多頻譜兼容隱身材料研究進(jìn)展

程紅飛， 黃大慶

(北京航空材料研究院，北京100095)

隨著探測技術(shù)的迅猛發(fā)展，武器裝備在戰(zhàn)場上可能同時(shí)受到來自雷達(dá)、熱紅外、可見光及近紅外、激光等多頻譜、多波段偵察儀器的探測，因此適用于單一頻段的隱身材料將很難獲得進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用，而多頻譜兼容隱身材料有希望能滿足武器裝備在戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境中的需要。

實(shí)現(xiàn)材料多頻譜兼容隱身，總體來說有兩種思路:第一，將高性能微波吸收材料、紅外低發(fā)射率材料以及可見光偽裝材料形成夾層或多層膜等復(fù)合結(jié)構(gòu)，如?？紤]把紅外低發(fā)射率層作為外層，雷達(dá)波高吸收層作為內(nèi)層形成一種雷達(dá)與紅外兼容的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu);第二，研制一種微波高吸收、紅外低輻射、同時(shí)可見光近紅外能偽裝的一體化材料，如一些稀土納米材料、摻雜氧化物半導(dǎo)體、摻雜光子晶體［1～4］等。

美國、德國、瑞典研制的多波段隱身材料已達(dá)到可見光、近紅外、中遠(yuǎn)紅外和雷達(dá)毫米波四波段兼容的水平，所開發(fā)的隱身涂料可以吸收雷達(dá)、紅外、毫米波，涂到被保護(hù)裝備上之后，最終形成的涂層僅使裝備厚度增加幾個(gè)納米，適用于任何材料和結(jié)構(gòu)［5］。我國在多頻譜隱身材料的研究起步稍晚，目前的隱身技術(shù)路徑仍以雷達(dá)隱身涂料為主，同國外有較大差距，尤其是在裝備的隱身技術(shù)上［6］。

目前國內(nèi)外研究較多的多頻譜隱身材料主要有:雷達(dá)與紅外兼容隱身材料、紅外與激光兼容隱身材料、紅外與可見光兼容隱身材料，以及覆蓋包括可見光、近紅外、遠(yuǎn)紅外和微波在內(nèi)的多波段隱身材料。

1 雷達(dá)與熱紅外兼容隱身材料

由于雷達(dá)與紅外是目前最主要的兩種軍事探測和制導(dǎo)技術(shù)，因此紅外/雷達(dá)兼容隱身材料在多波段兼容隱身材料的研制中開展得最早、報(bào)道也最多，是多頻譜隱身材料的一個(gè)研究熱點(diǎn)［7］。

雷達(dá)隱身是通過衰減吸收、偏轉(zhuǎn)雷達(dá)回波等方法降低雷達(dá)散射截面積，使其在一定范圍內(nèi)難以被敵方雷達(dá)識(shí)別和發(fā)現(xiàn)的技術(shù)，而紅外隱身則是通過降低目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)隱身。雷達(dá)吸波涂料要求高吸收率，低反射率;紅外隱身材料則要求低吸收率，高反射率［8］。而基爾霍夫定律卻表明，一種材料的反射率越高，發(fā)射率就越低。所以隱身機(jī)理的截然不同，使得它們的性能要求相互制約。

早在上世紀(jì)80年代國外就已有部分研究者成功利用摻雜氧化物半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)/紅外的復(fù)合隱身。例如德國很早就有專利報(bào)道，把半導(dǎo)體材料三氧化二銦粉碎后和基料(漆、樹脂等)復(fù)合成涂料，然后通過涂層厚度和半導(dǎo)體粒度來調(diào)節(jié)吸收率和反射率，最后達(dá)到雷達(dá)和紅外的復(fù)合隱身效果［9］。近幾年國內(nèi)又有許多研究機(jī)構(gòu)相繼對摻雜氧化物半導(dǎo)體材料進(jìn)行了研究，同時(shí)他們還研究了一些包覆金屬粉末的復(fù)合粒子結(jié)構(gòu)，提出一些夾層結(jié)構(gòu)多層膜結(jié)構(gòu)的復(fù)合隱身材料。

圖1 纖維填充鋁納米顆粒和不填充鋁納米顆粒的反射率曲線比較［10］Fig.1 The reflectivity curves of bicomponent fibers filled with aluminum nanoparticles and bicomponent fibers without aluminumnanoparticles in the sheath-part［10］

Bin Yu，Lu Qi 等［10］用多種填料增強(qiáng)聚丙烯，并通過熔融紡絲，研制出一種核殼雙組份纖維，他們研究了金屬的種類和含量改變時(shí)反射率的變化情況，結(jié)果表明含鋇鐵氧體、Mn-Zn 鐵氧體、青銅填料的吸收劑表現(xiàn)出了良好的雷達(dá)吸收性能，10dB 以下吸收帶寬為2.39 GHz。圖1、圖2 說明纖維外殼部分的鋁納米顆粒對吸波性能的影響非常有限并且在鋁含量為15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同時(shí)紅外發(fā)射率達(dá)到最小值0.62。

圖2 鋁粉含量對紅外發(fā)射率的影響曲線［12］Fig.2 The changes of infrared emissivity of the fiber with the addition of Al particles［12］

武曉威、馮玉杰等［11］采用均勻共沉淀法將ZnS復(fù)合于片狀金屬鋁粉表面，獲得了包覆較為完整的ZnS/A1 復(fù)合粒子。在8 ～14 μm 具有低紅外發(fā)射率0.4520，達(dá)到了紅外透明材料包覆鋁粉的目的;ZnS 包覆后復(fù)合粒子對電磁波的吸收能力顯著提高，衰減最大頻率出現(xiàn)在12GHz，衰減值為－16.73dB;在11.8 ～12.2GHz 范圍內(nèi)反射率小于－10dB。他們還采用表面改性的方法在鋇鐵氧體表面進(jìn)行Ni-Co-P 復(fù)合化學(xué)鍍，在研究樣品的結(jié)構(gòu)、表面形貌、紅外發(fā)射率、微波吸收性能后發(fā)現(xiàn)，在鋇鐵氧體表面包覆的Ni-Co-P合金呈球狀，包覆比較均勻，在鋇鐵氧體粒子上鎳鈷磷固熔體質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為84.14%，其中鎳為51.93%，鈷為25.78%，磷為6.43%時(shí)鍍后樣品的紅外發(fā)射率降至0.6160，對電磁波的反射率在8 ～11.6GHz 范圍內(nèi)小于－10dB［12］。

Yi Wang［13］等研制一種兼容紅外與雷達(dá)隱身的具有夾層結(jié)構(gòu)的纖維(CFSSs)，結(jié)果表明CFSSs 在金屬覆蓋區(qū)域大于80%時(shí)紅外輻射率低于0.3，采用0.8 ～0.08 CFSS 的雷達(dá)和紅外兼容隱身夾層結(jié)構(gòu)對雷達(dá)波在8 ～18GHz 頻率范圍能實(shí)現(xiàn)－10dB以下的吸收。在CFSS 上填充正常涂料對夾層結(jié)構(gòu)的雷達(dá)波吸收性質(zhì)有很大不良影響。幸運(yùn)的是，它可以通過研究低發(fā)射率和低介電常數(shù)的新材料來進(jìn)行提高。

陳硯朋、徐國躍等［14］用KH550 硅烷偶聯(lián)劑對鐵基合金粉包覆改性，并以其為顏填料制備了雷達(dá)/紅外兼容隱身單涂層，系統(tǒng)研究了包覆改性對涂層低紅外發(fā)射率以及雷達(dá)吸波性能的影響，得出的結(jié)論是偶聯(lián)劑以化學(xué)鍵的方式吸附在鐵基合金粉表面形成有機(jī)薄膜，2%偶聯(lián)劑包覆對涂層的紅外發(fā)射率影響較小，但顯著降低鐵基合金粉的介電常數(shù)，提高阻抗匹配度。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2%以后，發(fā)射率急劇增加。從圖3 可以看出，涂層厚度為2mm 時(shí)，－10dB 的 吸 收 帶 寬 從 包 覆 前1. 5GHz 增 加 至2.2GHz，吸收峰強(qiáng)度也有明顯增加。

圖3 涂層厚度為2mm 時(shí)2%硅烷偶聯(lián)劑包覆改性前后涂層的吸波性能［14］Fig.3 Reflection lossof Fe-based powder before and after surface modification with silane coupling agent for single layer of 2mm thickness［14］

2 紅外與可見光兼容隱身材料

在可見光和近紅外波段(波長范圍為380 ～1200nm)偽裝涂料的光譜特性應(yīng)盡可能地與自然背景一致。特別是綠色偽裝涂料，應(yīng)能模擬自然植被的光譜特性，即要求涂料在此波段的反射光譜應(yīng)盡量能與綠色植物的反射光譜相吻合［15］。圖4 常作為自然背景的幾種綠色植物的反射光譜，曲線從上到下依次代表葉綠素的溶解液、淺草、樹木，以及普通軍綠色漆的平均值。

圖4 不同植物或油漆光譜反射曲線［15］Fig.4 The reflectivity curves of different plants and paints ［15］

可見光隱身與紅外隱身之間的不同之處是由可見光偵察與紅外偵察方法的不同決定的?？梢姽鈧刹煸O(shè)備主要通過目標(biāo)與背景間的亮度對比以及顏色對比來識(shí)別目標(biāo)?？梢姽怆[身技術(shù)主要是在目標(biāo)表面涂敷迷彩涂料，使目標(biāo)盡量與背景一致;而紅外偵察通過測量分析目標(biāo)的紅外輻射率對目標(biāo)進(jìn)行探測和識(shí)別，它直接利用目標(biāo)與背景紅外輻射的差別來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。目標(biāo)與背景紅外輻射的差別，主要是由目標(biāo)與背景的溫度差別來決定的［16］。

北京航空航天大學(xué)郝雷、刁訓(xùn)剛等［17］采用多弧離子鍍制備了多彩Al/TiNO(摻氮TiO2)薄膜，利用SEM 觀察了薄膜的表面、斷面形貌，并測量了其膜厚，利用紫外-可見分光光度計(jì)研究了TiNO 膜的可見光譜特性，用紅外比輻射率測量儀測量了樣品的紅外發(fā)射率，結(jié)果在不改變Al 箔在8 ～14 μm 波段低紅外發(fā)射率的情況下，實(shí)現(xiàn)了其物理著色。

可見光/紅外兼容隱身材料通常由鋁粉、著色顏料和有機(jī)粘結(jié)劑復(fù)合而成，或由摻雜的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。研究表明，在低發(fā)射率涂層中加入著色顏料可抑制低發(fā)射率金屬粉末的高可見光反射率，降低明度和光澤度，同時(shí)保持其優(yōu)異的紅外高反射特性，可形成與背景顏色相匹配的迷彩圖案，滿足可見光隱身和紅外隱身的要求，這是解決可見光/紅外兼容的重要方法［18～20］。

日本的Chiba K 等［21］制備了AlSiN/Ag 99.1Mg 0.5Eu0.4 合金的透明低發(fā)射率涂層，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)诙嗀g 合金層的厚度是第一Ag 合金層厚度的1.2 ～2.0倍時(shí)，該薄膜的光學(xué)特性得到改善，他們在保持高的可見光透射率的同時(shí)在對太陽光的近紅外線部分產(chǎn)生一個(gè)尖銳的分界線。玻璃/AlSiN(47nm)/AgMgEu(11BITI)/AlSiN(94nm)/AgMgEu(18nm)/AlSiN(47nm)多層膜在可見光波段透過功率大于80%，遮陽系數(shù)0. 45，在850nm 反射功率達(dá)到了77%。

南京工業(yè)大學(xué)陳嬌、黃嘯谷等［22］采用固相法制得了Bi2O3/ATO 混燒填料，具有較好的紅外透明性;隨著Bi2O3含量的增加，紅外輻射率先減小后增大，當(dāng)Bi2O3的含量為70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)紅外輻射率值最低為0.67。其粉體顏色可以根據(jù)Bi2O3含量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，適于制備多色紅外迷彩填料，能夠?qū)崿F(xiàn)紅外/可見光的兼容隱身，具有良好的發(fā)展前景。

3 紅外與激光兼容隱身材料

由于激光隱身材料要求吸收激光信號(hào)，從而降低了激光反射信號(hào)，因此，對于同一目標(biāo)要同時(shí)達(dá)到紅外與激光的隱身，就必須同時(shí)降低材料的發(fā)射率和反射率，這就使得建立在高反射低吸收基礎(chǔ)上的紅外隱身材料和低反射高吸收基礎(chǔ)上的激光隱身材料在工作原理上發(fā)生了矛盾。

而且解決這一矛盾時(shí)，比實(shí)現(xiàn)雷達(dá)與紅外兼容更困難的是，激光工作的波段正好位于紅外波段內(nèi)，因?yàn)榧す怆[身的材料開發(fā)和應(yīng)用多針對于1.06μm 波段釔鋁石榴石激光器以及具有對人眼安全、大氣傳輸性能好、兼容性好、較大的輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)的10. 6μm 波段的二氧化碳激光器［23］。

解決的思路之一是研制一種材料，使其在激光工作波段如1.06μm 附近出現(xiàn)較窄的低反射率帶，而其他波段均為低輻射，以此來達(dá)到對激光的隱身，并且同時(shí)又要求它對紅外隱身的影響不大。這一方法要求低發(fā)射帶盡可能窄，因而也成了該方法的的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)［24，25］。

利用摻雜光子晶體的缺陷能級形成的/光譜挖孔結(jié)構(gòu)可以很好地解決這一難題。光子晶體是一種新型的人工結(jié)構(gòu)功能材料，基于光子禁帶的高反射特性，可以實(shí)現(xiàn)紅外偽裝;基于一維摻雜光子晶體，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外與激光兼容偽裝［26，27］。這種晶體材料由于強(qiáng)弱振子介電耦合原因能夠在某一波長如10.6μm 處具有強(qiáng)吸收性能。從光譜曲線上看，就像在某一波長處挖了一個(gè)孔，利用這類材料實(shí)現(xiàn)10.6μm 激光和8 ～14μm 波段熱紅外隱身。

劉必鎏等［28］利用薄膜光學(xué)理論中的特征矩陣法計(jì)算了設(shè)計(jì)的摻雜ZnSe 的CdSe /SiO2光子晶體薄膜的反射、透射和吸收光譜，計(jì)算結(jié)果表明摻雜光子晶體能夠很好的滿足熱紅外與1.06μm 或10.6μm 激光隱身兼容的要求。并指出摻雜光子晶體的缺陷能級是由高透射引起的低反射，并不滿足激光隱身的實(shí)際要求，為了能將從缺陷能級透過的激光吸收掉，還需在光子晶體薄膜的基底中引入吸收材料。

Xuanke Zhao 等［29，30］基于分散布拉格反射微腔原則，選擇了碲化鉛(PbTe)和冰晶石(Na3AlF6)并設(shè)計(jì)了一種一維雙層摻雜光子晶體缺陷膜，并用薄膜光學(xué)理論的傳遞矩陣法計(jì)算了它的反射和透過譜。計(jì)算結(jié)果表明這種多循環(huán)雙雜結(jié)光子晶體在近、中、遠(yuǎn)紅外波段有高的反射率。在1 ～5μm 和8～14μm 紅外波段光譜反射率高于99%，在1.06μm和10.6μm 光譜透過率高于96%。這能滿足在近、中、遠(yuǎn)紅外波段的激光和紅外兼容隱身。

清華大學(xué)黃巍、高海潮等［31］將摻錫氧化銦(ITO)薄膜在近紅外波段的低反射和紅外波段的高反射特性和SiO 薄膜在特定的紅外波長處有很強(qiáng)的吸收特性結(jié)合，通過研究和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)調(diào)整膜系的組合方式及選擇膜層參量，用SiO/ITO 膜系可以做成紅外與激光兼容型低目標(biāo)特征涂層。

安徽理工大學(xué)邢宏龍，郭文美等［32］以三氧化二鉻包覆片狀鋁粉粒子(Al/Cr2O3)為填料、聚碳酸酯基水性聚氨酯為粘合劑，涂敷于玻璃片上，自然干燥制得涂層，研究了粘合劑、填料及它們的加入量對涂層紅外發(fā)射率和激光反射性能的影響。結(jié)果表明使用的粘合劑較普通水性聚氨酯發(fā)射率低，固定粘合劑量，改變填料加入量，涂層在8 ～14μm 波段發(fā)射率和10.6μm 激光的反射性能都隨著包覆粒子的增加而減小，當(dāng)加入量達(dá)到30%時(shí)，涂層的紅外發(fā)射率可以降低至0. 688，激光反射能量降至初始入射能量的1%，且涂層綜合物理性能良好，達(dá)到紅外-激光兼容隱身的要求。

4 可見光、紅外、激光、雷達(dá)多段兼容隱身材料

在紅外隱身涂料中摻雜半導(dǎo)體材料及低發(fā)射率顏料，并恰當(dāng)選擇半導(dǎo)體載流參數(shù)，可以使涂料同時(shí)兼顧可見光、紅外、激光復(fù)合隱身。目前效果較好的半導(dǎo)體材料為InO3，In2O3，SnO2等，對于摻錫氧化錮的研究正在深入進(jìn)行中［33］。

美國、德國都已研制成功覆蓋可見光、紅外、雷達(dá)和毫米波四波段兼容的隱身材料。德國研制成功半導(dǎo)體兼容材料有效波段為可見光、熱紅外、微波、毫米波［34］。加拿大國防部、英國Heathcoat 公司通過控制材料的顏色和/或外層溫度來達(dá)到隱身效果的方法，發(fā)明了能實(shí)現(xiàn)可見光、紅外和雷達(dá)三波段智能隱身的裝置或材料［35～37］。

南京工業(yè)大學(xué)陳嬌等［38］采用共沉淀法制得了Cr2O3包覆片狀鋁粉的Al/Cr2O3復(fù)合粒子。借助XRD，IR，SEM 以及激光粒度儀對Al/Cr2O3粉末的相組成、形貌和粒徑分布進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)測得的Al/Cr2O3復(fù)合粒子厚度基本均勻，平均粒徑較原始鋁粉有所增加。其紅外輻射率為0.66，屬于中低紅外輻射率;1.06μm 波長處的反射率為0.41%，激光吸收性能強(qiáng)圖5 圖6。達(dá)到使用一種填料就能實(shí)現(xiàn)可見光、紅外、激光復(fù)合隱身的目的，同時(shí)，復(fù)合粒子本身的綠色還可以起到可見光隱身的效果。

圖5 不同鋁粉添加量復(fù)合粒子的紅外輻射率［38］Fig.5 Infrared emissivity of composite particles added withdifferent aluminum contents［38］

圖6 不同鋁添加量的復(fù)合粒子的反射圖譜Fig.6 Reflectivities of composite particles added with different aluminum contents

軍械工程學(xué)院宣兆龍等［39］研制了一種適用于地面軍事目標(biāo)的新型防光學(xué)、近紅外、雷達(dá)偵察的偽裝遮障材料，即雷達(dá)波衰減型紅外迷彩偽裝遮障材料。該偽裝遮障外觀形式為開孔的輕質(zhì)毯狀材料，偽裝面為多層復(fù)合材料，其中包括紅外迷彩層、基層、雷達(dá)波吸收層，涂敷涂料后的遮障材料對700 ～2000nm 的紅外線照射反射率在10%以下，在8 ～18GHz 波段的反射率大部分在20dB 以下。另外，由于該材料使用的主體材料為樹脂纖維，所以實(shí)現(xiàn)了材料的柔性、輕型，重量大約為150g/m2。該材料設(shè)計(jì)已獲國防發(fā)明專利。

南京工業(yè)大學(xué)張靜、黃嘯谷等［40］利用采用固相法在煅燒溫度為1250℃時(shí)制得了單一相的SmFeO3粉體，該粉體含有對1.06μm 激光存在特征吸收的Sm3+。其宏觀呈現(xiàn)橙紅色，微觀顆粒尺寸大小為2～4μm 的不規(guī)則塊狀。當(dāng)單層SmFeO3粉體材料的厚度為2.0mm 時(shí)，反射損耗在15.8GHz 左右出現(xiàn)約為－10dB 的峰值，同時(shí)在14.3 ～16.8 GHz 頻率范圍內(nèi)反射損耗均達(dá)到－ 5dB。SmFeO3粉體在1.06μm波長處的反射率為0.31%，激光吸收性能強(qiáng);紅外輻射率為中低值0. 58。目前他們只是對SmFeO3粉體的隱身特性作了初步研究，但卻基本驗(yàn)證了其作為雷達(dá)、激光和紅外兼容隱身材料的可行性。

5 結(jié)束語

根據(jù)武器裝備面對的復(fù)雜生存環(huán)境和隱身材料“薄、寬、輕、強(qiáng)”的發(fā)展方向要求，未來隱身材料應(yīng)做到兼顧盡可能寬的電磁波頻帶，且其質(zhì)量要盡量輕。多層化的隱身材料由于面密度及厚度大、施工不易等原因，其應(yīng)用會(huì)繼續(xù)受到一定限制，但結(jié)合復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)行新型多頻譜隱身兼容材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍是一個(gè)重要的研究方向。研制一體化多頻譜兼容隱身材料可能是今后的重點(diǎn)和趨勢，其關(guān)鍵技術(shù)在于制備對可見光、紅外具有高透過率的基體材料、對紅外有較低發(fā)射率而對雷達(dá)波具有強(qiáng)吸收的半導(dǎo)體填料。摻雜氧化物半導(dǎo)體材料有滿足這一要求的潛力，具有很大的研究價(jià)值，其研究目前還在不斷深入中，新的氧化物半導(dǎo)體材料、新的摻雜工藝仍有待進(jìn)一步發(fā)掘。

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