吸收型無源干擾材料研究進展

賈 菲，鮑紅權，徐 銘

(中國建筑材料科學研究總院，北京 100024)

隨著現(xiàn)代化電子和信息技術的飛速發(fā)展，各種新型雷達、先進探測器及精密制導武器等異軍突起，攻擊精度不斷提高、作用距離迅速增加，且具有全方位的攻擊能力，戰(zhàn)斗效能大大提高。與此同時，電子干擾技術也得到迅速發(fā)展。由于具有靈活性、便捷性等優(yōu)勢，無源干擾技術在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中起著不可或缺的作用。

1 無源干擾技術現(xiàn)狀及問題

雷達無源干擾技術是包括雷達無源干擾物、干擾物布放、戰(zhàn)術應用模式的綜合性干擾技術。自第二次世界大戰(zhàn)以來，雷達無源干擾技術得到迅猛發(fā)展，世界各國均研制和裝備了以箔條彈為主的雷達無源干擾系統(tǒng)，并拓展到海、陸、空、天各作戰(zhàn)平臺，形成了系列無源干擾裝備產(chǎn)品［1］，主要有箔條彈、紅外彈、煙幕彈等。其中箔條彈的品種和規(guī)格最為豐富，裝備于飛機、艦船、導彈、炮彈、坦克和戰(zhàn)車等平臺上。

盡管無源干擾技術的研究進展較快，但是現(xiàn)有的煙幕、箔條等無源干擾技術在作戰(zhàn)使用中仍然存在一定局限性:飛機、大中型水面艦船等大型目標在實施箔條質心干擾時，為達到預設有效雷達散射截面(RCS)值，要求一次性布放箔條量大，且全部布放于來襲導彈雷達波束內(nèi)，才可達到預期干擾效果［2］?，F(xiàn)有無源干擾裝備具有消極防御的特點，實施干擾時需對敵方來襲武器的制導波段進行預估判斷。若對敵方來襲精確制導武器的先驗知識不足，防御就會缺乏主動權。對于施放保障要求高，易受水文氣象等不可控因素影響，達不到理想干擾效果。因此，面對雷達新體制、新技術對傳統(tǒng)的無源干擾技術的巨大沖擊，有效的無源對抗技術和手段是當前研究的焦點。

吸收型無源干擾材料可吸收入射電磁波，并將電磁能轉換為熱能耗散掉，從而衰減目標回波，減少目標的可探測信息特征，降低敵方探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標的概率。因其干擾機理為吸收衰減，而非傳統(tǒng)的反射或諧振散射，吸收型無源干擾物在實施干擾時，對于先驗知識的判斷要求較傳統(tǒng)箔條有所降低，既可以單獨投入作戰(zhàn)使用、也可以與傳統(tǒng)箔條協(xié)作共用形成優(yōu)勢互補，因此，具有主動干擾的特性。從國內(nèi)目前相關研究成果來看，吸收型干擾材料的研制和應用，不僅有助于彌補常規(guī)無源干擾材料的不足，對豐富干擾作戰(zhàn)手段，提高干擾作戰(zhàn)效率亦具有實際意義。

2 吸收型無源干擾材料的性能

吸收型無源干擾材料由電磁波吸收劑和基體材料復合制備而成。作為干擾材料，除吸波能力外，吸收型干擾材料在分散率、留空時間、下降速率等使用性能方面亦有嚴格要求，因此，其制備工藝、成型方式與常規(guī)吸波材料具有較大差異。目前，常用的電磁波吸收劑主要有鐵氧體、多晶鐵纖維、導電高聚物及新型納米吸波材料等，按損耗機理可分為電阻損耗型、介電損耗型以及磁損耗型3類［3－5］，性能如表1所示。鐵氧體、金屬微粉等磁損耗型材料具有較強的吸波性能，但密度較大，純鐵氧體類箔條難以保證留空性能。導電高聚物等電損耗型吸波劑雖然質量較輕，但吸波頻帶較窄。因此，單一電磁波吸收劑同時滿足吸收型無源干擾材料應用指標及吸波性能難度較大。吸收型無源干擾材料應根據(jù)作戰(zhàn)需求，對各類電損耗型以及磁損耗型吸波劑采取針對性復合。

吸收型無源干擾材料主要應用于無源干擾作戰(zhàn)中，弱化目標回波，降低目標RCS，并為常規(guī)無源干擾物提供更為顯著的優(yōu)勢源特征，達到有效干擾敵方雷達探測系統(tǒng)的目的。為達到預期干擾效果，吸收型無源干擾材料除滿足常規(guī)吸波材料“薄、輕、寬、強”等要求外，還應具有高可靠性、長效性、普適性、快速性等技術要求以及實施狀態(tài)可控、施放效能可評估等戰(zhàn)術運用要求，具體來說:

1)應滿足干擾材料關于留空時間的要求，飄降速率應小于0.8 m/s才具有實際意義。因此，吸收型無源干擾材料在輕質的前提下，應采用條片狀形貌。條片狀材料雷諾數(shù)大，空氣流速對其影響較?。?］，布放后可快速散開并形成具有較大面積的干擾幕。

2)吸收型無源干擾材料應具有較強吸波能力，滿足傳統(tǒng)吸波材料對于實用性的要求，即反射率優(yōu)異的頻帶應盡可能寬。

3)吸收型無源干擾材料對雷達波的作用機制應為“透射吸收”，即在實現(xiàn)相同吸收效果的同時，未被吸收的電磁能與干擾幕的作用方式應為透射而非散射——吸收型干擾幕對雷達電磁波的衰減方式為雙程衰減最佳。

4)吸收型無源干擾材料吸收頻段應含蓋導引頭工作頻段，可同時對可見光、紅外、激光、雷達等制導系統(tǒng)實施復合干擾。

5)材料制備工藝可工程化程度高、一致性強、效費比高，有利于實現(xiàn)批量裝備。

表1 幾種常見吸波劑的性能

3 有關吸收型干擾材料的研究

近年來，國內(nèi)有關機構相繼開展了吸收型無源干擾材料的研制工作，主要包括膨脹石墨、泡沫云、改性纖維類干擾材料以及吸收型箔條等。但在波段覆蓋、戰(zhàn)術使用以及工程化制備等方面仍存在較大缺陷，需進一步的研究與探索。

3.1 膨脹石墨

膨脹石墨是一種具有有限電導率的介質材料，當電磁波入射到膨脹石墨后，會產(chǎn)生介電損耗，即部分電磁波被轉化為內(nèi)能而消耗掉。因此，膨脹石墨對電磁波具有吸收衰減的特性。自1993年德國 Nico［7］公司明了“NG19”多波段發(fā)煙劑以來，有關膨脹石墨衰減毫米波的研究日趨深入。德國專利采用石墨層間化合物等組成復合煙幕劑，利用煙火藥燃燒時釋放出的熱使石墨膨脹化并分散于空中，形成對可見光至毫米波范圍內(nèi)有效的干擾煙幕。

國內(nèi)就膨脹石墨對毫米波的干擾研究始于上世紀九十年代，對膨脹石墨的前身石墨層間化合物的制備研究基本趨于成熟。南京理工大學周明善［8］通過化學氧化法制備出膨脹容積較高的幾種石墨層間化合物，其層間化合物含量高達75%，且具有較好的環(huán)境穩(wěn)定性和安定性。采用熔鹽法或化學氧化法將FeCl［9］3、二茂鐵［10］或FeCl3與CoCl2的混合物［11］作為插層劑制備石墨層間化合物，或將磁性纖維摻雜在可膨脹石墨中，高溫膨化后膨脹石墨縫隙中帶有一定的磁性物質，表現(xiàn)出明顯的順磁性或亞鐵磁性。當電磁波通過改性后的膨脹石墨時，它能產(chǎn)生一定的磁損耗，增加毫米波衰減幅度。

由于具有質量輕、在空中易于飄浮、導電性好等優(yōu)勢，膨脹石墨是極具開發(fā)前景的新型毫米波干擾材料。但膨脹石墨的膨化過程能耗高、容積率低，因此膨脹石墨的有效含量受供熱劑的限制，若要達到一定的布放密度，需要布放大量的瞬時膨化劑，干擾效率較低。另外，藥劑爆炸分散及燃燒時產(chǎn)生大量氣體，導致膨脹石墨干擾云團分散性極強，單個膨脹石墨蠕蟲粒子之間缺少一定的粘附力［12］，很難在空中形成穩(wěn)定的干擾屏障(圖1)。使用時，干擾煙幕易受風向、風速、大氣垂直穩(wěn)定度和地形條件的限制，戰(zhàn)斗狀態(tài)不可控，難以達到理想的作戰(zhàn)目的。目前，膨脹石墨對毫米波具有一定的衰減性能，但對于制導主要的厘米波段干擾效果尚不顯著，其干擾頻段有待拓寬。

圖1 膨脹石墨干擾云

3.2 泡沫云

特種泡沫型干擾幕(泡沫云)由S－4煙幕劑、包覆處理的NaHCO3超細粉、微米級銅、鋁等金屬超細粉末以及其他添加劑構成。泡沫云的多界面效應、片狀泡沫對電磁波具有獨特的衰減作用;穿入其中的電磁波入射到銅、鋁等良導體和其他顆粒物表面時，被其吸收、散射，從而轉化為熱量損耗掉;泡沫云中所含的大量的H2O、CO2以及其他超細顆粒對紅外輻射具有強烈的吸收作用。因此，泡沫云可以同時對可見光、紅外、激光和雷達系統(tǒng)實施有效干擾［13－15］。

泡沫云因其干擾波段寬、干擾時間長、無殘留污染等優(yōu)勢在無源干擾技術領域具有廣闊的發(fā)展前景。海軍大連艦艇學院的金良安等人對泡沫云復合干擾材料做了比較深入的研究，所研制的基于泡沫云的紅外－毫米波復合干擾材料、特種泡沫云(SFS)［16］以及膠質氣體泡沫(CGA)［17］對紅外和毫米波都有較好的干擾效果。

泡沫云對電磁波的衰減程度取決于氣泡粒徑大小、濃度、泡沫層厚度及添加的特種組分。氣泡越小，液層越厚，干擾效果越好。而氣泡粒徑越小，相對含液量越大，比重就越大，相對沉降速度也越快，留空時間縮短。當氣泡液層厚度超過某一閾值時，會形成“退化泡沫”，使特種泡沫云的干擾效果急劇下降。泡沫發(fā)生劑被發(fā)射到空中后，需要進行一系列的物理、化學反應，才能產(chǎn)生大量的泡沫，此過程需要一定的時間，影響泡沫型干擾幕的快速形成。因此，實際運用時，對其引射施放過程具有較高要求。

3.3 纖維類干擾材料

纖維類干擾材料對雷達波的衰減是吸收和散射共同作用的結果，是一種很好的箔條替代材料。一般選用具有一定電導率、質量輕、留空時間長，且耐高溫、抗氧化的纖維材料作為無源干擾材料。碳纖維本身是雷達波的強反射體，經(jīng)過對其進行表面改性或摻雜處理之后，可使其具有吸波性能。用環(huán)氧樹脂粘合碳纖維粒子和在碳纖維表面涂覆石墨制成新型毫米波遮蔽云［18］，可以達到有效保護軍事裝備的目的。許赟等［19］通過在碳纖維表面涂覆聚苯胺制得碳纖維/聚苯胺復合材料，一定程度上提高了其對毫米波的衰減性能。王蓓等［20］在碳纖維表面涂覆視黃基席夫堿鹽，所制得的復合材料對8 mm波具有良好的干擾作用。陳昕等［21］采用化學鍍法制備鎳包覆竹纖維，所得復合材料密度較低，粒徑接近毫米量級，導電性良好，具有一定的磁性，可作為毫米波干擾材料使用。

改性碳纖維目前在電磁防護、偽裝等方面有較佳的作用。但由于受靜電、交叉排布影響較大，碳纖維類材料在空中不易分散且有抱團現(xiàn)象，因此改性碳纖維在留空式無源干擾應用中存在一定問題。

3.4 雷達波段專用吸收型箔條

吸收型箔條工作原理如圖2所示，吸收型干擾云屏障可吸收衰減敵方雷達或導彈導引頭主動制導光電信號以及目標光電輻射和反射回波，使敵方探測設備接收到的目標回波信號幅度低于其發(fā)現(xiàn)目標的最低門限值，從而降低敵方探測設備和導彈發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標的幾率。其吸收特性可表示為［22］

其中:A0為進入干擾云屏障信號強度;A為經(jīng)過干擾物吸收后信號強度;L為吸收型干擾物屏障的等效厚度;α(λ)為干擾物吸收系數(shù)，與干擾物吸收特性、體積密度及入射波長有關。

圖2 吸收型箔條工作示意圖

目前，國外已開展此方面的研究，但見報較少。國內(nèi)相關工作人員也開展了吸收型箔條的制備技術與應用研究工作。韓朝等［23］在鍍鋁玻璃絲表面涂覆納米吸波材料制得吸收型箔條，并采用對比法對所制備吸收箔條進行了吸收特性測試。其制備吸收箔條在35～40 GHz頻段具有一定的吸波效果，低頻效果不佳，分散率未測試。中國建筑材料科學研究總院徐銘博士等采用超細氮化硼粉、摻雜云母粉和合金微粉按一定配比組成電磁波吸收劑，采用疏松輕質彈性纖維作為主體骨架制備雷達波吸收型箔片，箔片厚度為20 μm，面密度90 g/m2，符合輕質要求，留空性能得到保證。吸波性能測試曲線如圖3所示，通過材料組分、尤其是布放密度的調(diào)整，可針對性調(diào)整箔片群的吸收峰頻率，且箔片的散開特性有利于快速布放，實用性得到提高。

圖3 吸波性能實測曲線

4 吸收型無源干擾材料研制中存在的難題

近年來，國內(nèi)外對吸收型無源干擾材料進行了較多的理論研究和應用探索，取得了一定進展，但仍有如下問題有待解決:涂層厚度及面密度較大，材料比重增加，無法滿足留空式無源干擾材料對填裝密度、留空時間及下落速度等性能的要求。吸收頻段較窄，無法滿足寬波段全頻覆蓋的要求。全頻吸波性能有待提高。

5 結束語

面對雷達新體制、新技術的沖擊，傳統(tǒng)無源干擾技術表現(xiàn)出一定的局限性。在充分發(fā)揮原有裝備干擾效能的基礎上，加強吸收型無源干擾材料，尤其是吸收型箔條與箔片的研制工作，對豐富無源干擾作戰(zhàn)手段，提高干擾效率具有重大意義。近年來，國內(nèi)有關工作人員相繼開展了吸收型無源干擾材料的研究與制備工作，取得了一定進展。但所制備吸收型干擾材料尚難適應未來戰(zhàn)場對無源干擾技術與戰(zhàn)術的高要求，仍需更多科學工作者進一步的研究與探索。

［1］ 胡守軍.雷達無源干擾技術的發(fā)展趨勢［J］.艦船電子工程，2008，28(6):121 －123，153.

［2］ 馬延平，何國寶.雷達波吸收型箔條無源干擾材料的制備與特性［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護，2014，22(1):77 －80.

［3］ 景紅霞.低頻段復合吸波材料的制備及電磁性能研究［D］.太原:中北大學，2013.

［4］ 陳雪剛，葉瑛，程繼鵬.電磁波吸收材料的研究進展［J］.無機材料學報，2011，26(5):449 －457.

［5］ 李金儡，陳康華，范令強，等.雷達吸波材料的研究進展［J］.功能材料，2005，36(8):1151 －1154.

［6］ 陳靜.關于0.618和一種應用［J］.光電對抗與無源干擾，2003(1):30 －31.

［7］ Uwe Krone，Klaus Moller，Ernest Shulz.Pyrotechnic smoke generator for camouflage purpose:America，US5656794［P］.Aug.12，1997.

［8］ 周明善.用于毫米波無源干擾的石墨層間化合物研究［D］.南京:南京理工大學，2007.

［9］ 周明善，李澄俊，徐銘，等.石墨層間化合物FeCl3－CrO3－GIC的制備及性能研究［J］.無機化學學報，2006，22(11):2049－2054.

［10］任慧，康飛宇，焦清介，等.摻雜磁性鐵粒子膨脹石墨的制備及其對毫米波的干擾作用［J］.新型碳材料，2006，21(1):24－28.

［11］李富進，劉洪波，陳穎.三元FeCl3－CoCl2－GICs的制備及表征［J］.湖南有色金屬，2009，25(2):44 －47.

［12］周明善，徐銘，李澄俊，等.毫米波無源干擾技術及膨脹石墨在其中的應用［J］.微波學報，2008，24(1):80 －86.

［13］金良安，王孝通，童幼堂.基于泡沫云的紅外－毫米波復合干擾技術研究［J］.紅外與毫米波學報，2004，23(6):413－417.

［14］ Embury Jr.Method for creating a one way visible screening smoke:America，US5682010［P］.Oct.28，1997.

［15］ Stevens，Ward C.Metal-coated substrate articles responsive to electromagnetic radiation and method for making and using the same:America，US6017628［P］.Jan.25，2000.

［16］金良安，戰(zhàn)希臣，付建國，等.提高泡沫云對紅外/毫米波復合制導干擾效果的實用途徑研究［J］.紅外與毫米波學報，2006，25(3):188 －191.

［17］金良安，田恒斗，戰(zhàn)希臣，等.膠質氣體泡沫對IR/MMW的干擾特性研究［J］.紅外與毫米波學報，2010，29(1):19－22.

［18］ Wilian G，Rouse.Milimeter wave screening cloud and method:America，US5148173［P］.Sep.15，1993.

［19］許赟.碳纖維/聚苯胺復合材料的制備及毫米波衰減性能研究［D］.南京:南京理工大學，2009.

［20］王蓓.視黃基席夫堿鹽的制備及毫米波衰減性能研究［D］.南京:南京理工大學，2009.

［21］陳昕，潘功配，趙軍，等.鎳包覆竹纖維作為毫米波干擾材料的性能［J］.解放軍理工大學學報;自然科學版，2010，11(6):664 －667.

［22］何國寶.多功能復合吸收型干擾物布放及其反導機理初探［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護，2000(2):53－55.

［23］韓朝，趙國志，黃小忠.毫米波吸收型箔條研究［J］.彈箭與制導學報，2006，26(2):484 －485.

(責任編輯蒲 東)