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1、高分子凝聚态物理及其进展第八章 隐身技术及隐身材料简介8.1 雷达隐身技术及吸波材料8.1.1 雷达隐身技术现代军事技术的迅猛发展，世界各国的防御体系被敌方探测、跟踪和攻击的可能性越来越大，军事目标的生存能力和武器系统的突防能力受到了严重威胁。因而，武器的隐身得到了广泛的重视，并迅速发展，形成一项专门技术隐身技术（stealth technology）。它作为一项高技术，与激光武器、巡航导弹被称为军事科学上最新的三大技术成就。隐身技术是指在一定范围内降低目标的可探测信号特征，从而减小目标被敌方信号探测设备发现概率的综合性技术。现代隐身技术按目标特征分类，可分为可见光隐身技术、雷达或微波隐身技术
2、、红外隐身技术、激光隐身技术和声波隐身技术，其中雷达隐身占60%以上，因而雷达波隐身技术是当前隐身技术研究的重点1。雷达隐身涂料的发展使得隐身目标的战场生存能力和武器系统的突防能力得到了极大的提高，并在近十年的局部战争中发挥了重大作用，影响了现代战争的模式和概念。早在20世纪30年代，荷兰就首先将吸波材料用于飞机隐身2。其后，德、美等国也将吸波材料用于飞机和舰艇。到60年代，美国将吸波材料用于-2、F-117等飞机上。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，最有代表意义的是-117、-2、-22等隐形飞机。-117隐身战斗机成功并系统地运用了各种缩减雷达
3、散射截面的措施，使其值减小到0.0252；-2隐形轰炸机的值为0.12；而人的RCS值为1m23。雷达隐身技术的核心是缩减目标的雷达截面积（RCS）。减少武器RCS值的途径主要有三条：（1）外形隐身技术。通过外形设计来消除或减弱散射源，特别是强散射源。（2）阻抗加载技术。通过加载阻抗的散射场和武器的总散射场互相干涉来减少RCS。（3）材料隐身技术。通过材料吸收或透过雷达波来减少RCS值。其中材料隐身技术因其具有吸波性能好、工艺简单和容易调节等优点，在隐身技术中占有重要地位。8.1.2 吸波复合材料概述吸波材料是指能够吸收衰减入射电磁波能量，并通过材料的介质损耗使其电磁能转换成热能或其他能量形式
4、的一类功能复合材料。吸波材料一般由基体材料（或粘结剂）与吸收介质（吸收剂）复合而成。本文主要研究对雷达波具有吸收损耗效应的吸波材料（radar absorbing materials，缩写RAM）。8.1.2.1. 吸波复合材料特性吸波复合材料一般要求具备以下特性：（1）厚度薄，质量轻。吸波涂料的质量对武器来说完全是附加的。例如铁氧体涂料的比重约为5g/cm3，如涂层厚度为4mm，涂覆面积为50m2，附加重量就达到1000kg，这对于飞机、导弹等武器来说都是不切实际的。此外，涂层太厚和太重还影响飞行器的气动特性，增加涂覆工艺的难度等。（2）频带宽，反射率低。雷达工作频带很宽，大约在1140GH
5、范围，且还在拓宽。对隐身飞行器，吸波涂料的主要覆盖频段118GHz，坦克车辆主要在26.540.0GHz和90140GHz范围内。目前的工作就是在衰减量10dB的情况下追求尽可能宽的频带。（3）功能强。要求吸波复合材料既可以作吸波材料，又可以作结构材料，有高的力学性能及良好的环境适应性和物理化学性能。8.1.2.2. 吸波复合材料的吸波原理吸波材料的基本物理原理是材料对入射电磁波实现有效吸收，将电磁波能量转换为热能或其他形式的能量而耗散掉。该材料应具备两个特性即波阻抗匹配特性和衰减特性。（1）阻抗匹配特性，即创造特殊的边界条件使入射电磁波在材料介质表面的振幅反射率最小（理想情况=0）从而尽可能
6、地从表面进入介质内部。最简单的情况是电磁波从自由空间垂直射到介质表面，此时4，5：=（-0）/（+0）；=（Zn-0）/（Zn+0）式中 电磁波在涂层表面的振幅反射率；涂层的相对本性阻抗；0自由空间的相对本性阻抗；Znn层的表面相对阻抗。欲使 =0则 =0 而 0=（0/0）1/2； =（/）1/2； 式中 0 、0自由空间的相对磁导率、相对介电常数，均为1； 、涂层的相对磁导率、相对介电常数。当介质有损耗时，相对磁导率和相对介电常数应为复数（=- j、 =- j）；所以可得 =可见，要使直射电磁波完全进入涂层阻抗完全匹配，涂层的相对磁导率和相对介电常数要相等。事实上还没有这种电磁参数的涂料，
7、因此只能尽可能的使之匹配。（2）衰减特性，是指进入材料内部的电磁波因损耗而迅速地被吸收。损耗大小可用电损耗因子tane=/和磁损耗因子tanm=/来表征。e、m分别称为电损耗角和磁损耗角。在满足阻抗匹配的条件下，复介电常数虚部和复磁导率虚部越大，损耗越大，越利于电磁波的吸收。不同的吸波材料对于电磁波的损耗形式是不同的，针对不同材料分别讨论各种损耗机制。i）电阻型损耗，即交变电磁场作用下的“漏电”损耗和交变磁场作用下的“涡流”损耗，相当于电磁波能量衰减在电阻上； ii）与反复极化有关的介电损耗，极化过程包括6电子云位移极化、离子位移极化、极性介质电矩转向极化、铁电体电畴转向极化及畴壁位移、高分子
8、中原子团局部电矩转向极化、缺陷偶极子转向极化等； iii）与反复磁化有关的磁损耗，主要来源有7磁滞、磁畴转向、畴壁位移、磁畴自然共振等。对于无损耗的各向同性介质，各点电位移D与电场强度E同位相，磁感应强度B与磁场强度H同位相。若有损耗，、为复数，则D与E有相位差(滞后)，B与H也有相位差(滞后)。该相位差即电磁损耗角e、m。对各向异性介质，、都要用复张量表示。由上可知，要提高介质吸波效能，必须提高、。基本途径是提高介质电导率，增加极化“摩擦”和磁化“摩擦”，同时还要满足阻抗匹配条件，使电磁波不反射而进入介质内部被吸收。对单一组元的吸收体，阻抗匹配和强吸收要同时满足常常会有矛盾，真正的等于的材料
9、也难找到。这样就有必要进行材料多元复合，以便调节电磁参数，使之尽可能在匹配条件下，提高吸收损耗能力。复合吸波材料的结构有多层复合结构和分散复合结构两类5。尽管提高吸收介质的电导率是增加损耗的重要手段，但电导率达到金属特性时，反射系数r1，将远离匹配条件，金属作为导电吸收剂一般以超细粉状态复合到其他介质(如聚合物)中。一定存在一个最佳的电导率，使材料的回波率最低，这个电导率（复合材料平均电导率）一般在半导体电导率范围中。导电填料（如炭黑、石墨、金属粉等），复合到聚合物中作为吸波材料是一种电阻型损耗材料，其导电机制可以作如下解释21：(1)导电网络学说8：导电填料在聚合物基体中形成导电网络，提供了
10、载流子宏观运动通道，在直流电流作用下，填料比例达到某个阈值，导电粒子在材料中形成完整网络，导电性将急剧增加。但是在交变电磁场作用下，在材料体内只要存在局部导电网络，就能形成损耗电流或涡流，应无明显的阈值；(2)隧道效应9：即使未形成导电网络，量子隧道效应也能使电子越过势垒运动而使材料导电；(3)电场发射学说20：在电场作用下，导电粒子会感应出电荷。导电粒子之间会形成很大电场，粒子间的库仑作用会引起发射电流，同时也会使粒子间的介质导通；(4)孤子或极化子导电11，12：对含有掺杂共轭结构的导电聚合物相的复合材料，导电聚合物中的载流子是孤子或极化子，这些载流子在聚合物分子链内运动而导电，也可在链间
11、因量子隧道效应而发生跳跃导电。8.1.2.3.吸波复合材料分类 雷达吸波材料按成型工艺和承载能力可分为涂敷型和结构型。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形成吸波涂层，它适用于复杂曲面形体，耐侯性及综合机械性能良好，且具有无需对武器装备的结构、形状进行大的改造，见效快，技术难度相对较低的优点，适宜在现有装备上推广使用，因此是目前研究的重点；结构型吸波材料，则通常是将吸收剂分散在由特种纤维（如石英纤维、玻璃纤维等）增强的结构材料中所形成的结构复合材料，它同时具有较高的吸收雷达波能力、结构承载能力和维持形状功能，克服了涂敷型吸波材料易于腐蚀、损坏、脱落等缺点，与雷达吸波涂料相比，具
12、有飞机结构复合材料的高比强度、比刚度及质量轻的优点，但其加工设计的难度较大，还有技术方面的困难没有完全解决。按材料损耗机理，吸波材料可分为电阻型、电介质型和磁介质型。碳化硅纤维、导电高聚物、石墨等属于电阻型吸波材料，电磁能主要衰减在材料电阻上；钛酸钡之类属于电介质型吸波材料，其机理为介电极化驰豫损耗；磁介质吸波材料的机理主要归结为磁滞损耗和铁磁共振损耗。这类材料有铁氧体、磁性金属粉、多晶铁纤维等。按不同研究时期，吸波材料又可分为传统吸波材料和新型吸波材料。铁氧体、金属微粉、钛酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等均为传统吸波材料，它们通常都具有吸收频带窄、密度大等缺点。而新型吸波材料则包括纳米材料、多
13、晶铁纤维、“手征”材料、导电高聚物及电路模拟吸波材料等，它们具有不同于传统吸波材料的新吸波机理。近年来，国内外学者在改进传统吸波材料的同时，进行了卓有成效的新材料的探索，重点研究和应用的吸波材料主要集中在以下几个方面，将其按照材料的种类分别进行探讨。I铁氧体吸波材料铁氧体是发展最早、应用最广的吸波材料，它的品种较多，有Ni-Zn、Li-Zn、Ni-Mg-Zn、Mn-Zn、Li-Cd、Ni-Cd、Co-Ni-Zn、Mg-Cu-Zn铁氧体等。目前铁氧体材料仍是研制薄层宽带吸波材料的主体。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(1081012cm)，
14、电磁波易于进入并得到有效的衰减，但它有密度大（4.95.3g/cm3），高温特性差的缺点，实验研究表明，当温度由25变化至100时，铁氧体吸波材料的吸波性呈下降趋势，而高速飞行器(如“米格”)，要求吸波材料在600以上工作。铁氧体吸波材料已广泛应用于隐身技术，如B-2隐身轰炸机的机身和机翼蒙皮最外层涂敷有镍钴铁氧体吸波材料，-1高空侦察机上也使用了铁氧体吸波涂层。国内研究铁氧体吸波材料，当其面密度约5kg/2、厚度约2mm时，铁氧体吸波材料在(818) GHz频带内吸收率均可低于-10dB。日本在研制铁氧体吸波材料方面处于世界领先地位，研制出一种由阻抗变换层和低阻抗谐振层组成的双层结构宽频高效
15、吸波涂料，可吸收12GHz的雷达波，吸收率为20dB，这是迄今为止最好的吸波涂料。以下列出国外一些公司生产单层铁氧体涂料的主要吸波性能：表 1. 国外一些铁氧体涂料的吸波性能研制公司吸波剂种类d/mmf/GHzR/的dB美国（Conductron）锂镉铁氧体米厘米波段-17日本东京电气铁氧体+Fe3O41.52.5510-30日本东京电气尖晶石铁氧体2.59-24在国内，铁氧体的吸波性能也得到了广泛的研究。阚涛， 娄明连13，14研究了稀土氧化物作为添加材料，掺入铁氧体中使得材料吸波特性大幅度提高，最大吸收量可提高54%125%，10dB带表 2. 添加混合稀土氧化物对吸波材料特性的影响吸波材料类型第一吸收峰GHz吸收量dB第二吸收峰GHz吸收量dB匹配厚度mm10dB带宽GHz铁砂8.66.510.012.01.200.5铁砂+混合稀土氧化物7.814.09.127.01.021.6铁氧体8.013.08.9
