兼容性隐身材料的研究进展

石智成,孙凌夫,李海豹,孙全喜,刘泽林,宋亚辉,白晓东

(内蒙金属材料研究所,内蒙古 包头 014030)

1 引 言

随着当代科技的不断发展,多兼容性、多功能性、智能性等特点已成为各产品、设备的一个总体发展趋势,而近些年来,军事科技方面的发展也是日新月异。军事科技具有一些特定的特征,其中包括了矛与盾的对抗,破坏与防护的对抗,探测与隐身的对抗,现代军事侦察手段大多用的是电磁波,其技术正在向复合化、智能化方向发展[1],这就迫使隐身技术也需随之改变,朝着多兼容性方向发展。当前军事探测手段主要有可见光探测、雷达探测、红外探测、激光探测以及磁探测,针对可见光探测发展的可见光隐身材料是最早投入到战争中的,现在可见光隐身材料已发展成熟,如今专门研究可见光隐身材料已非常少了,主要应用在伪装材料,例如迷彩服的制作。现如今,雷达探测、红外探测、激光探测是军事上应用最多的探测手段,其效果显著,隐身技术作为反探测手段重要的“盾”,自然也会随着探测技术的发展而受到众多专家、学者的关注。

隐身技术是通过改变目标被探测到的信息,从而降低探测系统发现、识别目标的几率。现如今,应用最多的隐身技术是雷达隐身、红外隐身、激光隐身技术。他们的隐身原理不尽相同,现今多模复合制导技术发展迅速,当同一区域有不同的探测手段时,出现多波段监测时,具有某一特定的隐身功能就可能失效,就会造成目标暴露,所以发展兼容性隐身技术势在必行。雷达隐身技术是应用最早的隐身技术,当雷达系统向某一特定空间发射高频雷达波,目标通过该片区域时,部分的高频雷达波将会被目标反射回去,如果能降低目标反射的高频雷达波,弱到无法被雷达系统捕捉到就实现了雷达隐身。红外隐身技术它是通过降低或改变目标的辐射强度来降低目标的可监测性,在大型武器运行过程中,一些大功率的设备会产生高温,例如舰船发动机会造成与背景不同的辐射反差,导致了目标辐射强度大幅增加,从而增加了暴露的可能性。现今可通过降低目标的辐射强度、改变目标的辐射特性、阻碍目标的辐射传播途径等方式来实现红外隐身。激光隐身技术与雷达隐身技术类似,通过降低目标的表面反射率,使得回波功率低到无法被监测到从而实现激光隐身。为应对现代战争的多样性,作为反探测技术的隐身技术就得逆流而上,近些年,通过国内外众多学者对隐身技术的研究,发现兼容性隐身技术有巨大的发展潜力,本文结合近些年国内外隐身技术的发展,对兼容性隐身材料的发展进程做出了阐述。本文主要以原理与材料为基本逻辑关系,涉及到雷达、红外、激光等基本要素,对其相互组合的兼容技术进行综述。

2 隐身技术原理

2.1 雷达隐身原理

对于雷达隐身,有效地减小雷达反射截面(RCS)的值,就能达到雷达隐身的效果。目前能够有效地降低RCS值只能从改变结构外形和改变材料特性来实现,一般结构外形很难改变,所以现阶段对于雷达隐身主要从材料出发。反应材料隐身效果的是雷达反射率,将雷达反射率转变为反射率R=10 lgRP来表示隐身效果,RP为雷达反射率,R的单位为分贝(dB),其值为负数,当R值越小时,说明该材料雷达隐身效果越好,目前雷达隐身的特点是反射率低或者发射率高。

2.2 红外隐身原理

红外隐身技术是继雷达隐身技术应用最多的,研究红外隐身一般都是针对3～5 μm和8～14 μm的中远红外波段。当目标产生红外辐射时,红外辐射的光子能够使活泼的金属产生光电信号,红外探测仪就会将捕捉到的光电信号转化为电信号从而监测、跟踪目标的行动轨迹,现今红外探测有两种方式,一种是点源探测,一种是成像探测。点源探测它是与目标的距离相关,当距离越远时,目标红外辐射量小时,探测效果越差。成像探测是通过目标与背景环境的红外辐射差来探测的,它是通过降低辐射对比度,才能降低被红外探测的可能性。以上两种探测方法都表明了当目标的红外辐射量发生改变时,就可以提高红外隐身效果,而红外辐射量是可以通过改变材料的性质来实现的。由物理学可知,物体的红外辐射量符合Stefan-Boltzmann 定律:

W=σεT4

(1)

式中,W为目标的辐射总量;σ为玻尔兹曼常数;ε为目标的发射率;T为目标的温度,由公式可以看出目标的辐射总量与自身的发射率呈正相关,与目标温度的4次方呈正相关,想要降低目标的目标的辐射总量,可降低它的表面发射率和温度。所以,中远红外波段的隐身要求目标具有高反射率、低发射率的特征。

2.3 激光隐身原理

激光作为一种主动探测仪器,当它运用在雷达探测上时,它具有更高的辨识能力,而且激光雷达具有体积小、质量轻等特点。激光隐身的原理与雷达隐身原理相类似,都是通过降低目标的反射率和激光探测仪的回波功率,吸收或透过电磁波,从而使目标不被探测到。从微观学上看,根据能量守恒原则,目标在吸收电磁波的过程,吸收的光子能量会转移成电子的动能、势能或是分子的振动能和转动能,所以激光隐身材料是对材料内部结构有要求的。

2.4 兼容隐身原理

雷达隐身材料的吸波频率发生在2～18 GHz,红外隐身材料要求的红外波段在3～5 μm和8～14 μm,红外隐技术要求的波段是纳米级的,而雷达隐身技术要求的波段是毫米或厘米级的,根据雷达、红外对波段的要求,实现雷达红外兼容的隐身材料是不可能的。而对于不透明材料来说,由Kirchhoff公式:

ε+R=1

(2)

式中,ε为发射率;R为反射率;ε和R都是波长的函数。雷达波与红外波的相差很大,所以找到雷达波R小,红外波R大、ε小的材料是可能的。也可以分布制作出微波高吸收和红外低反射的材料,然后将其两者复合起来,且功能不降低的复合材料,以达到雷达红外兼容隐身材料。

激光隐身材料要求在1.06 μm和10.6 μm波段表现出低反射率的特点,对于激光红外兼容的隐身特征在10.6 μm波段时,与他们的隐身原理是相矛盾的。针对这一问题,第一种方法是引进非平衡辖射描述理论和动态热辖射理论,根据材料的非平衡辖射性能我们可以研制出一种在某特定时间段同时具有低发射率和低瞬态反射率的材料；第二种方法是舍去一部分的红外隐身波段,来获得激光隐身功能,从而实现红外激光兼容隐身技术。

对于激光雷达兼容隐身来说,尽管他们原理有些许不同,但是他们都是要求目标具有低反射率的特点,所以对于激光雷达兼容性隐身技术理论上是可行的。就目前来说,实现雷达红外激光兼容的隐身技术是隐身研究领域的重点,这是因为他们内部就存在着根本的矛盾,所以导致了三种兼容隐身技术的研究进程缓慢,但三种兼容的隐身材料仍是该领域下阶段研究的重要目标。

3 兼容性隐身材料

3.1 雷达红外兼容性隐身材料

纳米材料具有较强的吸波功能,由于它的表面原子比例大,且悬挂键比较多,所以对于射入的电磁波具有良好的吸收功能；另一方面,由于纳米材料具有量子尺寸效应,此时也为射入的电磁波提供了新的通道,增强了纳米材料的吸波功能。同时,由于红外波远大于纳米材料的尺寸,所以纳米材料对红外光具有良好的透过性,从而实现了红外隐身功能,故理论上纳米材料是可以实现雷达红外兼容的隐身材料。近些年,由于纳米材料的兴起,导致纳米隐身材料也发展迅速。Wang等人[2]通过两步球磨法制备出了片状的FeAl复合材料,如图1所示,当球磨时间在30 min时,在6.59 GHz处样品的电磁波反射率为-13.6 dB,该样品低于-10 dB的吸收宽带可达到1.7 GHz,红外发射率为0.1,在雷达红外兼容隐身材料方面,该纳米材料表现优异。纳米磁性纤维吸收剂拥有纤维的各向异性和尺寸的特性,所以它也具有良好的雷达红外兼容隐身特性,现有一种以碳纳米管吸收剂的纳米材料,因为它具有中空的空间结构和优异的导电性,所以它也可以实现雷达红外兼容隐身功能。Zhang等人[3]通过表面氧化法制备出了由螺旋聚硅烷包裹的碳纳米管复合材料(HPS/f-MWNTs),如图2所示,它在8～14 μm处的红外发射率为0.576。Pan等人[4]则通过碳纳米管包裹聚酰胺复合物的方法制备出了兼容性隐身材料,其复合材料在9.7 GHz处的电磁发射率可达到-20.65 dB,小于-10 dB的吸收宽带为3.2 GHz,在8～14 μm的红外发射率为0.503,表现出了良好的雷达红外兼容性能。汪心坤等人[5]通过静电纺丝法获得了MWCNTs/Zn0.96Co0.004O复合纳米材料,该材料最低红外发射率为0.61,在13.8 GHz在处的电磁发射率可达到-26.4 dB,小于-10 dB的吸收宽带为4 GHz。Cheng等人[6]利用同轴静电纺丝法制备出了纤锌矿型Zn0.96Co0.09O纳米管,在600°以上时,纳米管会形成中空的结构,并且伴随有不规则的纳米粒子出现,在9.5 GHz处的电磁发射率可达到-20.3 dB,小于-10 dB的吸收宽带为3.6 GHz,它的平均红外发射率可达到0.72,该材料也具有良好的雷达红外兼容隐身功能。

图1 FeAl复合材料的电子显微图

图2 HPS/f-MWNTs复合材料的电子显微图

导电高聚物它具有结构多、复合简单、易调控的特点,所以它在兼容性隐身材料领域一直是关注重点[7],导电高聚物它同时具有金属和半导体的性质,它的原理是通过共轭π电子与高分子实现吸收电磁波的功能。Li等人[8]曾通过溶胶-凝胶的方法制备出了NiFe2O4/PANI复合材料,该复合材料的吸收波宽可达到4.5 GHz,在8 GHz处的反射率为-42 dB。Yang等人[9]采取原位聚合法得出了BaTiO3/PANI、BaFe12O19/PANI、(BaTiO3+BaFe12O19)/PANI复合材料,如图3所示,这三种复合材料在雷达红外兼容隐身方面都有不错的效果。周亦康等人[10]是通过“掺杂-脱掺杂-再掺杂”和原位聚合法制备出了掺有樟脑黄碱的复合材料,该材料在3～5 μm、8～14 μm的红外发射率为0.46和0.29,在13.75 GHz处的反射率为-27.43 dB,低于-10 dB的吸收宽带为8.16 GHz,该材料也具有良好的雷达红外兼容隐身性能。

图3 几种复合材料的SEM照片

掺杂氧化物半导体材料,它是由金属氧化物与掺杂剂组成,它对于雷达波的吸收原理是介电损耗的方式,由于红外波较长,掺杂氧化物半导体的光子对其具有反射不吸收的特点,且当电磁波出现变化时,掺杂氧化物半导体内的自由载流子会对红外波产生更高的反射效果,所以掺杂氧化物半导体具有良好的雷达红外隐身效果。Shu等人[11]通过化学共沉淀法制备出了Ni掺杂Zn/Al复合材料,该材料对红外波的发射率为0.37,在13.6 GHz处的的反射率为-32.5 dB,Zhang等人[12]通过水热法制备出了层状的SnO2/ZnO复合材料,如图4所示,该材料在9.2 GHz处的的反射率为-23.5 dB,低于-10 dB的吸收宽带为3.2 GHz,在3～5 μm、8～14 μm的红外发射率平均为0.65和0.89,该材料在雷达红外隐身方面表现出了优异的性能。

图4 1.06 μm的SEM照片

超材料是指在人为的条件下制作出来的复合材料,它可在特定的电磁波处具有吸收功能,Langdy[13]发明了一种三明治式的MPA复合超材料,如图5所示,经实验测试,该材料对在11.15 GHz处的电磁波具有吸收功能。何路[14]利用全金属设计了一种超材料体,该材料在8～20 GHz处的反射率小于-20 dB,在8～14 μm处的红外发射率平均小于0.05,表现出了良好的雷达红外兼容隐身性能。李君哲[15]设计出了FSS/RPP超材料,根据实验结果显示,该材料也同时具有雷达红外兼容隐身功能。

图5 MPA的结构示意图

光子晶体具有光子带隙,该带隙能够抑制某些电磁波在光子晶体里传播,从而实现了红外隐身效果[16],在电磁波段时,它同时具有电磁带隙,该带隙可吸收某些雷达波,所以光子晶体理论上具有雷达红外兼容隐身效果。Wang等人[17]设计出了四个异质结构的光子晶体,该晶体在3～5 μm、8～14μm的红外波段发射率为0.073和0.042,且该样品具有很高的雷达波透过性。Wang等人[18]制备出了一维光子晶体,实验结果表明,该晶体也具有良好的有雷达红外兼容隐身功能。

3.2 激光红外兼容性隐身材料

光子晶体因为它的光子禁带可对特定的电磁波起到高反射的作用,可实现红外隐身,同时他还有“光谱挖孔”效应,该特性可实现激光隐身,所以光子晶体它是可实现激光红外兼容隐身功能。Zhao等人[19]通过DBR微腔原法,用PbTe和Na3AlF6得到了一维双缺陷光子晶体,该材料在1～5 μm、8～14 μm的红外波段反射率达99 %,对于1.06 μm、10.6 μm的激光透射率达96 %,故该材料具有良好激光红外兼容隐身性能。张继魁等人[20]等人设计了一种一维光子晶体,如图6所示,该晶体在1.81～2.47 μm处的反射率达95.07%,在2.47～5 μm处的发射率为100 %,同时在1.06 μm、10.6 μm发射率降低到了1.21 %和1.79 %。Miao等人[21]采用在硅胶片上交替沉积Te、ZnSe和Si法制出了异相掺杂一维晶体,它在3～5 μm的平均发射率为0.0845,在8～14 μm的平均发射率为0.281,在中红外波段的平均发射率为0.45,而在10.6 μm处的发射率为0.21,所以该材料具有良好的有激光红外兼容隐身性能。

图6 光子晶体结构图

在超材料方面,Chen等人[22]制备出了一种超材料,该材料在1.54 μm处的吸收率高达99.3 %,在中远红外波段的辐射率为10 %和6 %,该材料在1.54 μm处表现出了激光红外兼容隐身性能。Zhang等人[23]设计了一种以硅介质层为间隔的吸收材料,该材料的数值模拟结果显示:在1.06 μm、10.6 μm处的吸收率为99.916 %和99.784 %,在红外波段处也具有很强的吸收功能,数值模拟的结果显示该材料具有激光红外兼容隐身功能。

在有关稀土的研究上,发现稀土中含有不同的4f层电子数,该电子对某些特定的波具有较强的吸收功能,依据这个特性对于掺杂某些稀土元素的材料就可实现激光红外兼容隐身功能。不同的学者通过实验研究了稀土对于隐身性能的影响,例如SmFeO3粉体,实验结果中表名该材料在激光红外兼容隐身方面具有一定的前景。而SmCrO3粉体,从实验结果得知,它可作为一种激光红外兼容隐身材料。黄巍等人[24]研制出了一种掺锡氧化铟薄膜与SiO薄膜的结合体,该材料可实现在0.93 μm、1.06 μm、10.6 μm处的激光红外兼容隐身功能。邢宏龙等人[25]制作出了一种涂料材料,如图7所示,该涂料在8～14 μm的红外发射率达到0.688,在10.6 μm处的反射率可降低至1 %,实现了激光红外兼容隐身涂料。

(a)放大400倍 (b)放大2000倍

3.3 激光雷达兼容性隐身材料

激光隐身与雷达隐身都是要求材料具有较强的吸波功能,但它们的原理是不同的,激光隐身是利用分子的共振与表面微粒微孔的结构来吸收激光,而雷达隐身是通过电损耗和磁损耗的方式将雷达波转化成热能从而实现隐身。当下能够同时实现雷达与激光兼容的隐身技术大致分为两种:一种是制作出某种特殊的材料,使它同时具有两种吸收功能,在吸收某段激光波时,也具有吸收某段雷达波的功能,这种材料理论上是可行的,王自荣等[26]人制备了一种激光与毫米波复合材料,该材料对0.93 μm、1.06 μm、和1.54 μm处的激光波发射率小于0.5 %,同时在8 mm厚时,雷达波反射率达-10 dB,具有激光隐雷达兼容隐身功能。另一种方法是双层涂敷法,上层为激光涂敷层,它对雷达波是完全可透过的,底层为雷达涂敷层,此时就可实现雷达激光兼容隐身效果。徐培化等人[27]采用双层涂敷法制备了一种雷达、激光复合材料,该复合材料在1.06 μm处的激光反射率为0.13 %,在8～14 GHz处的雷达反射率小于-7.5 dB,很好地实现了雷达激光兼容隐身功能。

3.4 雷达红外激光兼容性隐身材料

对于雷达红外激光兼容隐身功能,由于其内在隐身原理就存在着本质的矛盾,所以制造出三者兼容的隐身材料较为困难,但具有多兼容性隐身功能必定是将来发展的重点。之前就有学者提出:通过复合材料然后加上烟雾功能可实现雷达红外激光兼容隐身,目标外部由烟雾包裹以达到激光隐身效果,目标表面涂复合材料,表漆采用红外隐身材料,底漆采用雷达隐身材料,以实现三者兼容隐身功能,但外部的烟雾是不可持续的,所以该方法具有明显的缺点。而Zhang等人[28]制备出了Ge、ZnSe、和Si一维掺杂结构的光子晶体(1-D PC),然后再与雷达吸波材料(RAM)构成复合材料,如图8所示,实验结果表明:在8～14 μm处的反射率为0.895,而在10.6 μm处有一个反射谷(39.8%),即波长 CO2激光,在7.8～18 GHz处表现出很强的雷达波吸收效果,所以该材料同时具有雷达红外激光兼容隐身功能。Pan等人[29]设计了一种特殊的光子结构,该结构在3～5 μm、8～14 μm处的发射率可达到0.25、0.33,而在10.6 μm处吸收率可达到90 %,可实现雷达红外激光兼容隐身功能的功能。由前文可知,光子晶体具有独特的特性,所以它在于雷达红外激光兼容隐身方面具有广阔的前景。超材料的超物理性能和人工复合制造的特点,且目前在雷达红外兼容隐身和红外激光兼容隐身方面都有不错的成就,所以它在三者兼容隐身方面也具有广阔的前景。

图8 PC的微观结构图

4 结论与展望

随着电子科技的迅速发展,单一波段难以实现隐身的功能,所以兼容隐身将是未来发展的重点,目前雷达红外、激光红外及激光雷达兼容隐身技术已取得了一些不错的成果,但三者兼容隐身技术还尚未成熟,多波段隐身研究仍是重点关注对象。目前多波段三者兼容隐身技术在复合材料的研究上有不错的前景,尤其是超材料复合的方向,当然新材料的开发与制作也是关键,例如光子晶体的开发制作。但就目前隐身技术而言,仍还有许多不足与缺陷,例如机制原理上的不透彻性,工艺制作上的不完善性,材料成本的高价位性等,所以对于隐身材料的研究任重而道远,未来隐身材料它必定会向着质轻、料薄、智能、宽波带、强吸收发展的趋势。