隐身材料发展历史综述和应用前景展望

1.绪论

1.1前言

随着无线电技术和雷达探测技术的迅速发展，电子和通信设备向着灵敏、密集、高频以及多样化的方向发展，这不仅引发电磁波干扰、电磁环境污染，更重要的是导致电磁信息泄漏，军用电子设备的电磁辐射有可能成为敌方侦察的线索。为消除或降低导弹阵地的电磁干扰、减少阵地的电磁泄漏，需要大大提高阵地在术来战争中的抗电磁干扰及生存能力。高放能、宽频带的电磁波吸波／屏蔽材料的研究开发意义重大。

吸波材料是一种重要的军事隐身功能材料，它的基本物理原理是，材料对入射电磁波进行有效吸收，将电磁波能量转化为热能或其他形式的能量而消耗掉。该材料应该具备两个特性，即波阻抗匹配性和衰减特性。波阻抗匹配特性即入射电磁波在材料介质表面的反射系数最小，从而尽可能的从表面进人介质内部；衰减特性指进入材料内部的电磁波被迅速吸收。损耗大小，可用电损耗因子和磁损耗因子来表征。对于单一组元的吸收体，阻抗匹配和强吸收之间存在矛盾，有必要进行材料多元复合，以便调节电磁参数，使它尽可能在匹配条件下，提高吸收损耗能力。吸波材料按材料的吸波损耗机理可分为电阻型、电介质和磁介质型。吸波材料的性能主要取决于吸波剂的损耗吸收能力，因此，吸波剂的研究一直是吸波材料的研究重点。

1.2隐身材料定义

随着人们生活水平的提高，各种电器的频繁使用，使我们周围的电磁辐射日益增强，电磁污染成为世界环境的第五害，严重的危害了人类的身体健康。电磁辐射对人的作用有5种：热效应、非热效应、致癌、致突变和致畸作用。因此，在建筑空间中，各类电子，电器以及各种无线通信设备的频繁使用，无时无刻不产生电磁辐射，电磁污染已经引起人们的广泛关注。

电磁吸波材料即隐身材料最早在军事上隐身技术中应用。隐身材料是实现武器隐身的物质基础。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。为此，常需要雷达、红外和激光隐身技术。

1.3分类

根据材料隐身的原理吸波材料主要有吸波隐身材料、透波隐身材料两种。

按其功能的不同，隐身材料可以分为：雷达隐身材料、红外隐身材料、可见光隐身材料、激光隐身材料、声纳隐身材料和多功能隐身材料即同时具备多种隐身功能的材料，已经发展了红外／雷达、红外／激光雷达、可见光／红外等双重功能隐身材料和宽频带雷达隐身材料，正在研究可见光／红外／雷达、红外／雷达／激光雷达等多功能隐身材料。

根据吸收剂的不同，吸波材料一般有以下几类：铁氧体吸波材料、羰基铁吸波材料、金属超细粉末或金属氧化物磁性超细粉末吸波材料、陶瓷吸波材料、等离子体吸波材料、纳米吸波材料、放射性同位素吸波材料、导电高分子吸波材料、视黄基席夫碱盐类吸波材料、手征性吸波材料、掺杂高损物吸波材料、稀土元素吸波材料。

1.3.1雷达吸波材料

雷达吸波材料技术是指能有效地吸收入射雷达波从而使其目标回波强度显著衰减的技术。形隐身只能改变目标RCS的空间分布,使之在主要的威胁方向达到隐身的目的,而雷达吸波材料隐身则依靠材料的吸收性能,降低目标总的回波强度,在所有方向上达到同时减小RCS的隐身效果。雷达吸波材料按其功能或材料成型工艺和承载能力，雷达吸波材料可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料两种。

材料的吸波性能主要由其微波频率下的复磁导率u和复介电常数e所决定，所以纯粹的磁损耗型吸波材料或电损耗型吸波材料都不是最理想的选择。只有兼具磁损耗和电损耗才有利于展宽频带和提高吸收率。

1.3.2纳米隐身材料

纳米材料是指材料组分的特征尺寸在纳米量级的材料。它独特的结构使其自

身在较宽的频率范围内显示出均匀的电磁波吸收特性，纳米材料之所以具有优异的吸收电磁波性能，其原因是：

（1）纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多，大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。

（2）纳米微粒尺寸小，比表面积大，界面极化与多重散射成为纳米材料重要的吸波机制。纳米材料量子尺寸效应使电子能级分裂，分裂的能级间隔处于微波的能量范围(0.01eV ～0.0001eV)内，为纳米材料创造了新的吸波通道。

（3）纳米材料中的原子和电子在微波场中的辐照，材料的原子和电子运动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能，增加了对电磁波的吸收，使电磁能转化为热能的效率增加，从而提高了对电磁波的吸收性能。

（4）纳米隐身材料具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽、兼容性好等特点。加人纳米材料的隐身涂料，具有吸波能力强、密度小、可实现薄层涂装的优点，还具有高的力学性能、良好的环境稳定性和理化性能。

（5）由于纳米微粒具有较高的矫顽力，可引起大的磁滞损耗，有利于将吸收的雷达波等转换成其它形式的能量(热能、电能或机械能)而消耗掉。

纳米吸波材料以其优异的吸波性能得到了广泛关注，目前的研究表明，纳米吸波材料的性能是频段多、频带宽、吸收强及质量轻等，具有重要的军事和民用意义。

1.4机理

电磁吸波材料能够吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的损耗转变成热能等其它形式的能量。材料吸收电磁波的基本条件：(1)电磁波射入材料时能最大限度的进入材料内部(匹配特性)；(2)进入材料内部的电磁波能迅速衰减掉(衰减特性)。实现这两个条件的方法是：通过采取特殊的边界条件来达到，而且需要材料具有很高的电磁损耗。当雷达波通过自由空间时具有阻抗Z0，垂直投射到阻抗为Zl的半无限大的介质表面，发生反射，其反射系数由公式(1)决定，由公式(2)可知，物体表面反射波阻抗与其表面磁导率u和电容率之比的平方根成正比，因此，为使雷达波不被反射，R必须为0，即理想条件Z1=Z0种吸波材料由于其吸波机理、内部结构组成、外形及入射波、极化方式不同，其反射系数也不同。