纳米吸波复合材料在隐身技术中的应用

纳米吸波复合材料在隐身技术中的应用

摘要：本文介绍了材料隐身的隐身机理及纳米材料的特性和吸波作用机理，对纳米吸波复合材料进行了分类，并介绍了不同类别纳米吸波复合材料的应用及复合新技术。最后对纳米吸波复合材料的未来前景进行了展望。

关键词：纳米材料、隐身机理、吸波作用机理、展望

0 引言

隐身技术作为提高武器系统生存、突防,尤其是纵深攻击能力的有效手段,已成为集陆、海、空、天、电五维一体的现代多维战争中极为重要和有效突防的战术技术手段,现正受到世界各主要军事强国的高度重视。近二十年来,隐身技术与隐身材料的研究都已经得到了大力的发展,F117隐身战斗机,第二代产品如B2隐身轰炸机已经装备美军并使用多年,而其第三代产品如F22/JSF等隐身飞机也即将装备部队。目前,隐身技术与隐身材料的研究正在朝着“薄、轻、宽、强”方向发展,纳米技术作为当今科学的前沿技术,用于隐身技术与隐身材料的研究中之后,可以制得性能优良的吸波材料,很有发展前途。纳米隐身材料的研究正在成为研制新型吸波材料的热点。

1材料隐身机理

隐身技术是指通过对目标特征的有效控制,使其处在一定的遥感探测环境中能降低目标的可探测性,在一定范围内难以被发现的技术。从广义上讲,隐身技术包括雷达隐身、红外隐身、可见光隐身及声波隐身技术等,当前重点发展的是雷达隐身以及红外隐身技术,特别是雷达隐身技术,这也是狭义上的隐身技术。目前各国探测目标的手段主要是微波雷达,它利用电磁波在传播过程中遇到介质变化时将在界面感应电磁流,并向四周辐射电磁能的原理,通过分析雷达接收天线截获的辐射电磁能, 便可判断目标的距离、方位、大小、类型等。隐身的宗旨就是避免接收天线截获到此辐射能。首先应避免的是产生感应电流,这主要靠材料设计实现,其次是避免天线接收到电磁能的辐射,它主要靠外形设计实现,因此,雷达隐身技术有外形隐身技术和材料隐身技术。

根据雷达系统工作原理,雷达最大探测距离为:

式中:P t、G t,为雷达发射功率和天线增益,λ为雷达工作波长,P min为雷达接收机最小可检测信号功率,δ为被探测目标的雷达散射截面积(RCs)。

雷达隐身就是指通过减弱、抑制、吸收、偏转雷达回波强度,降低RCS,使其在一定范围内难以被敌方雷达识别和发现的技术。雷达材料隐身技术在减小雷达散射截面方面,主要是使用雷达吸波材料。

2纳米吸波材料的吸波特性

纳米粒子对电磁波有强烈的吸收作用，主要原因有两点：一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米粒子对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少了波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱。另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4 个数量级，对电磁波的吸收率也比常规材料大得多，起到隐身作用。另外，纳米磁性材料既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之比重轻，在隐身方面的应用有明显的优越性；同时纳米磁性材料可与驾驶、内信号控制

装置相配合，通过开关发出干扰；改变雷达波的反射信号，使波形畸变，或使波形变化不定，能有效地干扰、迷惑雷达操纵员，以达到隐身的目的。

纳米材料的小尺寸效应及隧道效应，引起周期边界条件的破坏，使声、光、电磁及热力学特性发生了显著的变化。纳米材料的吸收峰的共振频率会随着量子尺寸发生变化，并且具有特殊的电磁光性能以及单畴结构，其吸收效能远高于常规材料，有些纳米材料还具有微波红外吸收兼容和吸收频带加宽的特性。这些粒子的尺寸进入纳米级别后，相应的多畴变成单畴，使得这些粒子的物性呈现了独特的吸波性能。研究表明，10～25nm 的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍。对于陶瓷材料而言，当它到达纳米尺寸时，表现出了高韧性、高塑性等平时欠缺的特性，所以纳米技术的应用使这些吸收剂的吸波性能有很大提高。

3 纳米吸波材料的优点

纳米吸波材料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：(1)纳米粒子量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应，使它对各种波长的吸收带有宽化现象。(2)利用量子尺寸效应，使纳米粒子的电子能级发生分裂，分裂的能级间隔正处于所欲吸收的波段，如分裂的能级间隔处于微波的能量范围内(10-2～10-5eV )，从而导致新的吸波通道产生。(3) 由于纳米粒子尺寸小，比表面积大，表面原子比例高，悬挂键增多。大量悬挂键的存在使得界面极化，而高的比表面积造成多重散射，这是纳米材料具有吸波特性的主要原因。(4)由于纳米微粒具有较高的矫顽力，可引起较大的磁滞损耗，有利于将吸收的雷达波等转换成其他形式的能量(热能、电能或机械能)而消耗掉。(5) 磁性纳米粉，如LaFeO3，LaSrFeO3等复合稀土氧化物，在细化过程中处于表面的原子数越来越多，增强了纳米材料的活性。在微波场的辐射下，原子和电子运动加剧，促进磁化，使电能转化为热能，从而增加了电磁波的吸收，并兼具透波、衰减和偏振等多种功能。不仅具有良好的电磁参数，而且可以通过调节粒度来调节电磁参数。有利于达到匹配和展宽频带的目的。

4纳米复合隐身材料的隐身机理

由于纳米材料的结构尺寸在纳米数量级,物质的量子尺寸效应和表面效应等方面对材料性能有重要影响。隐身材料按其吸波机制可分为电损耗型与磁损耗型。电损耗型隐身材料包括改击粉末,照抄原文纤维,金属短纤维,钛酸钡陶瓷体,导电高聚物以及导电石墨粉等;磁损耗型隐身材料包括铁氧体粉,羟基铁粉,超细金属粉或纳米相材料等。下面分别以纳米金属粉体(如Fe, Ni等)与纳米Si/C/N粉体为例,具体分析磁损耗型与电损耗型纳米隐身材料的吸波机理。金属粉体(如Fe, Ni等)随着颗粒尺寸的减小,特别是达到纳米级后,电导率很低,材料的比饱和磁化强度下降,但磁化率和矫顽力急剧上升。其在细化过程中,处于表面的原子数越来越多,增大了纳米材料的活性,因此在一定波段电磁波的辐射下,原子、电子运动加剧,促进磁化,使电磁能转化为热能,从而增加了材料的吸波性能。一般认为,其对电磁波能量的吸收由晶格电场热振动引起的电子散射、杂质和晶格缺陷引起的电子散射以及电子与电子之间的相互作用三种效应来决定。

纳米Si/C/N粉体的吸波机理与其结构密切相关。以M1Suzuki等人对激光诱导

SiH4+C2H4+NH3气相合成的纳米Si/C/N粉体所提出的Si(C)N固溶体结构模型来作说明。其理论认为,在纳米Si/C/N粉体中固溶了N,存在Si( N )C固溶体,而这些判断也得到了实验的证实。固溶的N原子在改击晶格中Si,C原子的位置而形成带电缺陷。在正常的改击晶格中,每个碳原子与四个相邻的硅原子以共价键连接,同样每个硅原子也与周围的四个碳原子形成共价键。当N原子Si,C原子进入改击后,由于N只有三价,只能与三个Si原子成键,而另外的一个Si原子将剩余一个不能成键的价电子。由于原子的热运动,这个电子可以在N原子周围的四个Si原子上运动,从一个Si原子上跳跃到另一个Si原子上。在跳跃过程中要克服一定势垒,但不能脱离这四个Si原子组成的小区域,因此,这个电子可以称为“准自由电子”。在电磁场中,此“准自由电子”在小区域内的位置随电磁场的方向而变化,导致电子位移。电子位移的