雷达隐身技术的发展现状与趋势

雷达隐身技术的发展现状与趋势
摘要：叙述了雷达隐身技术的工作原理、类型及研究现状,综述了吸波材料的类型、介绍了雷达吸波材料若干新的发现、性能及应用, 同时展望了雷达吸波材料的发展趋势和研究发展的重点。

关键词：雷达吸波材料、吸波原理、现状、发展趋势
随着军事侦察技术的飞速发展, 军事设施及武器装备的隐蔽变得日益困难, 发现即毁灭已成为现代战事重要特点之一。

在未来战争中雷达将是探测目标用得最多、最有效的侦察手段。

由于雷达是通过测量从目标反射的雷达回波来发现目标的, 因此雷达隐身技术的研究核心是缩小雷达散射截面积( Rcs) 和尽可能减弱雷达回波信号的综合技术。

隐身技术作为提高飞行器生存、突防能力的有效途径之一 ,自二战以来,一直受到世界许多国家和地区的高度重视,这些国家陆续依据本国的现有技术实力、人力、物力和财力等,不同程度地开展着隐身技术和隐身武器的研究、设计、开发和应用 ,其中以美、俄、法等军事强国为表率。

飞机隐身重点是雷达和发动机、排气系统的红外辐射及消除噪音技术。

坦克和装甲车等, 需要可见光 外隐身, 雷达波隐身及其复合技术。

水面舰艇机动性最差, 其雷达波及红外隐身难度很高, 潜艇关键是对付声纳探测。

1 吸波材料的吸波原理
吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量 ,并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能或其他形式的能量 ,一般由基体材料(或粘接剂 )与吸收介质(吸收剂 )复合而成。

由于各类材料的化学成分和微观结构不同 ,吸波机理也不尽相同。

尽管如此,材料的吸波性能还是可以用宏观的电磁理论进行分析,工程上也常常使用材料宏观的介电常数和磁导率来评价吸波材料的反射和传输特性。

材料吸收电磁波的基本条件是 : ①电磁波入射到材料上时 ,它能尽可能不反射而最大限度地进入材料内部 ,即要求材料满足阻抗匹配②进入材料内的电磁波能迅速地几乎全部衰减掉 ,即要求材料满足衰减匹配。

电、磁介质材料可以分别用自由空间部分及各自材料本身部分的电磁特性来加以描述。

复介电常数(ε)和复磁导率(μ)是吸波材料电磁特性的2个基本参数 ,写成复数形式为ε=ε′- jε″；μ=μ′- jμ″
式中ε,′μ′分别为吸波材料在电场或磁场作用下产生的极化或磁化程度的变量ε″为在外加电场下,材料电偶矩产生重排引起损耗的量度。

μ″为在外加磁场作用下材料磁偶矩产生重排引起损耗的量度。

由此可见,对介质而言,承担着电磁波吸波功能的是电导率和磁导率的虚部ε″和μ,″它们引起能量的损耗 ,介质损耗角δ的正切即损耗因子tanδ可以用下式表示
tanδ=tanδE+tanδM=ε″/ε′+μ″/μ ,′
tanδE=ε″/ε′
式中δE为电感应场D相对于外加电场的滞后相位δM为磁感应场B 相对于外加磁场的滞后相位。

显然 , tanδ随ε″和μ″的增大而增大。

材料的ε″，μ″和 tanδ越大,吸波性能越好。

由此可见,要获得性能优良的吸波材料,必须综合考虑阻抗匹配和衰减匹配2种因素,尤其是材料的介电常数、磁导率和厚度参数等。

有一种厚度为λ/4n,λ/2n的窄带谐振吸收层 (其中 n为材料的折射率，可使介质表面的反射系数为0,这实际上是介质上、下表面反射的电磁波干涉相消的结果。

尽管提高吸收介质的电导率增加极化“摩擦”和磁化“摩擦”是提高损耗的重要手段 ,但当电导率达到金属特性时 , 反射系数η趋近于1, 将远离匹配条件 ,金属作为导电吸收剂一般以超细粉状复合到其他介质中 ,因此必定存在一个最佳电导率使材料的回波率最低 ,这个复合材料电导率一般在半导体范【1】
雷达波吸波材料是指吸收入射的雷达波, 并将电磁能转变成热能而耗散掉。

良好的吸波材料的要求一是雷达波入射到吸波材料内其能量损耗尽可能大，二是吸波材料的阻抗与雷达波的阻抗相匹配满足无反射。

吸波材料由胶粘剂和吸收剂以及各种助剂组成。

胶粘剂是涂料成膜物质, 可使涂层牢固粘附于被涂物表面形成连续膜, 其中吸收剂是主体, 是吸波涂料的关键, 决定吸波涂料好坏; 各类助剂起辅助作用。

隐身涂料作为一种最方便、最经济、适应性最强的隐身技术, 已在航空航天军事装备上得到广泛应用, 它的发展标志着一个国家科学领域的进步, 而且关系到国防力量的巩固。

2 吸波材料的分类
由于吸波材料种类繁多，吸波机理也不尽相同，目前对吸波材料有多种分类
方法，主要有以下4种
（1）按吸波机理不同，可分为吸波型和干涉型两大类。

前者主要是材料本身对电磁波损耗吸收；后者是利用吸波层表层和底层两列反射波的振幅相等、相位相反进行干涉抵消。

(2)按材料耗损机理的不同，可分为电阻型、介电损耗型和磁损耗型。

碳化硅纤维、石墨等属于电阻型吸波材料，电磁能主要衰减在电阻上；钛酸钡、铁电陶瓷等属于电介质型吸波材料，其机理为依靠介质的电子极化、离子极化、分子极化或界面极化等弛豫、衰减、吸收电磁波；铁氧体、羧基铁粉、磁性金属及其纳米材料等属于磁介质型吸波材料，磁介质吸波材料的机理主要归结为畴壁共振和自然共振、磁滞损耗、后效损耗等磁极化机制，衰减、吸收电磁波，具有较高的正切磁损耗角，其吸波能力强，吸收频带宽，目前应用最为广泛。

(3)按材料成型工艺和承载能力，可分为涂敷型和结构型两大类。

结构型吸波材料是将吸收剂分散在特种纤维增强的结构材料中所形成的结构复合材料；而涂覆型吸波材料是将吸收剂和粘合剂混合后涂覆于目标表面形成吸波涂层，其以涂覆方便灵活、可调节、吸收性能好等优点受到世界许多国家的重视。

(4)按研究时期还可以分为新型吸波材料和传统吸波材料。

传统的吸波材料有铁氧体、羟基铁、金属铁粉、钛酸钡、碳化硅石墨、导电纤维等，存在吸波频带窄、密度大等缺点；新型吸波材料有导电聚合物、手性材料、纳米材料、视黄基席夫碱等，具有吸收能力强、密度小等优点。

但无论传统还是新型的吸波材料，单独使用其中一类很难满足“薄、轻、宽、强”的要求。

利用复合材料的协同效应和电磁参数可调的优点，将不同吸收频带、不同损耗机制(电阻型损耗、介电型损耗、磁损耗)的材料进行多元复合，有可能实现宽频、轻质、强吸收、微波红外多波段电磁波吸收兼容的目标。

近年来，对同时具有两种或两种以上功能特性的复合材料的研究正逐渐成为热点。

【2】
3.吸波材料的国内外研究现状
3.1国内研究现状
朱洪立等利用常规粉体吸收剂和导电纤维作为复合吸收剂, 掺混于改性PVC机体中, 制备出宽频雷达材料。

当粉体吸收剂含量为70%、导电纤维含量为7%、厚度为2.8mm 时, 在6~ 18GHz范围内反射率小于10dB, 但是在低频波段的
吸波效果很差【3】。

王少敏等研究了视黄基席夫碱盐的合成,并对吸波特性进行了探讨。

该产物的反射率小于9dB、频带为8. 4~ 8.7GHz,在9. 0GHz下测得的电损耗抗角切正值为 0.24,磁损耗抗角切正值为0. 18【4】。

袁艳等采用多晶铁纤维为吸波材料, 厚度为 1mm 多晶体铁纤维涂层吸收率小5dB 的频带为2~
5GHz,大于10dB的频带为5~20GHz【5】。

李淑环等研究了羰基铁粉锶铁氧体复合材料的性能,当羰基铁粉锶铁氧体积分数比为 0.17/ 0.34 时在2 ~18GHz范围内, 复合材料吸收峰小于10dB的带宽最高达8GHz【6】。

李淑环等认为以铁氧体450份, (以硅胶为基数) 吸波效果最好, 最高吸收峰大-30dB, 反射率小于
-10dB的带宽高达9GHz( 9~ 18GHz) , 羰基铁粉不同用量吸波峰都在-15dB 左右, 小于-10dB 的带宽小于4GHz【7】。

李萍研究的多晶铁纤维含量 10% (体积比) 、厚度为2mm的涂层在1~ 2G z 内吸收率大于7dB; 纤维含量 20%时吸收率高达50dB。

另外, 吸波层中, 加入铜纤维、碳纤维等通过与入射电磁场的相互作用, 引起能量吸收和辐射, 可以放大吸收剂功能, 降低涂层厚度, 拓宽吸收频带【8】。

综上所述,目前国内外在吸波材料的研制方面还存在频带窄、密度大、性能低等缺点,应用范围受到一定限制,因而当务之急是探索质轻、宽频、无污染、耐环境性的多功能高效吸波材料。

开展研究兼容型吸波材料 ,即能兼容米波、厘米波、毫米波及红外激光等多波段的吸波材料。

探索新型可在宽频率范围内同时满足阻抗匹配和强吸收新型损耗型吸波介质,将是未来吸波材料研究的热点和难点。

研发既能隐身又能承载的多功能结构型吸波材料,以及能自动对外界作出最佳响应功能的智能型吸波材料,也是未来隐身材料的主要发展方向之一。

吸波材料因涉及产品关键性能、国家信息安全和军事核心机密 ,国际上公开交流的、有价值的资料不多 ,我们有必要加大自主研发的力度。

3.2国外研究现状
国外对吸波材料进行了多年的研究并在军事上应用,取得了效果,但由于涉及军事应用, 公开报导非常少, 仅能了解到一些武器装备及应用情况，以及简单材料体系信息。

日本开发出一种铁氧体、金属短纤维和苯乙烯高分子树脂构成的新型吸波材料, 可吸收频带宽, 具有很好的力学性能【9】。

K risha等研究了聚乙炔, 聚对
苯撑苯并噻吩等分子电聚合物, 制得的聚合物吸波带很宽, 单层吸收频带宽均
为3GHz, 反射率减为-15dB。

法国A lcore 公司试制的第一架陶瓷纤维复合材料结构的无人驾驶遥控隐身飞机, 大量使用了T yranoSic 纤维, 但对基体情况没有详细报导。

美国洛克希德公司, 研制出了陶瓷基体结构吸波材料,用在尾喷管的后沿, 能承受1093的高温, 具体细节未公开。

高温结构吸波材料在国外巡航导弹上已达到实用阶段,抗张强度为 400~ 600MPa,在8~ 18GHz范围雷达吸波率可达 10dB以上, 具有隐身/防热/承载一体化功能。

法国 APTGD导弹尾翼由小块六角形陶瓷吸波材料组成, 美国三军通用的TSSAM 隐身导弹也采用了相应技术, 法国马拉特防御公司开发的 Matra bsorb 系列500高温吸波材料可在1000条件下使用, 用于亚音速导弹喷管进气道【10】。

可以看出国外吸波材料不论是在损耗还是高温特性都要比国内的好的多，而且其对外的保密性比较高，已经取得了大规模的应用，而国内的隐身材料的研究还处在起步阶段。

4发展趋势
目前国内对吸波材料的研究已经取得长足的发展，但与国外相比仍有明显差距。

国内外正在积极开展新的隐身机理和新型隐身材料的研究，紧紧围绕“薄、轻、宽、强”的要求进一步提高吸波性能。

隐身材料的发展明显呈现出以下趋势：（1）材料组成上复合化。

根据目前吸波材料的发展现状，单一的材料很难同时满足日益提高的隐身技术所提出的“薄、轻、宽、强”的要求，因此需要将多种材料进行各种形式的复合以获得最佳效果，其中采用有机—无机纳米复合技术，将不同吸收频带、不同损耗机制的材料进行多元复合，可以很方便地调节复合物的电磁参数以达到阻抗匹配的要求，而且可以大大降低密度减轻质量，有望成为今后吸波材料研究与发展的重点方向。

(2)材料形态上低维化。

为探索新的吸收机理和进一步提高吸波性能，纳米微粒、纤维、薄膜等低维材料日益受到重视，研究对象主要集中在磁性纳米粒子、纳米纤维、颗粒膜与多层膜。

它们具有吸收频带宽、兼容性好、吸收强、质量轻等优点，极具发展潜力。

（3）功能上多频谱兼容化。

随着先进红外探测器、米波雷达、激光雷达等先进探测器的问世，仅采用对抗单一频带的隐身材料是远远不够的，只有能够对抗
多种探测仪器的宽频谱隐身材料才能满足军事装备隐身的需要。

因此发展兼容米波、毫米波、厘米波、红外激光等多频段隐身的宽频谱隐身材料是材料隐身技术发展的重要方向之一。

(4)材料设计上智能化。

这种可根据环境变化调节自身结构和电磁特性并对环境做出最佳响应的概念为隐身材料的设计提供新的思路和方法，美国最先提出了智能蒙皮的概念，美国海军军械实验室进行了利用智能隐身制造发动机的研究。

【11】
未来的吸波涂层在设计和研究时一般要综合考虑低反射率，响应频带宽，密度小、厚度薄，力学性能好，耐候性好及成本低等几个因素。

不同种类吸波材料之间的复合，就成为提高吸波涂层吸波性能的最有效手段。

另外，纳米材料具有极好的吸收特性，吸收频带宽、兼容性好、质量轻和厚度薄等优点，是一种最有发展前途的隐身材料。

纳米复合吸波材料对微波、红外都有很好的吸收效果，与抗核加固技术兼容，能与结构吸波材料复合，是一种极有前途的吸波材料。

在国外铁氧体纳米颗粒与聚合物复合材料已进入应用研究阶段。

因此开发和研制新一代的多频、轻质、智能型和可视的纳米复合吸波材料以便满足军事和民用领域的不同要求将成为日后的重点。

参考文献：
1.赵灵智，胡社军等.吸波材料的吸波原理及其研究进展
2.刘丹莉，刘平安等.吸波材料的研究现状及其发展趋势
3.朱洪立,叶智,等.宽频雷达吸波材料研究[J].工程塑料应用,2006,34(2)14
4.王少敏等.视黄基席夫碱盐合成及吸波特性[J].应用化学
5袁艳等.新型隐身材料吸收剂的研究进展[J]表面技术、
6.李淑环, 邹华, 等. 羰基铁粉/锶铁氧体/MVQ吸波复合材料的制备与性能研究[J]橡胶工业, 201057(1)1917
7.李淑环,邹华,等.磁性填料/硅橡胶吸波材料性能的研究[J]，特殊橡胶制品, 2009( 1) : 1917
8. 李萍等，多晶铁纤维系列吸收剂[J].飞机与设计,1994(1)2
9..吴晓光,等译国外微波吸收材料[M]长沙: 国防科技大学出版社, 2008
10..宋月贤,韦玮,等用于电屏蔽与吸波技术的聚苯胺导电聚合物的研究进展[J]化工新型材料,2000,28(7)3
11. 刘丹莉等.吸波材料的研究现状及其发展趋势。