新型涂覆型雷達(dá)吸波材料的研究進(jìn)展

班國東，劉朝輝，葉圣天，王飛，賈藝凡，丁逸棟，林銳

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院 化學(xué)與材料工程系，重慶 401311）

隨著高精尖探測技術(shù)的發(fā)展，軍事偵察的方式變得多種多樣，高技術(shù)偵察和識別能力也有了很大提升。在現(xiàn)代信息化條件下，戰(zhàn)爭的勝負(fù)跟誰先敵發(fā)現(xiàn)有著重要的關(guān)系[1]。為使裝備適應(yīng)信息化條件下戰(zhàn)場的需求，需要盡可能地降低裝備被敵方發(fā)現(xiàn)的幾率，因此裝備的隱身技術(shù)顯得尤為重要[2]。作為隱身技術(shù)的重要組成部分，雷達(dá)隱身技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使得武器裝備的作戰(zhàn)能力得到極大的提高[3]。

與其他雷達(dá)吸波材料相比，涂覆型雷達(dá)吸波材料具有吸波效果好、工藝簡單、設(shè)計難度小、成本低等特點(diǎn)，是提升裝備隱身性能的一項關(guān)鍵技術(shù)，在雷達(dá)隱身技術(shù)中占具重要的地位[4—5]。近年來，各種新型戰(zhàn)機(jī)和艦艇大量使用涂覆型雷達(dá)吸波材料來提高自身的反偵察能力，世界各國對涂覆型雷達(dá)吸波材料的研究非常重視[6]。

1 涂覆型雷達(dá)吸波材料的隱身機(jī)理

1.1 雷達(dá)隱身技術(shù)作用機(jī)理

雷達(dá)隱身技術(shù)的目的是在某些特定區(qū)域內(nèi)，降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積，使其不被敵方雷達(dá)探測到，采用的方法主要有減弱、抑制、吸收、偏轉(zhuǎn)雷達(dá)波[7—8]。根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理，雷達(dá)的最大探測距離Rmax表示為[9]：

式中：Pt、Gt分別為雷達(dá)的發(fā)射功率和天線增益；λ為雷達(dá)的工作波長；Pmin為雷達(dá)接收機(jī)的最小可檢測信號功率；δ為被探測目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積（RCS）。

分析式（1）可知，降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積可以減小雷達(dá)的最大探測距離，因此目標(biāo) RCS是決定目標(biāo)對雷達(dá)波反射能力強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素之一[10]。降低目標(biāo) RCS的措施主要有兩種：一是通過估計雷達(dá)的主要威脅方向，并在此探測方向上改變目標(biāo)的外形以減少該方向的RCS；二是將雷達(dá)吸波材料涂覆在目標(biāo)表面，利用吸波材料的吸收、衰減、消除作用減弱雷達(dá)波的反射[11—13]。

1.2 涂覆型雷達(dá)吸波材料隱身原理

涂覆型雷達(dá)吸波材料（又叫雷達(dá)吸波涂層），是一種涂覆在武器裝備表面，能將吸收的雷達(dá)波的電磁能轉(zhuǎn)換成熱能而耗散掉，或者使電磁波通過干涉相消，減小電磁波反射的吸波材料[14—17]。涂覆型雷達(dá)吸波材料的隱身原理主要有兩種[18—20]：

1）通過內(nèi)部的吸收劑將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉[21]，從而達(dá)到隱身的效果。雷達(dá)波入射到涂覆型雷達(dá)吸波材料上時，除了一小部分雷達(dá)波自然反射，大部分雷達(dá)波進(jìn)入到涂層內(nèi)部與吸收劑相互作用將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能，最終以熱能的形式耗散掉[22]。其基本原理如圖1所示。

2）在雷達(dá)吸波材料的上下表面的反射波因為相位相反而發(fā)生干涉相消，從而達(dá)到減少電磁波反射的效果[23]。其基本原理如圖2所示。

2 新型涂覆型雷達(dá)吸波材料的典型代表

隨著雷達(dá)吸波材料的迅速發(fā)展，羰基鐵粉、超細(xì)鐵粉等傳統(tǒng)的雷達(dá)吸波材料已經(jīng)不能滿足未來雷達(dá)隱身的需求。為了能夠使雷達(dá)吸波材料達(dá)到“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，新型涂覆型雷達(dá)吸波材料應(yīng)運(yùn)而生，典型代表有納米吸波材料、多晶鐵纖維吸波材料、手征吸波材料和導(dǎo)電高聚物吸波材料[24—28]。

2.1 納米吸波材料

納米吸波材料是指材料組分的特征尺寸在納米量級（1～100 nm）的吸波材料，其具有寬、輕、薄等特點(diǎn)，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦屯扛残屠走_(dá)吸波材料[29]。目前，國內(nèi)外主要研究納米復(fù)合膜吸波材料、納米金屬與合金吸波材料、陶瓷納米吸波材料和納米氧化物吸波材料幾個方面。

納米吸波材料因具有良好的吸波效果而成為國外吸波材料研究的方向和熱點(diǎn)，許多國家都把它作為新一代隱身材料的重點(diǎn)研究對象，特別是美國和法國。美國[30]通過不斷地探索和研究，研制出了“超黑粉”納米吸波材料，其吸收率高，而且在低溫下具有很高的韌性。法國[31]成功研制的鈷鎳納米材料與絕緣層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，由粘結(jié)劑和納米級微屑填充材料組成，這種由多層薄膜疊合而成的結(jié)構(gòu)具有很好的磁導(dǎo)率，其在0.1～18 GHz范圍內(nèi)，電磁參數(shù)的實(shí)部和虛部均大于6。

目前，國內(nèi)對納米吸波材料的研究也很重視，何婷婷[32]通過靜電紡絲技術(shù)改變磁性顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到PAN/Fe3O4納米復(fù)合材料，通過對實(shí)心結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)的 PAN/Fe3O4納米復(fù)合材料研究發(fā)現(xiàn)，中空結(jié)構(gòu)的PAN/Fe3O4納米復(fù)合材料對雷達(dá)波的吸收帶寬分別從實(shí)心結(jié)構(gòu)的9.25 GHz和5.3 GHz拓展到9.9 GHz和7.4 GHz，最大反射損耗從34.2 dB增大至37.1 dB，反射損耗最大差值已經(jīng)達(dá)到7.7 dB。穆永民[28]通過理論探索和計算機(jī)輔助設(shè)計研究出納米SiC粉體涂層、納米Fe3O4粉體涂層以及納米 SiC粉體和納米 Fe3O4粉體混合三種吸波涂層，三種涂層樣品在 8～18 GHz具有較好的吸收效果，且對毫米波具有良好的吸波性能，特別是納米Fe3O4粉體制成的吸波涂層，吸波效果最好，反射損耗達(dá)到?7.988 dB。

近些年國內(nèi)外對納米吸波材料進(jìn)行了深入的研究和探索，發(fā)現(xiàn)不同的納米吸波材料在物理、化學(xué)方面各有優(yōu)缺點(diǎn)[33]，如表1所示。

表1 幾種納米吸波材料的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of several kinds of nano absorbing materials

盡管納米吸波材料存在不同程度的缺點(diǎn)，但是由于納米顆粒的尺寸優(yōu)勢以及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，納米材料的吸波性能比常規(guī)材料優(yōu)異。隨著社會的發(fā)展以及納米材料的不斷開發(fā)應(yīng)用，納米吸波材料將朝著寬頻、輕質(zhì)、耐高溫、韌性好的方向發(fā)展。

2.2 多晶鐵纖維吸波材料

多晶鐵纖維吸波材料[34]是一種優(yōu)良的雷達(dá)吸波材料和精密度高的磁記錄材料，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物工程，因此各國學(xué)者對其研究熱度較高[35]。

國外對于多晶鐵纖維吸波材料研究時間早，且技術(shù)比較成熟，但由于技術(shù)封鎖，相關(guān)文獻(xiàn)較少。美國3M公司[36]運(yùn)用平均直徑為0.26 μm，平均長度為6.5 μm，長徑比約為25的多晶鐵纖維，制備出厚度為1.0 mm的雷達(dá)吸波涂層，測試得出的最小反射率低于?30 dB。歐洲 GAMMA公司[37]研發(fā)了以多晶鐵纖維為吸收劑的新型雷達(dá)吸波涂層，報道稱該項技術(shù)已用于法國國家戰(zhàn)略防御部隊的導(dǎo)彈和飛行器。

國內(nèi)對多晶鐵纖維吸波材料也進(jìn)行了不少研究，取得了較好的成果。魏賽男等[38]提出了用多晶鐵纖維作為原材料來開發(fā)柔性吸波織物，對直徑10 μm的鐵纖維與直徑18 μm的不銹鋼纖維的力學(xué)性能、摩擦性能進(jìn)行對比實(shí)驗研究，預(yù)測了鐵纖維能夠順利實(shí)現(xiàn)紡紗的可行性。李小莉[39]利用磁引導(dǎo)的有機(jī)物氣相分解法（MOCVD）制備了多晶鐵纖維，通過對不同添加量的吸波材料性能的比較，得出多晶鐵纖維涂層的面密度會隨著填充比的減小而減小。另外，電磁參數(shù)的測試表明，多晶鐵纖維的磁導(dǎo)率實(shí)部和虛部以及介電常數(shù)實(shí)部和虛部都很大，得出多晶鐵纖維是一種雙復(fù)介質(zhì)吸收劑，這也是多晶鐵纖維能夠?qū)崿F(xiàn)薄涂層的重要原因之一。趙振聲等[40]研究了纖維取向樣品的制備，測試結(jié)果表明，多晶鐵纖維吸收劑的微波電磁參數(shù)具有明顯的形狀各向異性，其軸向磁導(dǎo)率大于徑向磁導(dǎo)率，軸向介電常數(shù)大于徑向介電常數(shù)。

由于國內(nèi)學(xué)者研究深度不夠以及實(shí)驗條件的限制，多晶鐵纖維吸波材料的制備和應(yīng)用方面還是存在很多問題，其性能與國外材料的性能相比差距較大。因此對于多晶鐵纖維吸波材料還需要做進(jìn)一步的研究，比如從多晶鐵纖維的直徑均勻化程度等方面來增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度等。

2.3 手征吸波材料

手征吸波材料，是一種用任何操作方式都不能讓實(shí)物與鏡像物體重合的材料。它不僅能夠吸收電磁波，還能減少電磁波的反射，成為各國學(xué)者大力研究開發(fā)的一種新型涂覆型雷達(dá)吸波材料[41]。與普通吸波材料相比，手征吸波材料具有阻抗匹配易實(shí)現(xiàn)、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)80年代以來，國外學(xué)者就開始對手征介質(zhì)中電磁波的傳輸特性、手征微波器件及手征特性的物理機(jī)制進(jìn)行研究。A.Lakhtakia等[42]利用表面電荷和電流分析了手征介質(zhì)的散射特性，研究了任意截面手征吸波材料介質(zhì)圓柱的散射特性。

目前國內(nèi)學(xué)者對于手征吸波材料研究較少。肖中銀等[43]的研究表明，摻加手征體后的基質(zhì)，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都會發(fā)生改變，反射系數(shù)會受到較大影響，具體實(shí)驗表明，反射系數(shù)會隨著介電常數(shù)實(shí)部的增大而減小。李文軍等[44]通過調(diào)節(jié)鑲硫合金的組分得到直徑在 1～12 μm之間各種尺寸的微碳卷，研究表明該微碳卷是一種吸波性能優(yōu)異的手征吸波材料。

相對于其他吸波材料，手征吸波材料雖然具有吸波頻率高、吸收頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，但是它的制備工藝比較復(fù)雜，限制了其應(yīng)用。另外，手征參數(shù)的頻率敏感性比介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的小，所以手征吸波材料在提高吸波性能、擴(kuò)展吸波帶寬等方面具有很大潛能。

2.4 導(dǎo)電高聚物吸波材料

導(dǎo)電高聚物吸波材料是由含一價陰離子、具有非定域的π?電子共軛體系的高聚物組成的吸波材料[45]。可以通過化學(xué)或者電化學(xué)方法摻雜使其電導(dǎo)率在絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體范圍內(nèi)變化。與普通高聚物相比，導(dǎo)電高聚物最顯著的特點(diǎn)[46]如下：一是通過化學(xué)或者電化學(xué)的方法摻雜，它們的電導(dǎo)率可以在絕緣體、半導(dǎo)體和金屬態(tài)寬廣的范圍內(nèi)變化，而它的物理化學(xué)、電化學(xué)行為強(qiáng)烈依賴于摻雜劑的性質(zhì)和摻雜的程度；二是在導(dǎo)電高聚物研究領(lǐng)域中所引用的“摻雜”術(shù)語完全不同于傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體的“摻雜”概念。導(dǎo)電高聚物的合成方法主要有電化學(xué)方法和化學(xué)方法，表2主要介紹了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)[47]。

表2 導(dǎo)電高聚物合成方法的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 The advantages and disadvantages of preparation methods for conductive polymer

自20世紀(jì)90年代以來，美國、法國和日本等國的學(xué)者就開始對導(dǎo)電高聚物吸波材料進(jìn)行研究，準(zhǔn)備將導(dǎo)電高聚物作為未來隱身戰(zhàn)斗機(jī)及偵察機(jī)的“靈巧蒙皮”，以及巡航導(dǎo)彈頭罩上的可逆智能隱身材料等[48]。法國Laruent[49]研究了聚吡咯、聚苯胺在0～20 GHz范圍內(nèi)的吸收性能，結(jié)果表明聚吡咯平均衰減7 dB，最大達(dá)到37 dB，頻寬為3.0 GHz。Franchitto等[50]利用十二烷基苯磺酸摻雜的聚苯胺與乙丙橡膠共混制成厚度3 mm的復(fù)合材料，在X波段反射率低于?6 dB，峰值達(dá)到?15 dB。

國內(nèi)近幾年對導(dǎo)電高聚物吸波材料研究比較深入，毛衛(wèi)民[51]等制備了導(dǎo)電聚苯胺/羰基鐵粉復(fù)合吸波材料，研究表明，它在2～12 GHz頻段范圍內(nèi)反射率小于?10 dB。李元勛[52]等采用原位摻雜聚合法制備了聚苯胺/M 型鋇鐵氧化體納米復(fù)合吸波材料，研究表明，該復(fù)合材料的反射率小于?20 dB的頻寬可達(dá)15.07 GHz。

目前，導(dǎo)電高聚物吸波材料的研發(fā)雖然取得了很大的進(jìn)步，但要將其應(yīng)用于實(shí)際還有兩個方面的問題急需解決。

1）加工性能的改善。導(dǎo)電高聚物鏈間較強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致其溶解與加工性較差，嚴(yán)重限制了它的廣泛應(yīng)用。

2）穩(wěn)定性的改善，拓寬其適用溫度范圍。導(dǎo)電高聚物放置在大氣中，其室溫電導(dǎo)率逐漸降低，而且摻雜劑本身不穩(wěn)定，也影響了導(dǎo)電高聚物的適用溫度范圍。

3 展望

雷達(dá)隱身技術(shù)的深入發(fā)展對涂覆型雷達(dá)吸波材料提出了更高的要求，綜合涂覆型雷達(dá)吸波材料的研究進(jìn)展，新型涂覆型雷達(dá)吸波材料將朝著以下三個方向發(fā)展：

1）雷達(dá)吸波材料復(fù)合化，即將多種吸波劑復(fù)合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如將電損耗材料與磁損耗材料復(fù)合，達(dá)到良好的阻抗匹配。

2）雷達(dá)吸波材料的多波段化與低頻化，探索可同時在厘米波、毫米波發(fā)揮效能的吸收劑，特別是在低頻段也有良好吸收性能的吸收劑。

3）提高雷達(dá)吸波材料的環(huán)境適應(yīng)能力，研發(fā)耐腐蝕、耐高溫和抗磨損的吸波材料，拓寬雷達(dá)吸波材料的工程應(yīng)用領(lǐng)域。