雷达与红外兼容隐身材料的研究及进展

雷达与红外兼容隐身材料的研究及进展

哈恩华,黄大庆,王智勇,何 山,丁鹤雁

(北京航空材料研究院,北京100095)

摘要 雷达与红外兼容隐身材料在军事领域具有广阔的应用前景。综述了对雷达与红外兼容隐身材料的研究状况及应用,详细分析了粘结剂对材料隐身性能的影响以及半导体填料对实现雷达与红外兼容隐身的可能性。

关键词 雷达与红外兼容隐身材料 粘结剂 掺杂半导体

Development in Radar Absorbing Materials with Infrared Camouflage

H A Enhua,HU ANG Daqing,WANG Zhiyong,HE Shan,DING Heyan

(Beijing Institut e o f A eronautical M aterials,Beijing100095)

Abstract R radar absorbing materials w ith infr ared camouflag e w ill hav e bro ad applicat ion pro spect in many militar y fields.I n this paper,the present research situat ion and applicatio ns o f these ty pes o f stealth mater ials ar e re v iew ed.T he effect of binder o n camouflage pr operties is ana lyzed theor etically.T he possibility o f doped semiconductor materia ls being tailor ed to radar and infr ared camo uf lag e is also discussed.

Key words r adar&infr ared stealth materials,binder,doped semico nducto r

0 前言

随着现代军事侦察技术的发展,对隐身技术的要求也越来越高,单一频段隐身技术已远不能满足现代战争需求,未来隐身材料必须具有宽频特性。目前雷达在各种探测器中仍占主导地位,而红外技术在侦察、捕获目标和制导技术方面也已得到广泛的应用,因此,雷达和红外隐身的兼容性将是今后研究的主要方向之一。

雷达隐身是通过减弱、抑制、吸收、偏转雷达回波强度,降低雷达散射截面积,使其在一定范围内难以被敌方雷达识别和发现的技术。根据雷达系统工作原理,雷达最大探测距离R max 为[1]:

R m ax=[P t G t2 2 /(4 )3P min]1/4(1)式中:P t为雷达发射功率,G t为发射天线的最大增益, 为雷达工作波长, 为被探测目标的雷达散射截面积,P min为雷达接收机最小可检测信号功率。雷达吸波材料是雷达隐身技术中十分关键的技术之一。通过雷达吸波材料可以将入射电磁波能量转换成热能或产生干涉从而吸收衰减入射电磁波来降低目标的雷达散射截面积。

鉴于一般情况下目标的红外辐射强度都高于环境背景,红外隐身的目的主要就是降低目标红外辐射强度。公式(2)给出了点源红外探测系统能探测目标的最大距离R max与目标辐射强度的关系[2]。

R max=(J )1/2[ /2(N A)D*]1/2 [1/( f)1/2(V s/V n)]1/2(2)式中:J为目标的辐射强度, 为大气透过率,N A为光学系统的数值孔径,D*为探测器的探测率, 为瞬时视场, f为系统带宽,V s为信号电平,V n为噪声电平。而目标的辐射强度J正比于目标的辐射出射度M(M= T4, 为物体的发射率; 为玻耳兹曼常数;T为物体的绝对温度)。因此,红外隐身材料一是通过改变目标的红外辐射特性来降低目标表面发射率;二是通过在可见光和近红外具有较低的太阳能吸收率和一定的隔热能力来降低目标表面的温度,以降低目标辐射强度,从而减小目标的被探测概率。

由于雷达吸波材料与红外隐身材料的隐身机理不同,使得它们的性能要求相互制约。雷达吸波材料要求高吸收率,低反射率;而红外隐身材料要求低吸收率,高反射率。要使同一种材料同时满足以上两种要求,实现起来有相当的困难。近年来,国内外科研人员一直在致力于解决这个难题。本文中我们对这一领域的研究及应用状况进行了综述,并着重分析了粘结剂对红外隐身性能的影响以及掺杂半导体填料满足雷达与红外兼容隐身的可能性。

1 研究状况及应用

雷达波与红外兼容主要包括毫米波与红外兼容和厘米波与红外兼容。毫米波与红外兼容隐身材料主要用于导弹和地面武器装备的隐身;厘米波和红外兼容隐身材料主要用于军用飞行器的隐身。实现雷达和红外兼容目前有两条技术途径:一是研制一种雷达波高吸收、热红外低辐射的隐身材料;二是分别研制高性能雷达波吸收和热红外低辐射材料,然后通过结构设计将其复合起来,复合后其雷达波吸收性能和热红外低辐射性能仍能保持不变或变化不大[3]。

国内有多家单位在开展毫米波和红外兼容隐身材料的研究。王智勇等[4]在毫米波吸波材料上涂覆一层红外涂料,在一定的厚度范围内,可以同时兼顾两种性能,且雷达波吸收性能基本不变。研究表明,涂层的厚度对谐振点吸收率及吸收频宽的影响是完全一致的。只是随红外涂层厚度的增加,谐振峰向低频平移,同时也能保证原涂层的红外辐射性能不变,如图1所示。谢国华等[5]用红外低发射率涂料与吸波材料料复合制成双层材料,外层是红外低发射率涂料,其发射率范围为0.23~ 0.54,内层吸波材料分别用涂覆型吸波材料(发射率为0.81)或

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雷达与红外兼容隐身材料的研究及进展/哈恩华等

哈恩华:男,1974年生,硕士,工程师,主要从事隐身材料研究 T el:010 ******** E mail:haenhua@

结构型吸波材料(发射率为0.85)。对这种双层材料的红外和雷达波兼容性能研究表明,只要红外低发射率厚度达20 m,就能使其覆盖整个内层的高辐射表面,使其法向总发射率值趋于一稳定值,外层厚度在20~100 m 之间,法向总发射率值基本不变。红外低发射率外层厚度在4 m 以内,每增加1 m 厚度,双层材料微波吸收曲线谐振峰的位置就较原吸波材料向低频方向移动0.005~0.14GH z;外层的红外法向总发射率越小,谐振峰位移值越大。外层厚度小于40 m 时,外层对谐振点的吸收率和吸收带宽影响很小,这两项性能基本不随外层厚度变化,可保持内层吸波材料原性能不变。前面两项研究均采用铁磁性材料作为雷达波的吸收层,而于明讯等[6]则采用介电材料作为毫米波吸收层开展研究。通过多层结构设计,他们研制的多功能隐身涂料在保证毫米波一定吸收率的同时,红外发射率范围可调。目前这种材料已在某些装备上得以应用。

国内对厘米波与红外兼容隐身材料的研究甚少,只有少量探索性研究工作。万梅香等[7]研制的导电聚合物涂层厚度为2.5~3.3mm 时,面密度小于3.0kg/m 2,在8~12.4G Hz 波段,当反射率小于10dB 时,带宽为3~4GH z 。他们认为这些导电高聚物在8~20 m 中,远红外波段时发射率可小于0.4,很有可

能在厘米波与红外兼容的隐身材料研究中发挥作用。

图1 毫米雷达波吸波材料与红外隐身涂料复合前后的反射率曲线F ig.1 T he reflectiv ity curves of a kind of Ka ba nd R AM and this

Ka band RA M with infrared cam oufla ge co ating (IC C )国外也在广泛开发多种新型多频谱隐身涂层[8],比如纳米超细金属颗粒涂层,由于涂料的纳米超细粉末在细化过程中,处于表面的原子数越来越多,使材料具有强烈的表面效应,可用于

雷达波和红外隐身。美国已研制出由红外热隐身的面漆(厚4~8 m)加雷达吸波底涂层构成的材料,比如F 117A 现在改用一种加有改性的碳分子C60的涂层,可以吸波,还能抑制60%~70%的3~5 m 及8~12 m 红外波的发射。日本也研制出一种包括抑制红外辐射在内的频带极宽的微波吸收材料。它是由ZnO 、A l 2O 3、M nO 2和G a 2O 3组成的烧结体,可用于1100~1300 的高温。据报道,美国、俄罗斯正加紧研究含有放射性同位素的等离子体涂料和半导体材料,它们不但吸波频带宽、红外辐射发射率低,而且还具有吸收声波和消除静电等优点,有很大的发展潜力。

2 粘结剂与掺杂半导体

2.1 粘结剂

作为隐身涂层主要组成部分之一,粘结剂除对隐身涂层的

物理机械性能有重要影响外,还对材料隐身性能产生影响,特别是红外隐身性能。涂层的热红外频段的吸收能力至少有60%

取决于粘结剂[9]。粘结剂红外透过性越好,吸收越弱,发射率就越低。因此用于红外隐身涂层的粘结剂除需满足材料物理机械性能和施工性能等一般要求外,还应具有对热红外辐射低吸收或高透明的性能。

通常所用涂层粘结剂在8~14 m 波长内透明度低、发射率高。国外近年研制的具有优良红外透明性的kr aton 树脂,在远红外波段的平均发射率也高达0.84[10]。这是由于大多数树脂中的官能团的分子振动引起树脂在热红外波段的强烈吸收。如聚氨酯是分子链中含有氨酯基( N HCO )和异氰酸酯基( N CO )类的聚合物,由于这两个基团的高度不饱和,其红外吸收光谱中在热红外线波段出现了明显而尖锐的吸收峰,使得聚氨酯虽具有各方面的优异性能,但不适用于红外隐身材料。氟碳树脂与聚烯烃相比,不同之处是氟碳树脂中氟原子取代了聚烯烃上的氢原子,由于其不含有不饱和主链,避免了在热红外区域发生强烈吸收,同时也因为它具有优异的环境稳定性,适合于红外线身涂层的粘接剂。二甲基硅酮树脂具有较低的红外线发射率,已应用于低发射率涂层。热红外线透明性比较好的树脂还有烯烃树脂和氯丁橡胶、异丁烯橡胶等。董延庭等[11]通过对聚丁二烯和三元乙丙橡胶进行改性获得了具有较低发射率、较好成膜性能的红外隐身涂层粘结剂。所制备的粘结剂发射率最低达0.19,比较稳定的在0.3以内。

与有机粘结剂相比,无机粘结剂红外性能比较简单,红外吸收率也较低,但物理机械性能和施工性能较差。Calv ert 等[12]在比较了醇酸树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、松脂、无机硅酸盐、无机磷酸盐等的多种粘结剂的热红外性能后认为,最理想的是无机磷酸盐粘结剂,并研制了发射率较低的热隐身涂料,其质量分数组成分别为(%):磷酸24.2、氧化镁4.3、铬酸4.7、乙醇1.7、水65.1。Wake 等认为,尽管磷酸盐和铬酸盐离子在热红外波段强烈吸收,但它们的混合物在高温下烧结形成一种玻璃质材料,其漫反射率高达60%,由此降低了涂层的发射率。

2.2 掺杂半导体

雷达红外隐身材料用填料的选择应符合以下要求:①在红外波段有较低的发射率;②在雷达波段具有较高的吸收率。实际上要找到完全满足以上要求的填料非常困难。目前用于红外隐身的填料主要有:金属填料和半导体填料。根据基尔霍夫定律,材料的反射率越高,发射率就越低,因此有较高反射率的金属是红外隐身涂料最常用和最重要的填料种类。可用的有A l 、Zn 、Sn 、Au 等,其中A l 最为常见。金属填料有良好的红外发射性能,但其高反射不利于雷达隐身和可见光伪装,新型半导体填料体系的出现一定程度上弥补了金属填料的缺陷,使研制兼容性能良好的宽波段隐身涂料成为可能。

掺杂半导体填料是近年来新兴的有效的红外隐身材料之一,它是由金属氧化物(主体)和掺杂剂(载流子给予体)两种组分组成,如In 2O 3、SnO 2、ZnO 、InSnO 3(IT O )等。在半导体固体材料中,由于热激发效应,其导带上存在着一定浓度的电子,这部分电子与金属导体中的电子性质极为相似,通常称为自由载流子。因此,在半导体红外光学材料中,除了电子吸收和晶格振动吸收这两种机制外,还存在着自由载流子吸收机制。与载流子相关的系数 V 可表示为[13]:

V =N 2e 3

/

nm 2c 3(3)

326 材料导报 2006年5月第20卷专辑Ⅵ