一：采用具有上述电特征的,板层结构,；,二：在主体材料中加入具有相反电特征的物质微粒,导体加陶瓷等绝缘微粒,而绝缘体加金属微粒,且随厚度不同,微粒的密度不同。,另外从能量守恒角度看,电磁波反射减小,折射必增大,如果不将其损耗,当其遇到其他界面(如蒙皮内部或内部结构)时还将反射,。因此必须提高目标物的,损耗,。,损耗的方法为将其转变成其它(如热)能,这也得通过特殊材料的特殊设计实现。,3.3、常用的,损耗电磁能,手段,一是,介电物或微粒型,:借助介电物或微粒的分子在电磁作用下趋于运动,而将电磁能转换为热能损耗掉。,二是,磁化物或粒子型,:借助内部偶极子在磁能作用下运动,同时受限定磁导率影响而将电磁能转变成热能损耗掉。,三是,反相干涉型,:采用一结构形式使入射波相位与反射波相反来衰减电磁能。,目前人们还在探讨其它途径,如利用异性同位素产生的等离子吸收电磁波从而获得高效能。,4、涂覆型吸波材料及其结构型式设计,涂覆型吸波材料：,将吸波涂料分散在有机高分子材料的粘结剂中,同时加入一些其它附加物,采用涂刷或喷涂方法加工,经常温固化形成涂层结构。该涂层适用于复杂曲面形体,且耐侯性及综合机械性能良好。,涂覆型吸波材料一直是隐身材料重要的研究方向,正向获得,“,薄、轻、宽、强,”,的吸波涂层的方向发展。,4.1、涂覆型吸波材料种类,4.1.1、高磁损耗(,HP,),吸波涂层,在各类吸波涂层中,发展最早、应用最广的是用各种金属或合金粉末、铁氧体等制成的涂料。,目前铁氧体材料仍是研制薄层宽带涂层的主体。主要有六角晶系铁氧体和尖晶石型铁氧体。铁氧体材料在高频下具有较高的磁导率，且其电阻率亦高(10,8,10,12,cm)，,电磁波易于进入并得到有效的衰减。近年来对片状六角铁氧体开展了较多研究。应当指出，在低频下(,f,1GHz),铁氧体具有,较高,r,值，而,r,较小,，所以作为,匹配材料,，它具有较金属粉明显的优势。此外，从吸波涂层往低频拓宽吸波频带来看，铁氧体材料具有良好的应用前景。,磁性金属、金属粉末对电磁波具有吸收、透过和极化等多种功能。磁性金属(合金)粉温度稳定性好,介电常数较大,等使其在,吸波涂层,中得到广泛应用。目前用于吸波涂层的主要有微米级(110,)的纯,Fe、Ni、Co,粉极其合金粉末,以及纳米级粉体两类。,磁性吸波材料是通过控制添加的磁性材料的性质和涂敷材料的厚度来获得材料高导磁率的特性,，,通过添加剂和吸收剂进行适当的选择、集中和分布来调节吸波材料,，,使其能在整个涂敷厚度内达到所需要的阻抗和损耗系数,，,从而获得最佳的吸波效能,，,其有效设计厚度仅为,0.5,1.25,mm,。,4.1.2、磁纤维吸波涂层,吸波涂层材料中所使用的球状磁性吸收剂很难满足装备对吸波涂层的苛刻要求。最近国外设计并研制的由,Fe、Ni,、,Co,及其合金制成的一种多层纤维吸波涂层,其中纤维可以通过多种吸波机制来损耗微波能量,因而,可以在很宽频带内实现高吸收,而且重量可减轻40%-60%，克服了大多数磁性吸收剂所存在的过重的缺点。,据称,该涂料已用在法国战略导弹与载人式飞行器上。,多晶羰基铁纤维吸收材料已获得应用,且耐腐蚀多晶羰基铁纤维吸收涂料已在,F/A-18E/F,和,A/F-117X,飞机上使用。,多晶铁纤维在,微波低频段,的吸波性能尤为突出。有资料报道,纤维含量仅为10%(体积比)时,深层厚度为3,mm,的涂层在1-2,GHz,内吸收率大于7,dB,而当纤维含量增加到20%时,测其吸收率高达50,dB,。,在吸波涂层中也经常加入各种导电纤维。如铜纤维、碳纤维等,其主要作用是作为一偶电极存在,通过与入射电磁场的相互作用,引起能量的吸收和辐射,从而可以,“,放大,”,吸收剂的功能,降低涂层厚度与重量,有利于拓宽吸收频带。但磁性纤维在涂层中的作用优于导电性纤维。,多晶铁纤维吸收剂的微波电磁参数具有明显的形状各向异性,，,其轴向磁导率、介电常数,均大于径向介电常数,，,这提供了不同于各向同性的金属微粒的损耗机制。,影响多晶铁纤维吸收剂的因素有纤维的磁导率、电导率、直径和长径比等。在纤维镍、羰基铁和钴纤维,(,其中镍纤维的直径为,2,5,，,羰基铁和钴纤维的直径为,1,3,，,长径比为,15,25),吸收剂中,，,羰基铁纤维的,显著大于钴纤维,，,其微波吸收性能最好。,4.1.3、导电高聚物涂层,近10余年来发展起来的导电高聚物，由于具有结构多样化，密度低和独特的物理、化学特性，引起科学界的广泛重视。,导电高聚物具有共轭,电子的线形或平面形构型与高分子电荷转移给络合物的作用,其电导率可在绝缘体、半导体和金属态范围内变化,电磁参量依赖于高聚物的主链结构、室温电导率、掺杂剂性质、微观形貌、涂层厚度、涂层结构等因素。,将导电高聚物与无机磁损耗物质或超微粒子,复合,，,可望发展成为一种新型的轻质宽频带微小吸收材料。,目前,，,美国,Hunx tvills,公司研制出一种苯胺与氰酸盐晶须的混合物,透明,吸波的频带宽度,，,特别适合对老飞机的隐身改装。此外,，,这种,吸波涂层透明,，,适用于座舱盖、导弹透明窗口及夜视红外装置电磁窗口的隐身,，,减少雷达回波,。,4.1.4、手征吸波涂层,手征吸波涂层是20世纪80年代中期提出来的新型电磁波吸收剂,它是一种具有螺旋结构的物质,该物质与它的镜像不存在几何对称性,不可能通过任何操作使其与镜像重合。,手征吸波涂层是在基体树脂掺和一种或多种具有不同特性参数的手征媒质构成。,理论研究认为手征材料具有参数可调,对频率敏感性小,可达到宽频吸收与小反射要求,。,在实际应用中主要有两类手征物体:,本征手征,和,结构手征物体,。,本征手征物体自身的几何形状(如螺旋线等)就使其成为手性物体；后者是通过其各向异性的不同部分与其他部分形成一定角度关系而产生手性行为使其成为手性材料。,目前研究的雷达吸波型手征材料是在机体材料中掺杂手征结构物质形成的手征复合材料。由于只有与入射波长尺寸相近的手征材料才能与入射波相作用,因此基体中掺杂的手征物质应具有与微波波长同量级的特征尺寸。但从实际应用考虑特征尺寸的范围为0.015更合适。这样便于将手征掺杂物嵌入基体中。,美国、法国和俄罗斯非常重视手性材料研究,在微观机理研究方面已有较大进展,并通过实验证实了旋波特性。目前实验室内已能制出面积为0.1,m,2,、,厚0.005,mm,的薄膜样品,薄膜厚度均匀,目前正在研制面积更大的薄膜。,4.1.5、纳米隐身材料,纳米材料的开发一直是材料科学领域的研究热点，在吸波材料方面纳米材料也有比较好的发展前景。,由于量子尺寸效应和隧道效应等，引起周期边界条件的破坏，使纳米材料的声、光、电、磁及热力学特性发生明显的变化，使它产生许多不同于常规材料的特异性能。,纳米隐身材料吸波原理：,一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，纳米微粒材料对波的,透过率,比常规材料要强得多，大大减小了波的反射率；,另一方面纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大 3-4 个数量级，表面原子比例高，悬挂键增多，从而界面极化和多重散射成为重要的吸波机制，量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级发生分裂，分裂的能级间隔正处于微波的能量范围内（10,2,-10,5eV），,从而形成新的吸波通道。对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大为降低，因此很难发现探测目标，起到隐身作用。,目前,，,纳米雷达波吸收剂主要研究有,:,纳米金属和合金、纳米铁氧体、纳米碳化硅、纳米金属膜、纳米氮化铁等,。,纳米磁性粒子,在,10,100,时多磁畴结构转变为单磁畴结构,具有极大的矫顽力,可引起较大的磁滞损耗。,磁性纳米粉其粒径与吸波性能有密切关系,，,因,10,-,25,nm,的铁磁性金属比常规材料的矫顽力大,1000,倍,，,磁化率大约,20,倍,，,此时具有良好的吸波性能,；,而当尺寸小于,10,nm,时,，,表现为超顺磁性而失去优异的吸收性。因此，磁性纳米粉不能在高温下作为雷达吸收剂。,纳米碳/硅,吸波材料是研究者们关心的另一个热点。纳米碳/硅吸波材料主要是指纳米碳管、纳米,SiC,等。,因纳米碳管具有高导性，比表面积大用它们制得的复合材料有,吸波,和,承载,的功能。,目前，一般采用在纳米碳管表面镀镍的方法，改善碳与基质结合性差的缺点，通过加强纳米碳管表面的氧化、敏化、活化处理调整传统化学镀镍溶液配方和条件，使反应在尽可能低的速率下进行。,其机理是：碳作为偶极子在电磁场的作用下耗散电流，在周围基质作用下，耗散电流被衰减，电磁波能量转换成热能等形式。,SiC,的突出优点是具有耐高温，相对密度小，强度大的特点纳米碳化硅,的吸收频带更宽，对厘米、毫米波段和红外波段都有很好的吸收，与磁性纳米吸收剂复合后，吸波效果还能大幅度提高。,纳米金属膜,不仅制备工艺简单、价格低,而且不存在难于分散的问题。,4.2、涂覆型吸波材料的结构型式设计,合理的结构型式是达到理想吸波效果的关键因素之一,主要经历了单层、双层和多层涂覆结构的发展过程。,4.2.1、单层涂覆结构,一般利用导电纤维、树脂及损耗介质混合均匀后直接热压成型,或喷涂成型。,在单层涂覆结构中,纤维含量和排列方向对复合层板介电性能产生影响:纤维与施加电场方向的夹角越大层板电击穿强度越高；纤维含量增加,其单向纤维复合层板的介电性能下降。,投入研制开发的有铁氧体(烧结体)、酚醛树脂、钢丝制成的单层吸波涂层,由铁氧体粉末、聚已烯树脂粉末和短钢丝经混炼后,在有机溶剂二甲苯中分散,加压制成的吸波材料等。,但是,单层涂层吸收频带窄,无法满足隐身对涂层质轻、宽频的要求,发展双层和多层涂覆结构才可能满足上述要求。,4.2.2、双层和多层涂覆结构,为了降低面密度、展宽频带,目前研究较多的是电损耗和磁损耗材料相结合的双层和三层吸波涂层,这种电损耗材料的密度只有磁损耗材料的1/31/4。,对于由变换层和损耗层构成的双层结构,其损耗层作为低阻抗的共振器能很好地吸收和衰减经由变换层入射来的电磁波，而变换层作为1/4波长变换器和损耗层之间进行阻抗匹配。,研究表明,采用电损耗材料与磁损耗材料相结合的双层涂层比单层涂层带宽大大增加。为了进一步减重和展宽频带,研究了多层涂覆结构。,如由导电纤维含量逐渐变化形成层板间阻抗渐变结构,或者发泡树脂中掺混损耗介质(铁氧体),以及通过控制发泡率来调整空隙含量,用导电纤维增强的多层泡沫夹层吸波结构。还设计了几何渐变结构、角锥(方锥或圆锥形)结构,目的都是一致的,沿吸收体的厚度方向缓慢改变有效阻抗以获得最小反射。,5、,结构型吸波材料,尽管涂覆型吸波材料已得到广泛应用,但其也存在以下,缺点,:如频带窄、高速飞行时易脱落、涂层厚、比重大、使部件增重大等。,近来在涂覆型吸波材料基础上发展起来了结构型吸波材料。,结构型吸波材料的,优点既有高的结构强度,又有好的吸波性能,而且在一些条件下缓冲了厚度与重量上的矛盾与限制,正获得越来越广泛的应用。,5.1、结构型吸波材料的种类,5.1.1、热塑性混杂纱吸波复合材料,国外经过大量的探索研究发现,大多数非金属材料都有比较好的透波性能。材料的透波性能取决于它的介电常数、介电损耗和抗湿度性能。,通常介电损耗较低的材料,透波性能更好些,把热塑性,PEEK,、,PPS、PEKK,和,LCP,等树脂纺成单丝或复丝,分别与不同的特殊纤维(如碳纤维、玻璃纤维、石英纤维、芳酰胺纤维和陶瓷纤维等)按一定比例交替混杂成纱束,再把混杂纱编织成各种织物、轻质夹芯或粗网格布,然后将混杂织物与同类的树脂制成复合材料,具有优良的吸透波性能,又兼具复合材料重量轻、强度大、韧性好等特点。,用它来制造隐身飞机机身、机翼和导弹壳体等部件,能大大减少隐身飞行器雷达散射截面()。,另外,采用有棱角的方形或三角形横截面的特殊碳纤维和,PEEK,等树脂的单丝或复丝混杂织物制成的复合材料对雷达波的吸收非常有效。,混杂纱吸波复合材料是一类很有发展前途的结构隐身材料。它将成为21世纪新型的航空材料。,5.1.2、,陶瓷型吸波材料,陶瓷材料具有优良的力学性能和热物理性能,特别是耐高温、强度高、蠕变低、膨胀系数低、耐腐蚀性强和化学稳定性好,同时又具有吸波功能,能满足隐身的要求,因此已被广泛用作吸收剂。,据报道,美国用陶瓷基材料制成的吸波材料,加到,F-117,隐身飞机的尾喷管上,可以承受1093的高温。,法国,Al-cole,公司采用陶瓷复合纤维制造出了无人驾驶隐身飞机。这种陶瓷复合纤维由玻璃纤维、碳纤维和芳酰胺纤维组成,加入,TiO,2,后可耐1200高温。,陶瓷吸波材料主要有,碳化硅,吸波材料,、碳化硅-硅纤维,吸波材料、,铁氧体,吸波材料。,5.1.2.1、碳化硅吸波材料,在陶瓷吸波材料中,碳化硅是制作多波段吸波材料的主要组分,有可能实现,轻质、薄层、宽频带和多频段吸收,很有应用前景。,国外,耐高温陶瓷,吸收剂的研究报道多以碳化硅为主,日本、美国、德国对碳化硅陶瓷研究应用的重要方向之一正是吸波材料。,碳化硅不仅是一种性能优异的结构陶瓷材料,具有硬度高、高温强度大、抗蠕变、耐蚀、抗氧化、热膨胀系数小、热传导率高等特点；同时,它还是一种宽带隙半导体(3,eV),可用于高功率、高频率和高温电子器件。,碳化硅的粒径、热处理时间等对其吸波性能影响非常大,在不同处理温度和时间条件下,其电阻率变化范围较大(10010,5,cm),因此可以通过控制工艺参数,对其显微结构和电磁参数进行控制,获得所希望的吸波效果。,SiC,陶瓷吸波材料的损耗机理较为复杂,一般认为是多种损耗机制的共同作用。在不同条件下(如热处理条件,晶粒大小、形貌,以及掺杂多少等),以不同的损耗机制作为吸收的主要原因。在一定条件下,SiC,的损耗机制以,介电极化,为主。,5.1.2.2、碳化硅-碳纤维吸波材料,SiC-C,纤维是新近研究的一类材料。它,综合了,SiC,耐高温氧化和碳纤维高强度、导电的优点,。由于这种纤维是以,-SiC,型微晶与自由状态的,X(X,可以是,C,N,Fe,Ni,Co,Ti,Zr,单独一种或同时多种元素)成混晶状态,所以,它的损耗综合了介电损耗和磁损耗,。,航天材料及工艺研究所的黎义等人利用,SiC,涂层和,SiC-C,共沉积涂层改性碳纤维表面,通过改变涂层或沉积层的厚度及其中的碳含量来改变材料的复介电常数,从而使材料对电磁波的反射特性有所降低。,5.1.2.3、铁氧体吸波材料,铁氧体吸波材料是研究得较多也较成熟的吸波材料。,它的,优点,：吸收效率高、涂层薄、频带宽;,不足之处,：比重大,使部件增重,以至影响部件性能。,按微观结构的不同,铁氧体可分为六角晶系磁铅石型、立方晶系尖晶石型和石榴石型三个主要系列。,铁氧体对电磁波的吸收包括介电性和磁性两方面的原理。介电性方面主要来自极化效应；磁性方面,大体可分为磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分。,一般认为工作在微波频段的铁氧体吸收剂产生损耗的机制主要是剩余损耗中的自然共振。近两年在铁氧体吸收剂方面的研究很多,主要集中在日本,其思路、手段对我国的研究具有一定的启示。,5.1.2.4、碳,碳吸波材料,碳,碳材料也是一种优良的结构吸波材料,能很好的减少红外信号和雷达信号。,优点：,具有极稳定的化学键,抗高温烧蚀性能好、强度高、韧性大,还具有优良的吸波性能。,碳,碳材料最大,缺点,：抗氧化性差,在氧化气氛下只能耐400,涂有,SiC,抗氧化涂层的碳,碳材料抗氧化性能大大提高。,5.2、结构型吸波材料的结构型式设计,对于结构型吸波材料,合理的结构型式仍然是达到完全隐身效果的关键因素之一,目前主要有,层板型,和,夹心型,两大类。,5.2.1、层板型结构型式设计,设计层板型吸波结构时要考虑厚度、比重、吸波性能和承载性能等因素,通常采用复合材料组成多层结构。,目前研制较多是,三层结构,:如由,阻抗变换层,、,低介质层,和,大损耗层,组成的三层结构。,其中,阻抗变换层,的作用是引导电磁波进入材料与空气间匹配;,大损耗层,含有铁氧体和短金属纤维,所以有较高的衰减性能;,在两个低阻抗层中加入了一个高阻抗的,移项层,使得这种结构成为一种,“,陷阱,”,式结构,调整移项层的电厚度可改变结构内部电磁波的相位,使其发生叠加从而干涉掉电磁波,并且能增加电磁波在材料中的传播路径,从而增加了吸波效应。,为达到更好的吸波效果,可采用多种结构型式或综合设计的方法,如洛克希德公司研制的一种由七层组成的复杂的蜂窝结构,不仅有足够的刚性、强度和耐高温性能,而且重量轻,吸波性能好,适于作飞机的隐身蒙皮。,5.2.2,夹心型结构,吸波材料是用透波性好,强度较高的复合材料作面板和低板,而夹心结构可以是蜂窝结构、波纹结构或角锥结构。,其中蜂窝结构制造比较成熟,可以考虑在夹心上涂吸波涂料,或用结构吸波材料制造蜂窝,蜂窝形状有多种,在传统六边形蜂窝的基础上发展起来的正方形、长方形、菱形等新的蜂窝结构夹心有更高的机械性能。,波纹板为两个斜面相交的结构型式,有利于多次吸收。,角锥四个斜面相交,角锥高度(吸收体厚度)不同,有效吸收范围不同。角锥结构的顶角在40,左右为好。,在这些夹心结构上浸透或涂覆吸收剂或在夹心结构中填充带有吸收剂的泡沫塑料来增加吸收性能。,6、吸波材料的合成,吸波材料的合成方法很多，本文主要介绍铁氧体吸波材料的常见合成方法。,6.1、传统固相反应法,传统固相反应法是将金属或金属氧化物按化学计量比充分混合，粉末在高温条件下焙烧，将所得产物机械磨碎，即得样品。,另一种方法是将含有产物粒子的原料先混合球磨，而后焙烧。,传统的固相反应法设备工艺简单，但所得产物粒径较大，焙烧温度高，目前已逐渐被其他方法代替。,6.2、共沉淀法,共沉淀法一般分为两类，一类是以二价金属盐和三价铁盐为原料，按化学计量比加入一定量的可溶性无机碱如,NaOH、KOH、NH3,H2O,作沉淀剂，将所得沉淀洗涤、过滤，之后在高温条件下焙烧所得的沉淀物即得最后产物。,另一类是以二价金属盐和二价铁盐为原料，按化学计量比混合，再通入一定量的,O,2,使其氧化，反应若干时间即得产物。此方法由于生成的沉淀多呈胶体状态，因此不易洗涤和过滤，且实际生产中仍需耐高温设备，产物粒径偏大。,6.3、溶胶-凝胶法,溶胶-凝胶法是将金属醇盐或无机盐经溶液、溶胶、凝胶而固化，再将凝胶低温热处理变为氧化物或其它固体的方法。,溶胶-凝胶转化可按有机途径和无机途径进行。在有机途径中，从醇盐制备的溶胶利用醇盐水解和聚合而成凝胶。,也可通过聚合反应实现溶胶-凝胶转化，溶液的凝胶化是通过形成有机聚合物网络完成的，凝胶化后，再经过陈化、干燥和热处理得到产物。,无机途径制备凝胶是指从胶体化学出发，通过向无机盐溶液中加碱使水解反应正向进行，逐渐形成沉淀，经充分洗涤、过滤并分散于强酸溶液中便得到稳定的溶胶，再经过加热脱水溶胶变为凝胶，干燥和焙烧后形成金属氧化物粉体。,该方法的优点是产物粒径小，分散均匀，且实验条件易于实现，为广大研究者采用。,此外，还有在特殊条件下的合成方法，如水热法、激光气相沉积法、蒸发冷凝法、气相水解法、溅射法等，可根据特殊要求进行合成研究。,7、吸波材料的发展趋势,近期来国外对吸波材料的研究十分活跃,国内也正在密切注视国外在此领域的研究动态,并积极开展我国隐身材料的研究。,涂覆型吸波材料在国外飞行器上的应用一直占据重要地位,而且在不断研究之中,现代武器装备对雷达吸波涂层提出了更苛刻的要求,迫使人们不断探索新原理与新途径,研制出性能更高、多频谱(雷达、红外、可见光等)兼容的涂料,。,纳米材料,由于其结构尺寸在纳米量级,物质的量子尺寸效应和界面效应等对材料性能产生重要影响,特别是纳米材料具有极高的电磁波吸收特性,已成为吸波材料研究发展中的一个新领域;,智能材料,因具有感知功能、信号处理功能、自己指令并对信号作出最佳响应的功能而成为隐身材料研究的一个热点。,而最理想的吸波涂层是其化学成分能使电磁波在其内的波长不因入射波的频率变化而变化,但目前国内外尚未做到这一点。,在先进复合材料基础上发展起来的既能隐身有能承载的,结构型吸波材料,具有涂覆材料无可比拟的优点,是当代隐身材料主要发展方向。其研制的关键是复合材料层板的研制及其介电性能的设计匹配,有,“,吸、透、散,”,功能的夹芯材料的研制与设计以及各个因素的优化组合匹配等。,应用计算机辅助优化设计在有限的条件约束下为结构层吸波材料的研究提供了方便,可望近期内对结构型吸波材料及其结构型式的研究会有更大发展。,第三节、红外隐身技术与材料,随着军事科技的进步,，,现代的红外侦察、瞄准及目标捕获技术得到迅速发展,，,目前已达到,“,发现即命中,”,的水平。因而使各种军事目标和武器装备的安全受到严重威胁,，,为此,，,以降低装备红外线信号特征和消弱敌方红外探测效能为宗旨的红外隐身技术,，,受到了各国的高度重视,，,并迅速发展。,美国,20,世纪,70,年代开始红外隐身技术的研究,，80,年代地面装备的热隐身涂料研制工作已初见成效,，