论文部分内容阅读
[摘 要]吸波隐身涂料是现阶段隐身技术的重要发展方向，对于提高无人机等武器装备的生存能力具有显著的作用。本文介绍了雷达波吸波涂料的作用机理，并对碳系吸波涂料、铁系吸波涂料、导电高聚物及手性吸波材料进行了分析，最后对吸波材料的发展提出一些建议。
[关键词]隐身技术；吸波材料；纳米材料；导电高聚物；手性材料
中图分类号：TQ630.7+9 文獻标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0231-01
1 前言
现代战争中无人机发挥着越来越重要的作用，特别是无人机具有生存能力强，机动性好，适合于执行高危险任务。但随着探测技术和精确制导武器的不断发展，无人机的生存受到了严重的威胁，因此发展隐身技术成为现代军事研究的关键。
隐身技术是采用不同的技术手段减少武器被雷达、红外等探测到的概率，大幅度降低敌人获取信息的准确性和完整性，从而提高生存能力。涂料隐身技术相比于外形结构隐身技术具有工艺简单、成本低、涂覆方便、吸波效果好、环境适用性强等优点，在航空航天、武器装备等领域受到了广泛的关注[1]。本文针对雷达吸波隐身涂料的隐身原理、涂料特点进行了探讨，并系统的阐述了涂料的发展现状。
2 雷达吸波隐身涂料作用机理
电磁波在空气中传播时遇到介质，由于介质的阻抗与自由空间的阻抗不匹配，电磁波在空气与介质的截面发生反射，雷达根据回波确定目标与电磁波发射点的距离、径向速度、高度等位置信息。为实现目标的隐身，雷达吸波隐身涂料应能够对入射的电磁波进行有效的吸收或大幅度减弱对电磁波的反射。
雷达吸波隐身材料应满足两个特性：一是阻抗匹配特性，即入射的电磁波能最大限度地从表面进入介质内部，而不被界面反射；二是损耗特性，即进入材料内部的电磁波能被快速损耗而吸收。对于阻抗匹配特性，要求吸波材料的相对导磁率和相对介电常数尽可能的匹配，以降低材料表面电磁波的反射率。对于损耗特性其作用机理主要是通过雷达波在涂层内部与吸收剂相互作用，将电磁波转化为热能耗散掉，其电磁波的转化率与吸波材料的电导率相关，电导率越大，转化率越高[2，3]。因此对于优异的吸波材料不仅要满足阻抗匹配条件，使雷达产生的电磁波最大限度的被吸收，同时材料具有高的电导率，增加磁化“摩擦”、极化“摩擦”将吸收的电磁能不断转化而耗散。
3 雷达吸波涂料的研究现状
3.1 碳系吸波涂料
碳系吸波涂料主要包括石墨、炭黑、碳纳米管、石墨烯等。早在二战时期石墨、炭黑被用于填充飞机蒙皮的夹层吸收雷达波，美国将纳米石墨作为吸收剂与树脂复合制备的复合材料，其雷达波的吸收率达到99%之上[4]。然而由于石墨、炭黑作为吸波材料存在吸收频带窄、密度大等缺点，在应用方面受到了很大的限制。
碳纳米管、石墨烯具有纳米材料的通性，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应，其对吸波性能的影响主要表现在：
1）小尺寸效应使得非晶体纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，材料的声、光、电、磁、热等特性表现出新的物理性质变化。
2）表面效应造就了纳米材料具有大的比表面积，悬挂键和不饱和键增多，导致界面极化和多重散射，吸收频带变宽。
3）宏观量子隧道效应使得纳米离子电子能级分裂，分裂的能级间隔处于微波的能量范围内，为纳米材料的吸波性能提供了新的通道。
4）纳米材料具有较高的磁损耗正切角和电损耗正切角可依靠磁极化及电子极化、界面极化吸收电磁波。
采用碳纳米管、石墨烯作为吸波剂制备吸波隐身复合材料，具有吸收频带宽、密度小、质量轻等特点，兼备优异的力学性能，可实现雷达吸波涂料“薄、轻、宽、强”的要求。
3.2 铁系吸波涂料
铁系吸波材料主要包括铁氧体、羰基铁、多晶铁纤维等。铁氧体具有强烈的磁导率的频散和铁磁共振吸收效应，是发展最早、应用最为广泛的涂料品种，美国TR-1侦查机以及B-2轰炸机蒙皮外层涂覆镍钴铁氧体吸波材料。铁氧体存在比重大、高温性能差的缺点，限制了其在高速无人机及未来武器上的使用。
多晶铁纤维作为一种轻质新型吸波材料，在形态上具有磁、晶各向异性，将电磁波的极化性能与多晶吸收剂的各向异性相结合，在微波段具有吸收强、频带宽的特点，相比于传统铁氧体可在更宽的频带内高效吸收，而重量减轻40～60%，很好地弥补了铁氧体吸收频带窄、密度大的缺陷。
多晶铁纤维具有涡流损耗、磁滞损耗以及强的介电损耗吸收，作为轻型吸波材料面密度仅为1.5～2kg/m2、频带宽度可达4～18GHz，并且可以通过调节纤维的直径、长度、排列方式及分散剂的含量等方式调节材料的电磁参数。
3.3 导电高聚物
导电高聚物是由具有共轭π-键的高聚物经过化学或电化学“掺杂”使其电导率在绝缘体、半导体和导体范围内变化的一类高分子材料。导电高聚物具有结构多样性及独特的物理化学性能，而且密度小，一般在1.1～2g/cm3。导电高聚物热稳定性较好，在300℃的空气环境下不发生分解，可以较好的适应高温环境。
作为导电高聚物，聚苯胺具有结构多样性，环境稳定性好，并且具有特殊的掺杂机制，成为导电高聚物研究的热点方向。研究表明[2]：采用聚苯胺与羰基铁的复合粉体作为吸波剂，与聚脲混合制备的导电聚合物吸波材料，表现出宽频吸波效应，在2～12GHz的频带范围内反射率均低于-10dB，并展现出均匀的吸波效果。
3.4 手性吸波材料
手性可解释为一种物质与其镜像不存在几何对称性，且不能通过任何操作使其与镜像重合，采用此原理制备的材料，成为具有良好吸波性能的隐身材料。手性吸波材料相比普通的吸波材料在吸收频带宽度和低频吸波方面具有独特的优势：
1）相比调整介电参数和磁导率，调整手性参数更为容易，可在较宽的频带上吸收。
2）相比介电常数和磁导率，手性材料具有频率敏感性小的特点，容易扩展吸收频带。
对于雷达波吸波手性材料，现阶段研究最多的主要有微螺旋碳纤维、金属手性微体以及手性导电高聚物，相比于微螺旋碳纤维和金属手性微体，手性导电高聚物具有质轻、易加工、操作简单等优点，是手性吸波材料发展的重要方向。
4 结束语
经过几十年的研究，雷达吸波涂料已经取得了长足的发展，但目前各种吸波材料依然存在着自身难以克服的缺陷，特别在宽频吸收和吸收效率方面依然存在较大问题。因此对于吸波涂料的研究应从以下多个方面进行考虑：
1）吸波材料复合化，通过设计将多种吸波剂复合制备出功能复合化吸波涂料，扩展吸收频带宽度，提高吸收效率；
2）轻量化，在满足吸波性能的同时，降低吸波材料的重量，对于提高武器的性能具有显著的作用；
3）环境适应性强，研发耐高温、耐腐蚀和高抗磨损的吸波材料，可满足适用于高温、海洋、冲击、辐射等多种恶劣环境。
参考文献：
[1]朱彬，王辉，李艳晓，刘先胜. 机载设备中结构隐身设计技术研究[J]. 现代雷达，2011，33（12）：6-10.
[2]来侃，陈美玉，孙润军，尹方方. 吸波材料在雷达隐身领域的应用[J]. 西安工程大学学报，2015，29（06）：655-665.
[3]班国东，刘朝辉，叶圣天，王飞. 新型涂覆型雷达吸波材料的研究进展[J]. 表面技术，2016，45（06）：140-146.
[4]李斌鹏，王成国，王雯. 碳基吸波材料的研究进展[J]. 材料导报，2012，26（07）：9-14.
作者简介：
龙文彪（1991-），男，硕士，方向从事复合材料研究工作
[关键词]隐身技术；吸波材料；纳米材料；导电高聚物；手性材料
中图分类号：TQ630.7+9 文獻标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0231-01
1 前言
现代战争中无人机发挥着越来越重要的作用，特别是无人机具有生存能力强，机动性好，适合于执行高危险任务。但随着探测技术和精确制导武器的不断发展，无人机的生存受到了严重的威胁，因此发展隐身技术成为现代军事研究的关键。
隐身技术是采用不同的技术手段减少武器被雷达、红外等探测到的概率，大幅度降低敌人获取信息的准确性和完整性，从而提高生存能力。涂料隐身技术相比于外形结构隐身技术具有工艺简单、成本低、涂覆方便、吸波效果好、环境适用性强等优点，在航空航天、武器装备等领域受到了广泛的关注[1]。本文针对雷达吸波隐身涂料的隐身原理、涂料特点进行了探讨，并系统的阐述了涂料的发展现状。
2 雷达吸波隐身涂料作用机理
电磁波在空气中传播时遇到介质，由于介质的阻抗与自由空间的阻抗不匹配，电磁波在空气与介质的截面发生反射，雷达根据回波确定目标与电磁波发射点的距离、径向速度、高度等位置信息。为实现目标的隐身，雷达吸波隐身涂料应能够对入射的电磁波进行有效的吸收或大幅度减弱对电磁波的反射。
雷达吸波隐身材料应满足两个特性：一是阻抗匹配特性，即入射的电磁波能最大限度地从表面进入介质内部，而不被界面反射；二是损耗特性，即进入材料内部的电磁波能被快速损耗而吸收。对于阻抗匹配特性，要求吸波材料的相对导磁率和相对介电常数尽可能的匹配，以降低材料表面电磁波的反射率。对于损耗特性其作用机理主要是通过雷达波在涂层内部与吸收剂相互作用，将电磁波转化为热能耗散掉，其电磁波的转化率与吸波材料的电导率相关，电导率越大，转化率越高[2，3]。因此对于优异的吸波材料不仅要满足阻抗匹配条件，使雷达产生的电磁波最大限度的被吸收，同时材料具有高的电导率，增加磁化“摩擦”、极化“摩擦”将吸收的电磁能不断转化而耗散。
3 雷达吸波涂料的研究现状
3.1 碳系吸波涂料
碳系吸波涂料主要包括石墨、炭黑、碳纳米管、石墨烯等。早在二战时期石墨、炭黑被用于填充飞机蒙皮的夹层吸收雷达波，美国将纳米石墨作为吸收剂与树脂复合制备的复合材料，其雷达波的吸收率达到99%之上[4]。然而由于石墨、炭黑作为吸波材料存在吸收频带窄、密度大等缺点，在应用方面受到了很大的限制。
碳纳米管、石墨烯具有纳米材料的通性，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应，其对吸波性能的影响主要表现在：
1）小尺寸效应使得非晶体纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，材料的声、光、电、磁、热等特性表现出新的物理性质变化。
2）表面效应造就了纳米材料具有大的比表面积，悬挂键和不饱和键增多，导致界面极化和多重散射，吸收频带变宽。
3）宏观量子隧道效应使得纳米离子电子能级分裂，分裂的能级间隔处于微波的能量范围内，为纳米材料的吸波性能提供了新的通道。
4）纳米材料具有较高的磁损耗正切角和电损耗正切角可依靠磁极化及电子极化、界面极化吸收电磁波。
采用碳纳米管、石墨烯作为吸波剂制备吸波隐身复合材料，具有吸收频带宽、密度小、质量轻等特点，兼备优异的力学性能，可实现雷达吸波涂料“薄、轻、宽、强”的要求。
3.2 铁系吸波涂料
铁系吸波材料主要包括铁氧体、羰基铁、多晶铁纤维等。铁氧体具有强烈的磁导率的频散和铁磁共振吸收效应，是发展最早、应用最为广泛的涂料品种，美国TR-1侦查机以及B-2轰炸机蒙皮外层涂覆镍钴铁氧体吸波材料。铁氧体存在比重大、高温性能差的缺点，限制了其在高速无人机及未来武器上的使用。
多晶铁纤维作为一种轻质新型吸波材料，在形态上具有磁、晶各向异性，将电磁波的极化性能与多晶吸收剂的各向异性相结合，在微波段具有吸收强、频带宽的特点，相比于传统铁氧体可在更宽的频带内高效吸收，而重量减轻40～60%，很好地弥补了铁氧体吸收频带窄、密度大的缺陷。
多晶铁纤维具有涡流损耗、磁滞损耗以及强的介电损耗吸收，作为轻型吸波材料面密度仅为1.5～2kg/m2、频带宽度可达4～18GHz，并且可以通过调节纤维的直径、长度、排列方式及分散剂的含量等方式调节材料的电磁参数。
3.3 导电高聚物
导电高聚物是由具有共轭π-键的高聚物经过化学或电化学“掺杂”使其电导率在绝缘体、半导体和导体范围内变化的一类高分子材料。导电高聚物具有结构多样性及独特的物理化学性能，而且密度小，一般在1.1～2g/cm3。导电高聚物热稳定性较好，在300℃的空气环境下不发生分解，可以较好的适应高温环境。
作为导电高聚物，聚苯胺具有结构多样性，环境稳定性好，并且具有特殊的掺杂机制，成为导电高聚物研究的热点方向。研究表明[2]：采用聚苯胺与羰基铁的复合粉体作为吸波剂，与聚脲混合制备的导电聚合物吸波材料，表现出宽频吸波效应，在2～12GHz的频带范围内反射率均低于-10dB，并展现出均匀的吸波效果。
3.4 手性吸波材料
手性可解释为一种物质与其镜像不存在几何对称性，且不能通过任何操作使其与镜像重合，采用此原理制备的材料，成为具有良好吸波性能的隐身材料。手性吸波材料相比普通的吸波材料在吸收频带宽度和低频吸波方面具有独特的优势：
1）相比调整介电参数和磁导率，调整手性参数更为容易，可在较宽的频带上吸收。
2）相比介电常数和磁导率，手性材料具有频率敏感性小的特点，容易扩展吸收频带。
对于雷达波吸波手性材料，现阶段研究最多的主要有微螺旋碳纤维、金属手性微体以及手性导电高聚物，相比于微螺旋碳纤维和金属手性微体，手性导电高聚物具有质轻、易加工、操作简单等优点，是手性吸波材料发展的重要方向。
4 结束语
经过几十年的研究，雷达吸波涂料已经取得了长足的发展，但目前各种吸波材料依然存在着自身难以克服的缺陷，特别在宽频吸收和吸收效率方面依然存在较大问题。因此对于吸波涂料的研究应从以下多个方面进行考虑：
1）吸波材料复合化，通过设计将多种吸波剂复合制备出功能复合化吸波涂料，扩展吸收频带宽度，提高吸收效率；
2）轻量化，在满足吸波性能的同时，降低吸波材料的重量，对于提高武器的性能具有显著的作用；
3）环境适应性强，研发耐高温、耐腐蚀和高抗磨损的吸波材料，可满足适用于高温、海洋、冲击、辐射等多种恶劣环境。
参考文献：
[1]朱彬，王辉，李艳晓，刘先胜. 机载设备中结构隐身设计技术研究[J]. 现代雷达，2011，33（12）：6-10.
[2]来侃，陈美玉，孙润军，尹方方. 吸波材料在雷达隐身领域的应用[J]. 西安工程大学学报，2015，29（06）：655-665.
[3]班国东，刘朝辉，叶圣天，王飞. 新型涂覆型雷达吸波材料的研究进展[J]. 表面技术，2016，45（06）：140-146.
[4]李斌鹏，王成国，王雯. 碳基吸波材料的研究进展[J]. 材料导报，2012，26（07）：9-14.
作者简介：
龙文彪（1991-），男，硕士，方向从事复合材料研究工作