功能材料论文

雷达隐身材料的发展现状、存在问题及发展趋势

摘要：隐身技术普遍应用于军事领域，首先介绍了雷达隐身材料的研究和发展现状，重点说明了几种雷达隐身材料，并且提出隐身材料的发展趋势和几点构想。

关键字：雷达；隐身技术；隐身材料

在当今世界军事领域，随着现在科学技术的迅速发展，光电磁探测技术水平的提高，传统的作战武器在战场中受到的威胁越来越严重。作为当代三大军事技术革新之一，隐身技术已经成为海、陆、空、天、电磁五位一体的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术措施，是提高飞机、导弹等武器系统生存、突防，尤其是纵深打击能力的有效手段。隐身材料作为隐身技术的核心已经成为各国研究的重中之重，备受世界各军事大国的高度重视【1】。

在现代战争中，雷达作为军事战争中重要的探测和预警方式，因此，雷达隐身技术是隐身技术的重点。在雷达隐身技术中，可以通过合理的外形设计减少目标外形在某些方位下的雷达散射面积来达到隐身的目的，但是飞行器的外形隐身具有一定的局限性，受到战术指标的限制。所以，雷达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【2】【3】。1、雷达隐身材料研究和发展现状

目前，在雷达隐身材料中最主要和发展最快的隐身材料是雷达吸波材料，所谓雷达吸波材料是指能够吸收衰减入射的电磁波，并将其电磁能转换成热能而耗散掉或使电磁波因干涉而消失的一类材料。雷达隐身技术对吸波材料的基本要求如下：

1）材料的化学稳定性应有较宽的温度范围。

2）足够宽的工作频带中，要求材料与空气有良好的匹配，使空气与材料界面的总反射很小，这就要求材料有较好的频率特性，再通过合理的设计，充分利用材料的性能。

3）要求吸波涂层材料的面密度小、质量轻，其中对隐身飞行器尤为关键。

4）有高的力学性能及良好的环境适应性和理化性能，就是要求材料具有粘结强度高，耐一定的温度和不同环境变化的要求。

在传统吸波材料中，铁氧体吸波材料和金属微粒吸波材料是两种研究得最多、性能最好，并已得到较广泛应用的吸波材料，纳米材料和多晶铁纤维则是目前众多新型吸波材料中性能最好的两种，而智能雷达隐身材料则是一种新型雷达隐身材料的设计理念，属于未来的发展趋势，下面将对上述五种雷达隐身材料进行重点介绍。

1.1纳米吸波材料

纳米材料是指材料组分特征尺寸在0.1～100nm的材料，该材料由“颗粒组元”和“界面组元”组成。在微波场的辐射下，纳米材料中的原子电子运动加剧，促使磁化使电磁能转化为热能，从而增加了对电磁波的吸收性能。纳米薄膜或纳米多层膜具有优异电磁性能，做成纳米结构的微米粉作吸收剂，具有频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄等特点，是一种有发展前途的雷达吸波材料，适用于隐身材料宽带优化设计。

纳米吸波材料的吸波机理分析表明，对同种物质而言，纳米材料的吸波性能优于常规材料，且纳米颗粒的大小直接影响着物质的吸波性能。目前，美、俄、法、德、日等国都把纳米吸波材料作为新一代雷达吸波材料进行探索与研究。美国已研制出一种称作超黑粉的纳米吸波材料，其对雷达波的吸收率高达99%，并将其用于F-19A、F-117A等型号的隐身战斗机，其中F-117隐身战斗机在海湾战争、科索沃战争中所起的重要作用【4】【5】。法国最近研制成功一种宽频吸波涂层，它由粘结剂和纳米级微屑填充材料构成，纳米级微屑由超薄不定型磁性薄层及绝缘层堆叠而成，磁性层厚度为3nm，绝缘层厚度为5nm，绝缘层可以是碳或无机材料。

1.2铁氧体吸波材料

铁氧体由于电阻率较高，可避免金属导体在高频下存在的趋肤效应，因此在高频时仍能

保持较高的磁导率，另外其介电常数较小，可与其它吸收剂混合使用来调整图层的电磁参数，因此是一种重要的电磁波吸收剂。用于作为吸波材料的铁氧体主要为尖晶石型、石榴石型和铁铅石型，许多研究表明，三中铁氧体中六角晶系铁铅石型吸波材料的性能最好【6】。

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覆有镍钴铁铁氧体吸波材料，TR-1高空侦查机上也使用了铁氧体吸波材料。当面密度约5kg/m2、厚度约2mm时，铁氧体吸波材料在（8～18）GHz频带内吸收率可低于—10Db。

由于铁氧体吸波材料既有磁介质又是电介质，它具有磁吸收和电吸收两种功能，是性能极佳的吸波材料。同其它吸波材料相比，它具有体积小、吸波效果好、成本低的特点，但它也存在密度大、高温特性差等缺点。

1.3金属微粒吸波材料

金属对电磁波具有吸收和很强的反射特性，但作为隐身材料，必须通过各种手段来改变它们的反射性能。制备金属超细颗粒，以此来改变其电磁传输特性，成为一种较理想的隐身材料。金属微粉吸波材料主要是通过磁滞损耗、涡流损耗等吸收损耗电磁波，目前已广泛应用于隐身技术，如美国F/A-18C/D“大黄蜂”隐身飞机使用了羰基铁微粉吸波材料【7】。

金属微粉吸波材料主要有两类：一是羰基金属微粒吸波材料；二是通过蒸发、还原、有机醇盐等工艺得到的磁性金属微粉吸波材料。

金属微粉吸波材料的缺点在于：抗氧化、耐酸碱能力差，远不如铁氧体；介电常数较大且频谱特性差，低频段吸收性能较差；密度较大，其吸收剂体积占空比一般大于50%。

1.4多晶铁纤维吸波材料

多晶铁纤维吸波材料的研究始于80年代中期，它包括Fe、Ni、Co及其合金纤维。多晶铁纤维具有独特的形状各异性，粘结剂中多晶铁纤维层状取向排列所形成的多晶铁纤维吸波涂层，可在很宽的频带内实现高吸收率，质量比传统金属微粉吸波材料减轻40%～60%。

多晶铁纤维的形状特征决定了多晶铁纤维具有较高的磁导率，而电阻率却很小，因而将有很强的涡流损耗，此外，多晶铁纤维还具有较强的介电损耗吸收。多晶铁纤维是良导体，在外界交变电场的作用下，纤维内的自由电子发生振荡运动，产生振荡电流，将电磁波的能量部分地转变为热能。

多晶铁纤维吸波材料已用于法国国家战略防御部队的导弹和载人飞行器，同时正验证用于法国下一代战略导弹弹头的可能性【8】。

1.5智能雷达隐身材料

传统被动雷达隐身材料一旦成型，其工作带宽、谐振频率、最大吸收深度等参数都是固定的，难以满足外部复杂多变电磁环境所需要的自适应隐身要求【9】。而智能雷达隐身材料主要利用智能材料智能、可控等特性，通过对所设计成型的吸波材料施加外部信号来调控材料的吸波特性，实现智能雷达隐身。

智能材料可通过自身结构表层或内部获取的关于环境条件及其自身变化信息，通过综合判断、信息处理而作出相应反应，如通过改变自身结构或功能等特性来很好的协调自身与外界的适应度，即构成具有自适应性的材料系统。智能蒙皮是智能雷达隐身材料实现功能的一种重要方式。智能蒙皮是通过将光纤传感器、微处理装置、微型电子元件、特殊功能装置植入武器系统的外层或内部结构体中，这样飞机表层不仅能承受载荷和维持外形，而且具有通讯、隐身、电子对抗、火控、飞控等功能。美国空军于1985年首先提出光纤智能蒙皮隐身的概念和计划，将这中光纤灵巧蒙皮内嵌入雷达、导航设备、目标搜索以及各种传感器元件中【10】，使光纤数字电路遍布飞机机翼内来进行感知、传感，通过采用特殊功能材料或系统结构来实现飞行器隐身等特殊功能要求。将来的武器将会更多地在表层结构上采用智能蒙皮【11】。

智能材料隐身材料的研究必将带来新的理论和工艺研究方法，对材料科学的发展具有很

大的促进作用，同时智能雷达隐身材料作为雷达隐身的一个新兴方向和重要领域必将发挥更大的作用。

2存在的问题

正是“尺有所短”，目前军事领域的雷达隐身技术方面还存在着尚未解决的问题，主要集中在以下几个方面：

1）随着探测技术的迅速发展，单一功能的隐身材料难以在整个电磁频谱内都保持相同的低可观测性，在现实战争中使用的局限性越来越大，取而代之的是多频谱兼容的多功能隐身材料，但多频谱兼容的多功能隐身材料的开发需要面对更大的挑战；

2）采用的雷达隐身材料种类繁多，而且在实际生产中要求达到前所未有的工艺水平，这增加了制造难度；

3）使用雷达吸波材料需要额外的保障、实验和评估程序，造成维护难的问题，美国的B-2轰炸机每飞行1小时至少需要50小时的维护；

4）雷达隐身材料在现实战争中应用时易受实际天气、湿度等影响，达不到真正的要求。

3发展趋势

军事探测和制导技术的发展促使了隐身材料的发展，传统吸波材料以强吸收为主要目标，而未来无论哪种隐身材料,今后的发展趋势都向着质轻、带宽、高效、耐久的方向发展，满足多频谱隐身、环境自适应、耐高温、耐海洋气候、抗核辐射等更高要求，而且,随着多模技术的发展,传统具有单一隐身功能的材料已经无法同时躲避多种探测手段的围攻,因此多波段兼容的隐身材料也是未来的发展趋势，下面提出几点构想：

1）利用纳米技术制造智能材料，这样材料有可能同时具有纳米材料的频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄等特点，而且还可以具有智能隐身材料的感知功能、信息处理功能并对信号作出最佳响应的功能；

2）可以通过仿生工程，开发一种新型仿生材料；

3）利用一种装置可以产生于目标同频率，同振幅但相位相反的电磁波，与反射波发生相消干涉，从而消除散射信号。

参考文献

【1】Toru Maeda, Satoshi Sugimoto, Toshio Kagotani. Effect of the soft/hard exchange interaction on natural resonance frequency and electromagnetic wave absorption of the rare earth-iron-boron compounds [J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2004, (281): 195-205.

【2】Jaggard D L, Liu J C, Sun X. Spherical chiroshield [J]. Electronics Letters, 1991, 27(1):77 -79.

【3】 D L Jaggard, N Engheta,J Liu. A Salisbury Shield Alternative[J]. Electronics Letters, 1990, 26(17):1332-1334

【4】Fu Xiao-ling. Research into Function of Absorbing Wave of Metallic Magnetic Ultrafine Powders [J]. Journal of Xi' an Mining Institute, 1999 , 19(1):92-96(Ch).

【5】Zhang Li-de, Mou Ji-mei. Nanomaterial and Nanostructure [M]. Beijing:Science Press, 2001(Ch)

【6】Sun Jingjing, Li Jiaobao, Sun Geliang. Effects of La2O and Gd203 on some properties of Ni-Zn ferrite. J. Magn. Magn.Mater. 2002, 250: 20

【7】Berthault A, Rousselle D, Zerah G. Magnetic properties of permalloy microparticles. J .of Magnetism & Magnetic Materials, 1992;(112)

【8】Charles E B, Eric J B , Richard J K, et al. Microwave absorber employing acicular magnetic metallic https://www.360docs.net/doc/3b5264302.html, Patent 5085931 , 1992

【9】Ford K L, Chambers B. Dynamically adaptive microwave structures[C]//High Frequency Postgraduate Student Colloquium. Leeds, UK,1999:54.

【10】Tennant A, Chambers B. A single-layer tuneable microwave absorber using an active FSS[J]. IEEE Microwave Wireless Components Lett,2004,14(1):46

【11】Ford K L, Chambers B. Dynamically adaptive microwave structures[C]//High Frequency Postgraduate Student Colloquium.Leeds,UK,1999:54