纳米隐身材料研究与现况

2018-10-23赵和安

价值工程 2018年32期

赵和安

摘要：兵器装备行业中，纳米隐身材料的研究逐渐趋于成熟。本文综述了纳米隐身材料的主要结构，隐身吸波机制，前沿研制的材料种类、性能及国内外隐身吸波材料的进展等。

Abstract： In weapon equipment industry， the research of nano-stealthy materials is becoming more mature. There has been some progress in all colleges and universities in China. This paper summarizes the main structure of nano-stealth materials， stealth absorbing mechanism， the type of absorbing materials previously developed， and the progress of stealth absorbing materials at home and abroad.

关键词：隐身；吸波；机制；应用

Key word： stealth；absorbing；mechanism；application

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0230-02

0 引言

在军工武器和装置中，隐身技术有着广泛的應用。美国U-2高空侦察机，F-117隐形战斗机和B-2隐形轰炸机，显示了吸波材料实际应用的价值。防雷达，防红外，可见光，激光，声纳等隐身技术基本原理是尽量降低目标自身发出或反射外来信号的强度，使其低于探测器的门槛值；或使目标与环境反差规律混乱，造成探测仪器测量和识别上的困难。其纳米隐身材料中纳米尺寸粒子尺寸在10-10～10-7m范围，远小于雷达及红外波波长，因此纳米材料对雷达、红外等波的透过率比常规材料要强得多，这大大减少了波的反射率，使探测仪器接受到的信号很微弱，达到隐身效果。此外纳米粒子的比表面积比常规粒子体大3～4个数量级，对红外和电磁波的吸收率也比常规尺寸材料大得多，使之入射到内部的电磁波与隐身材料之间发生电导、高频介质、磁滞损耗，使之电磁波能量衰减，使探测器接受的信号强度大为降低。

1 纳米隐身材料的分类

纳米隐身材料分为纳米涂层吸波材料和纳米结构型隐身吸波材料两大类。

1.1 隐身涂层吸波材料

隐身涂层由导电填料、黏结剂、溶剂及添加剂组成。按导电填料种类的不同，分为银系、碳系、镍系、铜系等。其中镍系涂料吸收和散射能力强，磁矢量的衰减幅度大。镍有优良的抗氧化性能，抗化学腐蚀性，所以镍系涂料在使用中占有较大的比重。制作涂层工艺可采用喷涂、刷、刮涂等方法。隐身材料大约有800多种。

这类纳米隐身材料主要有：纳米金属及其合金隐身吸波材料，纳米金属氧化物隐身吸波材料，过渡金属硫化物纳米隐身吸波材料，纳米陶瓷隐身吸波材料，纳米导电聚合物、纳米金属与绝缘介质复合隐身吸波材料等。

1.1.1 纳米金属及其合金隐身吸波材料

纳米金属及其合金隐身吸波材料以Fe、Co、Ni等金属及合金的粉体，与介质型纳米粉体及黏结剂复合制成薄膜，附着在隐身体的表面进行隐身。除上述金属之外，金属Al、Co、Ti、Cr、Na、Mo，不锈钢等的纳米粉体也具有很好的隐身吸波性能。

1.1.2 纳米金属氧化物隐身吸波材料

具有导电性的纳米金属氧化物隐身吸波材料分单一氧化物和复合氧化物两类。单一氧化物纳米隐身吸波材料主要有Fe2O3、Fe3O4、ZnO、Co3O4、TiO2、NiO2、MoO2、WO3等纳米粉体。复合氧化物隐身吸波材料主要有LaFeO3、La1-xSrxFeO3等纳米粉体。复合氧化物纳米吸波材料不仅吸波性能好而且还兼有抑制红外辐射等功能。

1.1.3 过渡金属硫化物纳米隐身吸波材料

这类隐身吸波材料包括Mn、Ni、Cu、Zn、Pb等过渡金属的硫化物如ZnS、CuS、PbS等，这些纳米粉体不仅对电磁波、紫外、可见光区有吸收作用，而且对近红外光也有吸收作用。

1.2 结构型隐身吸波材料

结构吸波材料是使构件同时具备隐身和承载双重功能的隐身吸波材料。以下介绍两种结构型隐身吸波材料：纳米金属膜与绝缘介质复合吸波隐身材料、纳米纤维层状结构吸波隐身材料。

1.2.1 纳米金属膜与绝缘介质复合吸波隐身材料

将纳米量级的金属膜附着在绝缘介质球上，如3μm的玻璃球上，镀上Ni、Al、W等薄膜（10nm左右），然后将球体层状堆积厚度在2mm时，在GHz～18GHz频率范围，吸波率可达10dB。采用这种颗粒膜，可以克服金属、铁氧体材料密度大的缺点，充分发挥单位质量损耗作用，同时还可减轻隐身体的重量。

1.2.2 纳米纤维层状结构吸波隐身材料

碳纤维通过添加剂的配比及与玻璃纤维等混编，获得良好的介电、磁导率的梯度分布与较高的吸波性能。它可以代替蒙皮，使构件减轻重量，简化工艺。

2 纳米隐身材料吸波机制

纳米吸波材料的组分特征尺寸是在0.1～100nm的材料。当金属、金属氧化物颗粒尺寸在纳米粒子尺度时，比表面积增大，处于颗粒表面的原子数越来越多，悬挂键增多，界面极化和多重散射成为重要的吸波机制，由于金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级，并且纳米微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使能隙变宽，量子尺寸效应又使纳米粒子的电子能级发生分裂，分裂的能级间隙有些正处于微波的能量范围内（10-2eV～10-5eV），从而导致了新的吸波机制。

同时，如果纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态相干长度或磁场穿透深度相等或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的表面层附近的原子密度减小，导致材料的光、电、磁、热力学等特性出现异常，如对光波吸收增加，磁性能增强等，从而使电磁波吸波能力增强。

另外，金属磁性纳米粒子有较高的矫顽力，可引起较大的磁滞损耗，在电磁场的辐射下，材料的原子、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。

纳米微波吸收材料中金属磁性粒子具有很高的饱和磁化强度（一般比铁氧体高4倍以上），所以可获得较高的磁导率和磁损耗，且磁性能有较高的热稳定性，因此在吸波时能力增强。

3 国内外隐身吸波材料研究进展

3.1 国内研究进展

目前国内以航空工业总公司和航天工业总公司所属的研究所，及有关院校，近年来作了大量的研究工作，取得了一些成果，如表1所示。

3.2 国外电磁波吸波材料研究动态

相比国内而言，国外对电磁波隐身吸波技术研究时间较长，对吸波理论及计算公式，复合等效电磁参数的研究方面较为领先，并制备出一些高性能的隐身吸波材料。如：

日本Inha大学制备铁氧体与硅橡胶混合的吸波材料。

日本Tohokcl大学研究通过控制材料复合磁导率大小，获得宽的吸波频带的吸波材料。

日本Doshisha大学，将Ni-Zn铁氧体粉与不同比例的SiO2粉体混合，研制了各种不同厚度材料配比F的纳米吸波材料。

美国DSD公司生产的微陶瓷球粉末能够吸收微波能量，同时还可以吸收雷达及红外能量。