隐身吸波材料的研究进展

第37卷增刊4稀有金属材料与工程Vol.37,Suppl.42008年10月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGOctober2008收稿日期：2008-01-20作者简介：张健，男，1955年生，教授，西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室，陕西西安710016，电话：[phone]，E-mail:[e-mail]隐身吸波材料的研究进展张健，张文彦，奚正平(西北有色金属研究院金属多孔材料国家重点实验室，陕西西安710016)摘要：介绍了传统吸波材料和新型吸波材料的研究进展。铁氧体、金属微粉、钛酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等均为传统吸波材料，它们通常都存在吸收频带窄、密度大等缺点。新型吸波材料包括纳米材料、金属纤维材料、“手征”材料、导电高聚物及电路模拟吸波材料等，它们具有不同于传统吸波材料新型的吸波机制。传统吸波材料以强吸收为主要目标，新型吸波材料则要满足“薄、宽、轻、强”的要求。作者在已制备出丝径2μm具有高磁导率金属纤维的基础上，提出要开展具有纳米异质结构包覆的亚微米金属磁性纤维制备技术及材料的雷达波吸收性能研究。关键词：隐身技术；吸波材料；发展概况中国法分类号：TB34文献标识码：A文章编号：1002-185X(2008)S4-504-05用于隐身目的的材料称为隐身吸波材料。隐身技术是指在一定探测环境中控制、降低各种武器装备的特征信号，使其在一定范围内难以被发现、识别和攻击的技术；由于隐身技术能极大地提高武器的生存能力和作战效果，受到许多国家的高度重视，成为集陆、海、空、天四位一体的立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段，成为现代军事研究的关键技术[1~6]。随着电子对抗技术的不断发展，未来战争的各种武器将面临巨大的威胁，提高武器系统的生存能力及突防能力是现代武器研制的重点。隐身技术作为提高武器作战效能的一种有效手段，与激光、巡航导弹并称为当今军事技术的三大革命。隐身技术自从问世以来，在战斗机、导弹和舰船等主要作战武器系统上的应用都得到了较大的发展。短短几年的时间，隐身技术的研究及其应用又获得了突破性进展。它的应用范围又得到很大扩展，已波及到水雷、机车、工事、战车等领域。美国的飞机隐身技术处于世界领先地位，其杰出代表是F-117A隐身攻击战斗机、B-2隐身战略轰炸机和F-22先进战术战斗机。其中F-117A隐身攻击战斗机是美国空军第1种服役的隐身战斗机。在海湾战争中，F-117A隐身战斗攻击机的出色表现和令人吃惊的战果，使得隐身技术更进一步受到世界军事强国的重视，成为引人注目的高技术武器系统。F-117A曾被称为“黑色喷气机”，原因是机体表面几乎全部涂覆了黑色的雷达吸波材料[7~10]。B-2隐身战略轰炸机外表面涂覆有一种具有不同厚度的韧性隐身涂层。这种涂层是导电的，每5年要更换一次，在B-2轰炸机的整个寿命期内，将这种涂层剥除并重新涂覆大约要进行4次，以保证它的隐身特性。B-2轰炸机大量采用了吸波复合材料，如机身表面的大部分由吸波的碳纤维蜂窝夹层结构制成。外翼的蒙皮及梁大多采用碳纤维/环氧复合材料。F-22是是美国洛克希德、马丁与波音公司为美国空军研制的21世纪初主力重型战斗机，在美国空军武器装备发展中占有最优先的地位。F-22的隐身性能是采用了更先进、更成熟的隐身材料技术：大量采用了复合材料结构，复合材料占整个结构重量的26%。而在当前战争中，雷达仍是探测目标的最可靠方法之一。目前，针对雷达的隐身技术途径主要是利用雷达吸波材料对雷达波进行吸收或是减少对它的反射。所以各国普遍重视对吸波材料的研究与开发，它的发展及使用对未来战争的胜败将具有很大的意义。雷达吸波材料简称为吸波材料，吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化为热能或其它形式的能量而耗散掉的一类材料。它的工作原理与材料的电磁特性有关。〕良好的吸波材料必须具备两个条件，一是雷达波射入到吸波材料内，其能量损耗尽可能大：二是吸波材料的阻抗与雷达波的阻抗相匹配，此时满足无反射。实用上常要求吸波材料在一定频宽范围内(如8~18GHz)对电磁波强烈地吸收，理想的情况是全吸收，即反射系数为零[1]。增刊4张健等：隐身吸波材料的研究进展·505·1吸波材料研究现状吸波材料的种类发展至今已有十多种[11~22]。它有多种分类方法，主要有下列几种：（1）按类型可分为功能吸波材料和结构吸波材料；（2）按材料成型工艺和承载能力，可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料，前者是将吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波涂层。后者具有承载和吸收雷达波的双重功能，通常是将吸收剂分散在层状结构材料中，或是透波性能好、强度高的高聚物复合材料(如玻璃钢，芳纶纤维复合材料)作面板，夹芯采用蜂窝状、波纹体或角锥体的夹芯结构；（3）按材料损耗机制，吸波材料可分为电阻型、电介质型和磁介质型三大类。碳化硅、石墨等属于电阻型吸波材料，电磁能主要衰减在材料电阻上。钛酸钡之类属于电介质型吸波材料，其机制为介质极化驰豫损耗。磁介质型吸波材料的损耗机制，主要归结为铁磁共振吸收，这类材料有铁氧体、羰基铁等；（4）按吸收原理，吸波材料又可分为吸收型和干涉型两类。吸收型吸波材料主要是材料本身对雷达波损耗吸收，干涉型是利用吸波层表面反射波和底层反射波的振幅相等相位相反进行干涉抵消，它的缺点是吸收频带很窄。吸波材料的吸波性能取决于吸收剂的损耗吸收能力，因此吸收剂的研究一直是吸波材料研究的重点。铁氧体、金属微粉、钛酸钡、碳化硅、石墨、导电纤维等均为传统吸波材料，它们通常都存在吸收频带窄、密度大等缺点。新型吸波材料包括纳米材料、多晶铁纤维、“手征”材料、导电高聚物及电路模拟吸波材料等，它们具有不同于传统吸波材料的新型吸波机制。传统吸波材料以强吸收为主要目标，新型吸波材料则要求满足“薄、宽、轻、强”。即1）在工作频带中，使入射到材料内部的电磁波在尽量薄的厚度被快速损耗吸收。2）在足够宽的工作频带中，要求材料与空气有良好的匹配，使空气与材料界面间的总反射很小，这就要求材料有较好的频率特性，再通过合理的设计，充分利用材料的性能。3）要求吸波涂层材料的面密度小、重量轻．其中对隐身飞行器尤为关键。4）有高的力学性能及良好的环境适应性和理化性能，就是要求材料具有粘结强度高，耐一定的温度和不同环境变化的要求[5]。在传统吸波材料中，铁氧体吸波材料和金属微粉吸波材料是两种研究得最多并已得到较广泛应用的吸波材料。而纳米材料和多晶铁纤维则是目前众多新型吸波材料中性能最好的两种。而未来的吸波材料则应满足多频谱隐身、环境自适应、耐高温、耐海洋气候、抗核辐射等更高要求，以适应日趋恶劣的未来战场。2铁氧体吸波材料[23]铁氧体系列吸波材料，包括镍锌铁氧体、锰锌铁氧体和钡系铁氧体等。由于强烈的铁磁共振吸收和磁导率的频散效应，铁氧体是一种较好的材料。这种材料的优点是涂层厚度薄、重量轻、稳定性好，具有吸收强、频带较宽及成本低的特点。因而被广泛应用于隐身领域。自然共振是铁氧体吸收电磁波的主要机制。按微观结构的不同，铁氧体可分为尖晶石型、石榴石型和磁铅石型，它们均可作吸波材料。研究表明，3种铁氧体中六角晶系磁铅石型吸波材料的性能最好，具有较高的自然共振频率。铁氧体吸波材料已广泛应用于隐身技术，如B-2隐身轰炸机的机身和机翼蒙皮最外层涂敷有镍钴铁氧体吸波材料，TR-l高空侦察机上也使用了铁氧体吸波涂层。当面密度约5kg/m2、厚度约2mm时，铁氧体吸波材料在8～l8GHz频带内吸收率可低于－10dB。但铁氧体吸波材料存在密度大、高温性能差等缺点。研究表明，当温度由25℃变化至100℃时，铁氧体吸波材料的吸波性能呈明显下降趋势。而高速飞行器(如米格25)，要求吸波材料在600℃以上工作，这必将无法满足未来武器系统需要。3金属微粉吸波材料[24~27]金属微粉吸波材料主要以磁性金属微粉为主，包括羰基铁粉、羰基镍粉、钴镍合金粉等。金属微粉不仅具有良好的电磁参数，而且可以通过调节微粉粒度来调节电磁参数，这个特点有利于达到匹配和展宽频带。金属微粉吸收剂对雷达波具有强损耗吸收，其损耗机制主要归于铁磁共振吸收和涡流损耗。其中羰基铁微粉是最为常用的一种，如美国F/A-18C/D“大黄蜂”隐身飞机使用了这种吸波材料。金属微粉吸波材料具有微波磁导率较高、温度稳定性好(居里温度高达770K)等特点，它通过磁滞损耗、涡流损耗等吸收损耗电磁波。它们的电磁参数与组分和粒度密切相关。目前，虽然金属微粉吸波材料已广泛应用于隐身技术，但金属微粉抗氧化、耐酸碱能力差，远不如铁氧体；介电常数较大且频谱特性差，低频段吸收性能较差；密度大，其吸收剂体积占空比一般大于50%。4多晶铁纤维吸波材料[28]多晶铁纤维吸波材料的研究始于20世纪80年代中期，是一种新型轻质的磁性雷达波吸收剂。这种多晶铁纤维包括：羰基铁、镍纤维、钴纤维及其合金纤维。·506·稀有金属材料与工程第37卷由于纤维密度低，结构为各向同性或各向异性。最新研究表明，纤维状(或针状)吸波材料的吸波能力明显优于球状吸波材料，多晶铁纤维不仅具有纤维形状特别而且具有复合损耗(磁损耗和介电损耗)能力，因而具有重量轻的优点。因此，这种吸收剂可在很宽的频带内实现高吸收率，质量减轻40%～60%，克服了大多数磁性吸收剂存在的严重缺点。据报道，吸收剂体积占空比为25%，厚度为1mm的多晶铁纤维吸波涂层．在2～5GHz频率范围内吸收率大于5dB，在5～20GHz宽频带内吸收率可达10dB。通过改变纤维的长度、直径、含量及排列方式，可调节吸波材料的电磁参数。1992年，美国3M公司研制出微米级多晶铁纤维吸波涂层，长径比约为25，吸波涂层厚度为10mm。涂层中多晶铁纤维的体积占空比为35%时，涂层在4～6GHz频带内反射率低于－5dB，在6～20GHz频带内反射率低于－10dB，在10.5～13.5GHz频带内反射率低于－20dB；涂层中多晶铁纤维的体积占空比为25%时，涂层在4～5GHz频带内反射率低于－5dB，在5～16GHz频带内反射率低于－10dB，在9～12.5GHz频带内反射率可低于-30dB。欧洲GAMMA公司采用羰基铁纤维作吸收剂，丝径1～5μm，长度50～500μm，纤维密度低，结构呈各向同性或各向异性。该公司称，这种纤维是通过磁损耗和涡流损耗的双重作用来吸收电磁波能量，因而可以在很宽的频带内实现高吸收效果，且质量可减轻40%～60%。该技术已用于法国国家战略防御部队服役的导弹和载人飞行器，同时正验证用于法国下一代战略导弹弹头的可能性[11]。多晶铁纤维的形状特征决定了多晶铁纤维具有较高的磁导率，而电阻率却较小,在外界交变电场的作用下，纤维内的自由电子发生振荡运动，产生振荡电流，将电磁波的能量部分地转变为热能，因而将有很强的涡流损耗。此外，多晶铁纤维还具有较强的介电损耗吸收。5纳米吸波材料[29~30]纳米材料是指材料特征尺寸在0.1～100nm的材料。纳米材料的研究处于现代材料科学的前沿。由于纳米材料的特殊结构引起的表面效应、粒子尺寸效应及隧道效应等，导致它产生许多不同于常规材料的特异性能。因此，它具有常规材料所不具有的特殊电磁波耗散机制，有望制成具有频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄等特点的吸波材料，是一种非常有发展前途的雷达吸波材料。磁性纳米颗粒、纳米颗粒膜和多层膜是纳米材料用作隐身材料的主要形式。纳米磁性粒子在10～l00nm时，多磁畴结构转变为单磁畴结构，具有极大的矫顽力，可引起较大的磁滞损耗。又由于纳米粒子尺寸小，表面原子比例高，悬挂键增多，从而引起界面极化和多重散射。目前，纳米雷达波吸收剂主要有：纳米金属和合金、纳米铁氧体、纳米碳化硅、纳米金属膜、纳米氮化铁等。对于磁性纳米粉，其粒径与吸波性能有密切关系，因10～25nm的铁磁性金属比常规材料的矫顽力大1000倍，磁化率大约20倍，此时具有良好的吸波性能。而当尺寸小于10nm时，表现为超顺磁性而失去优异的吸收性。美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代雷达吸