纳米隐身材料概述

-1-纳米隐身材料概述摘要：本文主要在前人论述总结的基础上对当前纳米隐身材料的原理、研究的现状（进展）、存在的问题、发展趋势和自己的一点个人看法做一个大概的简单的概述。关键词：纳米隐身材料所谓纳米材料是指晶粒直径小于100纳米、包含多个原子簇的超细材料。在这种材料状态下，材料的力学性能、光学性能、化学性能、磁性能及电学性能发生了与传统材料不相同的变化。【1】纳米隐身材料是指以磁性纳米材料或结构为主体构成的一种复合隐身材料。在信息化条件下，军事高科技的发展受到各国的重视，作为军事高科技的重要成员和基础，军用材料的发展历来很受重视。现代战争中，先进侦察系统和精确打击系统在实际作战中对军事装备及设施的威胁越来越大，隐身技术的应用能够显著提高武器装备的生存、突防和纵深打击能力，因此隐身技术成为世界各军事强国研究的热点之一。一．隐身原理⒈简单来说，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。【2】从而反射除去的波就少，不容易被对方雷达探测到，从而起到隐身效果。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。⒉纳米Si/C/N粉体的吸波机理与其结构密切相关。但目前对其结构的研究并没有得出确切结论，一般认为，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SiC晶格中取代C原子的位置而形成带电缺陷。在正常的SiC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原子取代C原子进入SiC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-2-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。电子位移的驰豫是损耗电磁波能量的主要原因。带电缺陷从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置，相当于电矩的转向过程，在此过程中电矩因与周围粒子发生碰撞而受阻，从而运动滞后于电场，出现强烈的极化驰豫。二．研究现状【4.5.6.7.8.9】公开资料显示目前国内外研究的纳米雷达波吸收剂主要有如下几种类型:纳米金属与合金吸收剂、纳米氧化物吸收剂、纳米SiC吸收剂、纳米铁氧体吸收剂、纳米石墨吸收剂、纳米Si/C/N和Si/C/N/O吸收剂、纳米金属膜/绝缘介质膜吸收剂、纳米导电聚合物吸收剂、纳米氮化物吸收剂【3】等国内关于纳米吸收剂的研究具有代表性的是成都电子科技大学的纳米针形磁性金属粉、多层纳米膜复合吸收剂,青岛化工学院的手征和纳米磁性金属离子的复合吸收剂以及哈尔滨工业大学的纳米亚单畴氮化铁固体超顺磁体复合吸收剂。成都电子科技大学以液相法合成出铁基纳米针形粉,并对影响其电磁参数的诸多因素进行了研究,这种纳米铁基金属粉密度低、质量轻,通过成分变化,可以有效控制其频率特性,有利展宽吸收频带。在此基础上,他们又对轻质多层膜复合材料进行了研究,利用化学成膜技术在中空玻璃球表面生成均匀、致密的金属镀层从而制备出了轻质颗粒膜复合吸收剂,这种吸收剂具有密度小,能充分发挥单位质量损耗层作用的显著特点,并且可以通过控制镀膜工艺和损耗层成分的方法达到有效调节镀膜颗粒复合材料的电导率、比饱和磁化强度进而调节其电磁参数,是一种轻质复合吸收剂。青岛化工学院纳米材料研究所用纳米金属作催化剂通过聚合反应制备出导电螺旋手征吸收剂,这是一种集纳米材料、导电高聚物与螺旋手征于一体的新型轻质、宽频吸收剂。由于螺旋的作用,这种吸收剂对吸波涂层具有增强作用,具有工艺性能好、使用方便等优点。哈尔滨工业大学制出了具有纳米粒度的单畴氮化铁固体超顺磁体并对超顺磁体的研制工艺也进行了探索性研究,建立了工艺研究设备。纳米氮化铁具有很高的饱和磁感应强度,而且有很高的饱和磁流密度,因此纳米粒度的氮化铁超顺磁体吸收剂具有较高的磁导率。此外，纳米氮化硅是另一种常见的纳米氮化物吸收剂,纳米氮化硅中大量悬挂键的存在形成电偶极矩,使其界面发生极化从而使纳米氮化硅产生强的介电损耗，具有良好的吸波性能。国外方面，美、法、日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和探索。日本用二氧化碳激光法研制出一种在厘米和毫米波段都有很好吸波性能的硅/碳/氮和硅/碳/氮/-3-氧复合吸收剂。其吸波机理为:通过碳化硅、氮化硅和自由碳等对雷达波进行吸收和衰减,利用氮化硅的含量调节整体电阻率。法国研制成功的钴镍纳米材料与绝缘层构成的复合结构,由粘结剂和纳米级微屑填充材料组成,其结构具有很好的磁导率,与粘合剂复合涂层具有良好的吸波性能。纳米薄膜或纳米多层膜材料具有优异的电磁性能。美国研制出的“超黑粉”纳米吸波材料,对雷达波的吸收率大于99%,这种“超黑粉”纳米吸波材料不仅吸收率大,而且在低温下仍保持很好的韧性。【6】对纳米隐身材料的最新研究主要集中在复合材料方面，运用复合技术对电损耗型与磁损耗隐身材料进行纳米尺度上的复合便可得到吸波性能大为提高的纳米复合隐身材料。综合了纳米材料和复合材料的优点而具有良好的吸收特性。其制备方法现罗列如下：1.溶胶-凝胶法：将金属有机物或无机化合物经溶液制得溶胶，溶胶在一定条件下（如加热）脱水时，具有流动性的溶胶逐渐变粘稠，成为略显弹性的固体凝胶，再将凝胶干燥、焙烧得到纳米级产物。烧结的方式和温度随物料的不同也有差异，近年来有用微波加热代替常规加热的，也有用射线照射得到产物的。该方法能够制备多孔连接的纳米材料。产生溶胶-凝胶的机制主要有：①传统胶体型：通过控制溶液中金属离子的沉淀过程，使形成的颗粒不团聚成大颗粒而沉淀，得到均匀稳定的溶胶，再经过蒸发溶胶（脱水）得到凝胶。②无机聚合物型：通过可溶性聚合物在水或有机相中溶胶-凝胶法过程，使金属离子均匀的分散在凝胶中。常用的聚合物有聚乙烯醇、硬脂酸、聚丙烯酰胺。③络合物型：利用络合剂（如柠檬酸）将金属离子形成络合物，再经过溶胶-凝胶法过程形成络合物凝胶。此方法有反应烧结温度低，径粒分布均匀等优点。2.惰性气体冷凝法：是制备清洁界面纳米粉的主要方法之一。将装有待蒸发物质的容器抽至10-6pa高真空后，充入惰性气体，然后再加热蒸发，使物质蒸发成雾状原子，随惰性气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度离子刮下，收集即得纳米粉末。如采用多个蒸发源，可同时得到复合粉体和化合物分体，颗粒尺寸可通过蒸发速率和凝聚气的气压来调控。⒊此外有以在材料合成过程中于基体中产生弥散相与母体有良好的相容性、无重复污染为特点的原位复合技术；以自放热、自洁净、高活性和亚稳结构为特点的子蔓延复合技术；分子自组装技术；超分子符合技术等。另外，研究中还存在一些问题，主要有：⒈对材料的隐身原理的研究还不是很成熟；⒉用溶胶-凝胶法制备时存在反应过程过长，凝胶易开裂；-4-⒊我国纳米隐身材料研究虽取得了一定成效，但还需加大投入和力度，使更多成果工程化。⒋我国纳米材料的产业化还处于劣势。三．前景展望【6.9。10】（1）宽频化。目前的反雷达探测隐身技术主要是针对厘米波段雷达，覆盖的频率段有限。例如，谐振型吸波材料只能吸收一种或几种频率的雷达波，介电型吸波材料与磁性吸波材料主要覆盖范围大致分别在厘米波段的低端和高端。而近年来随着先进红外/紫外探测器，米波段雷达，毫米波段雷达等新型先进探测器的相继问世，以及随之而来的装备部队使用，给原有的隐身手段提出了新的严峻挑战。这就要求隐身材料具备宽频带吸波特性，即用同一种隐身材料对抗多种波段的电磁波源的探测。（2）复合化。根据目前吸波材料的发展状况，一种类型的材料很难满足日益提高的隐身技术所提出的“薄、轻、宽、强”的综合要求，因此需要将多种吸波材料进行多种形式的复合来获得最佳隐身效果，如铁磁性Mn－Zn、Ni－Zn铁氧体与铁电性BaTiO3复合，能够极大的提高吸波性能；也可以采用有机－无机纳米材料复合技术，这种方法能很方便的调节复合物的电磁参数以达到阻抗匹配的要求，而且可以大大减轻质量，可望成为今后吸波材料研究与发展的重点方向。（3）低维化。人们为探索新的吸收机理和进一步提高吸波性能，已经日益重视研究纳米颗粒、纤维、薄膜等低维材料。研究对象集中在磁性纳米粒子、纳米纤维、颗粒膜与多层膜等方面，这些低维材料具有吸收频带宽、兼容性好、吸收率高、比重轻等多方面优点，是隐身材料发展中极具潜力的一个方向。（4）智能化。所谓智能型材料是指具有感知功能、信息处理功能、自我指令并能对信号作出最佳响应功能的材料与结构。目前在航空航天领域内，这种材料正得到越来越广泛的应用，如现在正处于实验室研究阶段的飞行器自适应蒙皮技术，就要求蒙皮材料对气流的流态做出响应，以自身形变调整与气流接触面的形状，达到最适应当前气流流态的效果。此类的材料的潜在价值不可估量，其已经成为材料科学研究中一个主要方向。四．个人看法和建议纳米隐身材料的发展对于提高我国军事实力，增强国际竞争力具有重要作用。就军事方面而言，目前国际上主流的做法一是外形隐身设计、二是用隐身材料。所谓外形隐身设计就是尽量减少武器的雷达散射面积，国内最新的歼-20战斗机、056型导弹护卫舰都采取了隐身设计。加上隐身材料的应用，能使武器的性能提高很多，歼-20战斗机、056型导弹护卫舰正-5-属于我国最尖端武器序列。另一方面，科学研究成果的应用，能更好地服务于民众，更好地促进国民经济的发展，在国际竞争中保持优势地位，能有效避免高昂的专利费流入他国。对发展纳米隐身材料的建议：我国纳米产业化的道路还十分漫长。在科学发现方面我们和美、日、德等国家没什么大的差距，有些地方还超过了他们，但向工业化生产过程中，我国尚处于落后地位。因此我们必须大力做好纳米科技成果转化为生产力的工作。国内企业大多是生产型的，缺乏自主创新的能力，另一方面，我国的科研机构，有时缺乏从实验室小试成果转化到实施大量产业化的意识，或者能力还达不到。研究机构和企业不能很好的衔接，使得我国纳米材料产业的发展严重滞后。因此科研机构应多从实际应用的角度考虑，加强和企业的联系，以使成果较好最快的应用于实际。参考文献：【1】陈石卿.纳米隐身材料.航空工程与维修.中国航空工业第一集团公司第六二八研究所.2000.5总第197期第二页【2】张振英.孙红彦.夏敏.柴娟.兵器用纳米隐身材料技术的研究.特种化工材料技术研讨会论文集.第一页【3】王智勇,刘俊能.航空材料学报,1996【4】赵慕愚等.对于发展具有高新性能的纳米晶材料的战略设想【5】张桂林.高技术通讯,1993【6】张卫东.吴伶芝.冯小云.刘剑锋.孟秀兰.纳米雷达隐身材料研究进展.2001年第3期【7】王涛.张立德.纳米非晶氮化硅的界面极化行为及其机制.科学通报.1994【8】朱以华等.Si2N4超微粒子的RF2CVD合成及其介电性质.硅酸盐学报.1996【9】钱海霞.熊惟皓.纳米隐身材料最新研究进展.宇航材料工艺.2002年第二期.第8-11页【10】黄婉霞,毛建,吴行等.铁磁性Mn－Zn、Ni－Zn铁氧体与铁电性BaTiO3吸收电磁波能力研究.四川联合大学学报(工程科学版),1998