第七章 隐身材料,随着电子技术的飞速发展,未来战场的各种武器系统面临着严峻的威胁隐身技术作为提高武器系统生存能力的有效手段,受到世界各国的高度重视隐身技术是指在一定遥感探测环境中降低目标的可探测性,使其在一定的波长范围内难以被发现的技术隐身技术的出现促使战场上的军事装备向隐身化方向发展,如隐身飞机、隐身导弹、隐身舰艇、隐身军车等武器装备的相继出现,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武器系统的隐身能力可以通过外形设计和使用隐身材料来实现,外形设计虽然效果较好,但受到许多条件的制约,所以隐身材料的发展和应用成为隐身技术发展的关键因素之一 在入侵巴拿马、海湾战争以及入侵南联盟的战争中,美国的F 117 战斗攻击机执行了几千架次的空袭任务,却只损失了一架战机;而B 2 隐身轰炸机从美国本土长途奔袭到南联盟执行轰炸任务却未受丝毫威胁创造这一奇迹的原因之一就是隐身技术的应用最大限度地保护了战机,隐身技术在提高现代兵器的突防能力方面正发挥着越来越重要的作用F117隐形轰炸机,B 2 隐身轰炸机,,,,空中客车A380,B-2 轰炸机900m 2的外表面95% 涂覆有一种具有不同厚度的韧性隐身涂层。
这种涂层是导电的, 每5 年要更换一次, 在B-2 轰炸机的整个寿命期内, 将这种涂层剥除并重新涂覆大约要进行4 次, 以保证它的隐身特性 此外,B-2 轰炸机大量采用了吸波复合材料,如机身表面的大部分由吸波的碳纤维蜂窝夹层结构制成外翼的蒙皮及梁大多采用碳纤维--环氧复合材料国外隐身材料发展历程 国外隐身技术及材料研究始于第二次世界大战期间,起源在德国,发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯及日本等发达国家经过半个多世纪的发展,成绩斐然从50 年代起,美国开展隐身技术研究,经过20多年的发展,70 年代开始研制隐身飞机,80 年代隐身飞机装备部队并投入使用现已装备的F 117A隐形攻击机、B 2 战略轰炸机以及新问世的F 22先进战术隐身战斗机均采用了不同类型的隐身材料 俄罗斯的S 37 隐身战斗机也已问世这些雷达隐身战机的相继问世标志着国外隐身技术已进入工程发展阶段F-22“猛禽”战斗机,,,中国 暗剑无人驾驶战斗机,目前,世界上正在研制的第四代超音速歼击机,其机体结构采用复合材料、翼身融合体和吸波涂层,使其真正具有了隐身功能,而电磁波吸收型涂料、电磁屏蔽型涂料已开始在隐身飞机上涂装美国、俄罗斯等国新一代空对地,地对空导弹的隐身正朝着轻质、宽频带吸波、可喷涂、热稳定性良好的隐身材料方向发展。
雷达隐身材料 在现代战争中,雷达是探测目标的最可靠的方法,因此,雷达隐身技术是隐身技术的重点雷达隐身技术的核心是降低目标的雷达散射截面积,其技术途径主要有两条:一是通过目标的外形设计降低散射面积;二是目标应用雷达吸波材料达到降低散射面积 目标的外形技术不仅受到战术技术指标的限制,而且使目标的生产难度大、耗资多,所以研究和开发高性能的雷达吸波材料成为隐身技术领域中的重大课题早在二战期间,德国就在潜艇上应用雷达吸波材料,以躲避盟军的雷达探测在六七十年代,美国在SR - 71 高空高速侦察机上涂敷了雷达吸波材料到现在雷达吸波材料已有十多种,如果按材料成型工艺和承载能力,可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料两种涂敷型吸波材料 涂敷型吸波材料是将吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面成吸波涂层,因其吸波性能优异和工艺简单而受到世界各国重视目前涂敷型吸波材料主要包括 铁氧体吸波涂料 超细金属粉末吸波涂料 复合磁性金属化合物吸波涂料 羰基铁吸波涂料 陶瓷吸波涂料 掺杂高损物吸波涂料 盐类吸波涂料 放射性同位素吸波涂料 导电高分子吸波涂料 纳米吸波涂料 稀土元素吸波涂料等其中铁氧体是研究得比较多而且比较成熟的吸波材料。
例如,美国的F - 117A 隐身飞机和“海上阴影”号隐身舰艇都采用的是一种叫“铁球”的铁氧体涂料 陶瓷吸波涂料也是一种研制较多的吸波材料,它比铁氧体、复合金属粉末等吸波涂料的密度低、吸波性能好,而且还可以有效地减弱红外辐射信号纳米材料的兴起,使得纳米吸波涂料也逐渐成为吸波材料的一个发展方向纳米材料是指材料组分的特征在纳米量级(1100nm) 的材料,它独特的结构使其自身具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应,金属、金属氧化物和某些金属材料的纳米级超微细粉末在细化过程中,处于表面的原子数越来越多,增大纳米材料的活性,在电磁场的辐射下,原子、电子运动加剧,促使磁化,使电磁能转化成热能,从而增加了对电磁波的吸收纳米吸波涂料是一种非常有发展前途的吸波涂料 结构型吸波材料 吸波材料的另一大类是结构型吸波材料 ,它是一种多功能复合材料,具有承载和减小雷达反射截面的双重功能,是一种非常有发展前途的吸波材料结构型吸波材料主要包括 碳纤维复合材料 碳碳复合材料 含铁氧体的玻璃钢材料 充填石墨的复合材料 玻塑材料 碳化硅纤维复合材料 混杂纤维增强复合材料 特殊碳纤维增强的碳热塑性树脂基复合材料 导电复合材料 结构手征复合材料等,国外结构吸波材料已经进入应用阶段。
美国的先进隐身战斗轰炸机F - 117 、战略轰炸机B -2 、战斗机YF - 22 、YF - 23 、F - 22以及先进巡航导弹上都大量采用了碳纤维、碳/ Kevlar 纤维或碳/ 玻璃纤维混杂纤维作为增强材料的结构吸波材料 美国在1991 年的海湾战争中使用了F- 117 隐身战斗机,出动1000 多架次无一受损,取得了很好的战绩隐身”用的特种碳纤维与传统的碳纤维不同,特种碳纤维的截面不是圆形的,而是有棱角的三角形、四方形或多角形截面碳纤维,用这种非圆形特种碳纤维与玻璃纤维混杂编织成三相织物,这种三相织物就象微波暗室结构一样,有许许多多微小的角锥,具有良好的吸波性能用这样的特种碳纤维制成结构吸波材料具备隐身/ 结构双重功能,B - 2 隐身轰炸机的蒙皮就是用这种“隐身”特种碳纤维来制造多层吸波蒙皮,既能满足飞机的机动特性,又不会反射雷达波,能起到很好的隐身作用 混杂纤维增强复合材料是通过增强纤维之间一定的混杂比例和结构设计形式制造而成的满足特殊性能要求或综合性能较好的复合材料,目前该种材料已应用于美国的B - 2 隐身战略轰炸机碳化硅纤维复合材料是将碳纤维和碳化硅纤维以不同比例,通过人工设计的方法,控制其电阻率,便可制成耐高温、抗氧化,具有优异力学性能和良好吸波性能的碳化硅碳纤维复合纤维。
碳化硅碳纤维复合纤维和接枝酰亚胺基团与环氧树脂共聚改性为基体组成的结构材料,具有优异的吸波性能导电复合材料是由在非金属聚合物或树脂类物质中加入导电性纤维或纳米级金属粉末制成的当雷达波透过时,由于部分能量被吸收,而使反射的雷达波能量大大衰减,因而成为有效的吸波材料,其吸收频带可通过加入物质的种类和多少来调节混入的导电性纤维主要有聚丙烯腈纤维、镀镍的碳纤维、不锈钢纤维等这种复合材料可作为飞机或导弹的结构材料不管是涂敷型吸波材料,还是结构型吸波材料均是针对雷达探测系统研制开发的隐身材料,这些吸波材料主要吸收雷达辐射出的厘米级电磁波 然而近几年,毫米波雷达和米波雷达的相继问世,使雷达隐身吸波材料将向兼容吸收厘米波、毫米波和米波,追求宽频带吸收的方向发展红外隐身材料 随着红外探测技术的发展和先进红外探测器的问世,红外探测在现代战争中将占有越来越重要的地位, 如海湾战争中美国击落的飞机, 有40 %是由红外制导的空空导弹击中的 因此,红外隐身材料的研究已成为继雷达吸波材料之后未来吸波材料研究中的一个重要内容红外隐身纤维材料是红外隐身材料的一种,是能够吸收或屏蔽红外波以达到隐身作用的功能性纤维材料根据其功能,红外隐身纤维材料要求对红外波,特别是近红外波有强吸收能力或屏蔽作用。
国外由于涉及军事机密,因此有关红外隐身纤维的报道,不论期刊还是专刊都很少;国内在这方面的工作也很少,在80 年代虽曾有人用可吸收红外波的染料或涂料在织物上涂层做成野战迷彩服,但由于吸收红外波的效果不够理想,因此也没有什么可借鉴之处但由于这种红外隐身纤维材料的核心就是红外吸收剂,而国内外有关红外吸收剂的研究已有不少早在1990 年,Masarn Matsuoka就指出酞菁化合物是一种好的近红外吸收剂,由酞菁经过反应形成的金属酞菁化合物及其衍生物可吸收772nm 以上的近红外波D. Setiadi 等人研究出一种导电聚合物应用于自吸收的热电传感器,其原理是使用一种红外吸收剂将入射的红外辐射全部吸收,并把它转变成热能,通过热电传感器上温度的升高而检测到红外辐射,在此研究中使用的红外吸收剂主要是聚吡咯、聚噻吩将聚噻吩与聚苯乙烯磺酸盐在水中混合成胶体悬浊液,将其与粘合剂混合应用喷涂或溶液浇铸的技术涂敷在热电感应器上,这样的红外吸收剂能吸收90 %以上的位于24m 波长的红外线这种热电感应器显示出比普通热电感应器具有更高的灵敏度在红外吸收剂方面,国内也进行了一定的研究开发工作电子工业用染料被用作光电体系中有效吸光的关键物质,在激光系统、热写显示系统等体系中,近红外吸收染料被用作激光有效的感光介质。
这些染料包括菁染料、醌染料、酞菁染料、金属络合染料,它们对在780830nm 范围内的近红外光有强吸收作用,摩尔吸光度大,从而得到较高的灵敏度 尽管国内外在红外吸收剂方面研究比较多,但将红外吸收剂应用于纤维或织物的报道却比较少瑞士山德士公司的Friedrich 等人采用五六或六六杂环化合物的红外吸收剂涂敷于织物上,从而达到隐身目的另据美国防务新闻(1998. 4. 612) 报道,美国正在研制一种低成本射频吸波材料,可以用作纤维使用,明显降低人体的红外信号特征但由于涉及军事机密,没有详细报道所以,直到现在还未有将红外吸收剂加入纺丝中制成红外纤维隐身材料的报道毫无疑问,红外隐身纤维材料必定是未来隐身材料的发展方向随着雷达与红外探测器性能的提高,武器装备面临的战场威胁环境将更加恶劣,对隐身材料提出了更高的要求雷达隐身材料将向兼容吸收厘米波、毫米波和米波,追求宽频带吸收的结构型吸波纤维材料方向发展而随着红外探测技术的发展和先进红外探测器的问世,红外隐身纤维材料的研究也将成为未来吸波材料研究中的重点多功能隐身材料 多功能隐身材料是一个发展方向,世界各国都在开展红外与雷达兼容、红外与激光兼容、激光与雷达兼容等多功能隐身材料的研究工作。
红外/ 雷达多功能隐身材料 在当代军事探测和制导技术中雷达和红外是两种最普通和最主要的技术红外/ 雷达兼容的多功能隐身材料在多功能隐身材料的研制中开展最早,报道最多红外/ 雷达兼容的多功能隐身材料要求在可见光和近红外有伪装作用,对微波有高吸收低反射,在热红外波段有低发射率目前可应用的热红外隐身材料和雷达隐身材料都不能达到上述要求红外/ 雷达兼容的隐身原理 从原理上分析,研制红外/ 雷达兼容的多功能隐身材料有两种方法:一是研制一种材料,使它同时具有微波高吸收、热红外低辐射的性能,且兼容可见光和近红外隐身;二是分别研制高性能微波吸收材料和低辐射的红外隐身材料,后将它们复合,使其复合后各隐身性能保持不变或变化不大两条技术途径从原理上讲是可行的,但实施起来有相当大的难度 因为对不透明体有能量守恒定律:+ R = 1 ,为发射率, R 为反射率因此小, R 就必然大,反之亦然 尽管如此,由于它们都是波长的函数且红外波与雷达波相差较大,因此,找到微波区反射率小,而热红外反射率大、发射率小的材料是有可能的红外/ 雷达兼容隐身材料的种类 目前国内外研制的红外与微波兼容的多功能隐身材料主要有单一型材料和复合型材料两种。
单一型材料 掺杂半导体材料 红外隐身材料中应用最多的是金属材料,金属材料虽有良好的红外反射性能,但不利于雷达隐身因此研制兼容性良好的单一型的红外/ 雷达隐身材料一直是研究者奋斗的目标掺杂半导体材料的。