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隐身材料概述论文
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。
1.4.1纳米吸波材料的隐身机理
根据吸波机理的不同，纳米隐身吸波材料主要可分为电损耗型和磁损耗型两大类。
以纳米金属粉体（如Fe、Ni等）与纳米Si／C／N粉体为例，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。
1.4.2雷达隐身材料的隐身机理
雷达很早就成为军事上普遍使用的探测手段，因此它的隐身一直以来就受到广泛的关注，而且相关专家对它的研究也从未停止。
雷达探测主要是向一定空间方向发射高频雷达波，当该波碰到目标物时就会反射一部分波回去，通过接收反射的雷达波信号就能探测到目标物的方位。
如果能使反射回波的能量降低到一定程度，以至于接收到的信号弱得无法被雷达接收器所识别，那么目标物就达到了雷达隐身的目的。
表征目标雷达隐身效果的指标很多，而最常用的就是雷达波反射率。
假设从雷达发射器发射出来的雷达电磁波的功率为
，经过目标后反射回来的电磁波功率为
，那么功率反射率就为
，很明显雷达隐身要求此反射率要小。
为了便于比较，通常用以分贝（dB）为单位的反射率R来表示，其中
。
这样，由于功率反射率都小于1，所以R为负值。
因此，对于一定的目标物，希望其R值越小越好。
如果采用雷达隐身材料，那么这种材料要能吸收或者透过雷达波，尽量减少用于探测的反射波。
对于一般的目标物，通常很难透过大量雷达波，所以雷达隐身所用的材料以吸波材料为主。
1.5基本理论
电磁屏蔽材料是防止电子污染必需的防护性功能材料。
屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。
屏蔽按机理分为电屏蔽、磁屏蔽及电磁屏蔽。
电屏蔽是利用屏蔽体束减小干扰源和感受器之间的分布电容，从而削弱干扰源对感受器的影响；磁屏蔽是依赖高磁导率材料所具有的小磁阻起到磁分路作用，减小屏蔽体内部空间的磁场；电磁屏蔽则是限制电磁波从屏蔽材料的一侧空间向另一空间传递。
电磁波到达屏蔽材料表面时，有三种衰减方式：
一是在入射表面由阻抗突变引起的电磁波的反射衰减（R）；二是电磁波在屏蔽体内部传播时，电磁能量被吸收的衰减（A）；三是电磁波在屏蔽体内部界面间多次反射时的反射衰减，也叫反射修正系数（B）。
吸波材料主要由粘结剂和吸收剂组成。
粘结剂是材料的成膜物质，是使材层牢固的粘附于被材物的表面上形成连续膜的主要物质。
而具有吸收特定电磁参数的吸收剂是吸波材料的关键，它决定了吸波材料的吸波性能。
粘结剂的选取原则有：
①对吸收剂纳入量大，比重轻；②附着力强，柔韧性、耐冲击；③耐温度变化、耐介质性能好；④具有与吸收剂相符的介电常数。
在现有的研究进展中看，综合性能较好，工艺性能稳定的粘结基本体系有氯磺化聚乙烯、环氧树脂和聚氨酯。
吸波材料涂层一般通过损耗（磁损耗、介电损耗、涡流损耗）将入射的电磁波转化为热能而消耗掉，从而将反射波或透射波最大限度地被衰减。
根据吸波机理，吸波材料一般分为磁损耗型、介电损耗型、电阻型三类。
达到实用要求的吸波材料需要具备频带宽、重量轻、涂层薄、易于加工和粘贴以及物理机械性能好等性能要求，其中，反射式吸波衰减：
（
、
分别为吸波材料和空气的特征阻抗），其中，RL≤-10dB所覆盖的频率范围称为有效频带。
目前吸波材料设计主要建立在材料的复磁导率、复介电常数和吸波涂层的厚度上。
应用上，主要采用分层优化设计，尽可能发挥现有吸收剂性能，设计难点主要在微波低频段。
图1.涂层吸收电磁波模型
1.6制备方法
要实现良好的吸波，必须具备两个条件：
（1）入射来的电磁波要尽可能多地进入吸波材料而不被反射；
（2）材料要能将电磁波损耗吸收掉。
因此，具有阻抗渐变结构的多层吸波体，通过阻抗匹配层的匹配作用，使空间入射来的电磁波尽可能多地进入吸波材料而被损耗吸收。
研究表明，带导电衬底薄层吸波材料能量密度分布如下：
越靠近衬底，电场能量密度
越低，而磁场能量密度
越高。
因此，底层采用强磁损耗吸收剂，中间层采用兼具电磁损耗的材料，面层为透波层，可望组成性能良好的三层吸波材料。
以下介绍采用磁性微粉与介电材料相结合，制备具有阻抗渐变结构的三层吸波体。
带导电衬底三层结构吸波体示意图如图2所示。
图2三层吸波体结构示意图
各层材料组成与厚度如表1所示。
磁性微粉（MMP）为本实验室生产，型号为HG6y3，采用铁、钴等原料经高能球磨制得。
纳米二氧化钛（TiO2）毛球状碳纤维（cf）从市场上购买，无需提纯。
氢化丁腈橡胶（HNBR）来自于日本，具有一定的机械强度、物理化学性能稳定、附着力耐候性强、耐热性高（可达175℃）等特点。
表1.材料组成与厚度
面层
中层
底层
材料组成
TiO2HNBR
MMPcfHNBR
MMPHNBR
质量分数/%
1585
401050
7525
厚度/mm
0.2
0.4
0.4
采用以二氧化钛为原料构成的匹配层（面层），实现了与自由空间波阻抗相匹配，使入射来的电磁波大部分进入吸波材料而被损耗。
同时，面层材料具有耐磨、抗拉等特点，起到又一保护屏的作用。
底层由磁性微粉组成，具有较大的磁导率和磁损耗，是强磁损耗层。
根据带导电衬底薄层吸波材料能量密度分布，越靠近衬底，电场能量密度越底，磁场能量密度越高，因而底层形成对电磁波强烈的损耗。
中间层由磁性微粉与碳纤维组成，兼具磁损耗与电损耗，构成从面层到底层的过渡结构。
碳纤维作为介电材料，还可形成半波谐振子与入射电磁波谐振而产生谐振感应电流，形成较大的损耗。
三层吸波体功率反射系数测量结果表明，在（8-18）GHz频率范围内，反射率在-8dB以下。
理论计算与实测结果存在一定的偏差，主要来自于对各层材料不能获得要求的厚度控制，以及各层材料实际配比存在偏离的缘故。
剥离强度测试表明，三层吸波体层间粘合牢固；拉伸强度测试表明，三层吸波体具有能够抵抗拉伸破坏的极限能力。
2.国内外研究现状
2.1国内研究现状
吸波材料的开发和应用是隐身技术发展的重要精髓，是军用建筑物实现隐身的基石。
我国在吸波材料的发展方面与国外相比还有很大差距，还存在面密度高、柔韧性差、附着力低等问题【5】，因此，急需研究各种新的吸收剂，探讨新的吸波机理以满足吸波材料所追求的“轻、薄、强、宽”的目标。
2.2国外研究现状
国外隐身技术与材料的研究始于第二次世界大战期间，起源在德国，发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯等先进国家。
目前，美国在隐身技术和材料研究方面处于领先水平。
在航空领域，许多国家都已成功地将隐身技术应用于飞机的隐身；在常规兵器方面，美国对坦克、导弹的隐身也已开展了不少工作，并陆续用于装备，如美国M1A1坦克上采用了雷达波和红外波隐身材料，前苏联T－80坦克也涂敷了隐身材料。
近年来，国外在提高与改进传统隐身材料的同时，正致力于多种新材料的探索。
晶须材料、纳米材料、陶瓷材料、手性材料、导电高分子材料等逐步应用到雷达波和红外隐身材料，使涂层更加薄型化、轻量化。
纳米材料因其具有极好的吸波特性，同时具备了宽频带、兼容性好、厚度薄等特点，发达国家均把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和开发；国内毫米波隐身材料的研究起步于80年代中期，研究单位主要集中在兵器系统。
经过多年的努力，预研工作取得了较大进展，该项技术可用于各类地面武器系统的伪装和隐身，如主战坦克、155毫米先进加榴炮系统及水陆两用坦克。
目前，世界上正在研制的第四代超音速歼击机，其机体结构采用复合材料、翼身融合体和吸波涂层，使其真正具有了隐身功能，而电磁波吸收型涂料、电磁屏蔽型涂料已开始在隐身飞机上涂装；美国和俄罗斯的地对空导弹正在使用轻质、宽频带吸收、热稳定性好的隐身材料。
可以预见，隐身技术的研究和应用已成为世界各国国防技术中最重要的课题之一。
3.市场与应用
隐身材料主要用于军事，但也有用于人们日常生活的，比如它在建筑上的应用就是接近平常人的。
以下为介绍其在建筑上的应用。
建筑吸波材料延用了军事中吸波材料的概念，但是它们也存在显著的差异。
军事上雷达的电磁波要求频率更高，频段更窄。
在材料成本方面，军事领域的吸波材料成本较高。
要将吸波材料运用于建筑领域，降低材料成本是必须考虑的因素之一。
选择经济有效的吸波材料应用于建筑物防辐射，才是推广应用的前提。
其中电磁波吸收混凝土的研究起始于高大建筑物对电磁波的影响，如高大建筑物的反射作用引起电视产生重影及其对直接波的遮蔽作用等等。
若能开发并使用具有吸波功能的混凝土材料，就可以防止电磁干扰，利于人们的生活和工作【4】。
吸波混凝土材料有其自身的优势，如价格低廉、易于施工、坚固耐用等，而且迎合了从传统混凝土材料向功能化和高新技术发展的方向。
混凝土吸波材料在工程上的应用前景广阔，它可以广泛应用于建筑物、桥、塔等处时，可以防止雷达伪像；在通信基地，可以用来改善通信质量；用于防电磁污染的环保型建筑领域。
以尽量减轻电磁辐射对人们所造成的危害；在机场、航标、码头、电视台和接收站附近的高大建筑物上，可以用来消除反射干扰。
另外，可用于军事隐身建筑领域、精密仪器厂、防电磁波干扰的科研部门以及国家保密单位的防信息泄露等部门。
4.研究发展趋势与展望
传统的电磁屏蔽材料着重强调强衰减，而新型的材料则大多采用复合技术，突出低成本、无污染、质量轻、频带宽和性能好的特点，能适应不同场合和环境的应用要求，因此需要研制和开发新一代电磁屏蔽材料，探索宽频带、电磁参数频散效应不敏感的新型损耗型介质，将成为今后研究发展的重点。
传统的吸波材料主要以强吸收为目标，但存在频带窄、效率低、密度大等缺点，应用范围受到一定的限制。
新型的吸波材料要求满足“薄、轻、宽、强”的特性，还要满足多频谱、耐高温、耐海洋气候和抗辐射等更高要求。
为此，磁电的统一是吸波材料的发展方向。
磁性高分子微球和导电聚合物的复合有可能获得磁电统一的、轻质、宽频带、高吸收的新型微波吸收剂，它将在隐身材料技术上有广阔的应用前景。
军事探测和制导技术的发展促使了隐身材料的发展，从最早的可见光隐身材料到现在的激光隐身材料，隐身材料的研究和发展一直没有间断过。
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。
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。
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