無(wú)源干擾材料在對(duì)抗精確制導(dǎo)武器中的應(yīng)用進(jìn)展*

李笑楠 李天鵬 高欣寶

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)彈藥工程系 石家莊 050003）

1 引言

從精確制導(dǎo)技術(shù)的提出發(fā)展到現(xiàn)在，隨著基礎(chǔ)電子技術(shù)、探測(cè)技術(shù)、信號(hào)處理理論、控制理論以及大規(guī)模集成電路技術(shù)等的不斷發(fā)展，精確制導(dǎo)武器已經(jīng)從單一制導(dǎo)體制逐步發(fā)展為多模復(fù)合制導(dǎo)，一系列先進(jìn)精確制導(dǎo)武器得到了列裝，以滿(mǎn)足戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)打擊的各種需要，戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的生存能力受到了巨大威脅。作為無(wú)源攻防對(duì)抗的另一方，無(wú)源干擾材料主要通過(guò)化學(xué)燃燒或爆炸分散在保護(hù)目標(biāo)與精確制導(dǎo)武器的路徑上形成氣溶膠或煙幕云團(tuán)，通過(guò)減少入射電磁波的信號(hào)強(qiáng)度、改變保護(hù)目標(biāo)的電磁波反射特性、降低保護(hù)目標(biāo)與背景的電磁波反射或輻射差異等達(dá)到遮蔽和保護(hù)我方目標(biāo)的目的。

本文對(duì)當(dāng)前外軍現(xiàn)役裝備導(dǎo)引頭進(jìn)行了系統(tǒng)的分類(lèi)和歸納，介紹了無(wú)源干擾材料吸收電磁波機(jī)理與近10年來(lái)無(wú)源干擾材料在對(duì)抗精確制導(dǎo)武器中的應(yīng)用進(jìn)展，探討當(dāng)前存在的問(wèn)題，分析膨脹石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維與導(dǎo)電聚合物等新材料在無(wú)源干擾中的應(yīng)用，并展望了新型無(wú)源干擾材料在干擾多模導(dǎo)引頭中的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)。

2 外軍現(xiàn)役裝備導(dǎo)引頭技術(shù)現(xiàn)狀

導(dǎo)引頭具有自主搜索、截獲與跟蹤輻射源的功能，是精確制導(dǎo)武器上的核心部件。精確制導(dǎo)武器通過(guò)安裝在導(dǎo)引頭上的陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量飛行器偏離目標(biāo)彈道的失調(diào)參數(shù)，根據(jù)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)引律利用失調(diào)參數(shù)形成控制指令，將控制指令傳遞給彈上控制機(jī)構(gòu)以控制和穩(wěn)定飛行器飛行，以實(shí)現(xiàn)精確打擊［1］。導(dǎo)引頭技術(shù)的進(jìn)步是精確制導(dǎo)武器變革的重要標(biāo)志之一，世界各軍事強(qiáng)國(guó)對(duì)推動(dòng)導(dǎo)引頭技術(shù)發(fā)展的研究均極為重視［2］。隨著光電技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)引頭工作的波段已經(jīng)廣泛地覆蓋了可見(jiàn)光、紅外、紫外、毫米波、激光，同時(shí)多模復(fù)合制導(dǎo)已經(jīng)成為新一代精確制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的主流。

我軍當(dāng)前各方向各領(lǐng)域軍事斗爭(zhēng)準(zhǔn)備中，面臨的主要是美制武器裝備，對(duì)美軍現(xiàn)役精確制導(dǎo)武器導(dǎo)引頭及觀瞄設(shè)備的情報(bào)、文獻(xiàn)追蹤發(fā)現(xiàn)，其末制導(dǎo)主要采用了紅外導(dǎo)引頭、激光導(dǎo)引頭、雷達(dá)導(dǎo)引頭及多模導(dǎo)引頭，另外還有少數(shù)導(dǎo)彈使用電視制導(dǎo)導(dǎo)引頭及紫外導(dǎo)引頭。通過(guò)在美國(guó)軍用火箭與導(dǎo)彈目錄（Directory of U.S.Military Rockets and Mis?siles，http：//www.designation-systems.net/dusrm/in?dex.html）以及美國(guó)科學(xué)家聯(lián)合會(huì)（Federation of American Scientists，https：//fas.org）中檢索，在表 1中總結(jié)了美軍現(xiàn)役制導(dǎo)武器型號(hào)、用途及制導(dǎo)方式等信息。

表1 美軍現(xiàn)役先進(jìn)精確制導(dǎo)武器

在現(xiàn)役先進(jìn)導(dǎo)引頭中中，紅外導(dǎo)引頭主要工作在 3μm～5μm及8μm～12μm波段，能透過(guò)煙、塵、雨、霧、樹(shù)叢等障礙實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的全天候探測(cè)；關(guān)于激光導(dǎo)引頭主要工作波段的研究報(bào)道不多，檢索到的文獻(xiàn)較少，目前已知JDAM可采用1.06μm及10.6μm波段的激光導(dǎo)引頭進(jìn)行末制導(dǎo)，其他大部分激光導(dǎo)引頭工作在0.5μm～1μm，其優(yōu)點(diǎn)是制導(dǎo)精度較高、目標(biāo)分辨率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；毫米波導(dǎo)引頭工作波段為1mm～10mm，主要工作在3mm及8mm波段，其抗干擾能力強(qiáng)，低仰角探測(cè)特性好，對(duì)目標(biāo)形狀細(xì)節(jié)敏感，且跟蹤精度高；電視制導(dǎo)主要工作在可見(jiàn)及紅外波段，一般用于人在回路的巡航導(dǎo)彈及JDAM上，在防空、反坦克導(dǎo)彈上應(yīng)用不多；紫外導(dǎo)引頭主要用于單兵防空導(dǎo)彈，工作在0.3μm～0.55μm的紫外波段，通過(guò)探測(cè)太陽(yáng)光中的紫外線來(lái)輔助識(shí)別、區(qū)分紅外誘餌和目標(biāo)，在其他類(lèi)型導(dǎo)引頭中應(yīng)用不多，紫外導(dǎo)引頭常與紅外導(dǎo)引頭復(fù)合使用，組成紫外/紅外雙色導(dǎo)引頭。

隨著干擾技術(shù)的發(fā)展，采用傳統(tǒng)單一制導(dǎo)模式的導(dǎo)引頭極易受到干擾，無(wú)法發(fā)揮出精確制導(dǎo)武器的作戰(zhàn)效能。多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)對(duì)當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)的復(fù)雜干擾環(huán)境適應(yīng)性較好，導(dǎo)引頭采用多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)探測(cè)目標(biāo)時(shí)，紅外、激光、毫米波等導(dǎo)引頭由于工作在不同波段、可利用不同信息而具有互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。多模復(fù)合導(dǎo)引頭針對(duì)不同波段的無(wú)源或有源干擾可分別發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的精確打擊，已經(jīng)成為當(dāng)前新一代精確制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的主流。

當(dāng)前西方發(fā)達(dá)國(guó)家正大力推進(jìn)著一系列科研工作來(lái)改良精確制導(dǎo)武器的導(dǎo)引頭，隨著科研工作的進(jìn)行，已研發(fā)、列裝了一些先進(jìn)導(dǎo)引頭與精確制導(dǎo)武器，其中包括：不需要高度冷卻的光學(xué)導(dǎo)引頭、廣譜紅外導(dǎo)引頭、主動(dòng)激光導(dǎo)引頭、共形相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭等。戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的生存能力受到了巨大威脅和挑戰(zhàn)。研發(fā)更加有效的干擾技術(shù)，保護(hù)己方目標(biāo)，提高其生存能力，已經(jīng)成為一項(xiàng)非常重要的工作。

3 無(wú)源干擾材料吸波機(jī)理

根據(jù)電磁波吸收的原理與作用機(jī)制，可將無(wú)源干擾材料應(yīng)用于電磁波吸收的機(jī)理分為干涉與吸收兩種，圖1為電磁波吸收機(jī)理的模型。

圖1 無(wú)源干擾材料應(yīng)用于電磁波吸收模型

無(wú)源干擾材料干涉電磁波的原理是電磁波干涉相消，根據(jù)電磁波損耗理論［3］，當(dāng)入射電磁波E0垂直入射進(jìn)吸波材料時(shí)，由于吸波材料與介質(zhì)（一般為空氣）無(wú)法達(dá)到阻抗匹配狀態(tài)，部分電磁波（前界面反射E1）被反射回空氣中，另一部分電磁波入射到吸波材料內(nèi)部。入射到吸波材料內(nèi)部的一部分電磁波會(huì)因內(nèi)部損耗（內(nèi)部損耗Eloss）而在內(nèi)部傳輸?shù)倪^(guò)程中耗散，另一部分電磁波（后界面反射E2）到達(dá)材料后界面時(shí)會(huì)被反射回空氣中。當(dāng)吸波材料的厚度為電磁波波長(zhǎng)λ的1/4或其奇數(shù)倍時(shí)，電磁波E1與E2彼此干涉相消，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的吸收，表現(xiàn)為吸波曲線中的反射損耗峰。吸波材料的厚度可以用四分之一波長(zhǎng)模型計(jì)算［4～5］：

式中，fm為反射損耗峰位，tm為反射損耗峰位對(duì)應(yīng)的吸波材料厚度，λ和λ0分別為電磁波在真空與介質(zhì)（空氣）中的波長(zhǎng)，εr為吸波材料的相對(duì)復(fù)介電常數(shù)（εr=ε'-jε''），μr為吸波材料的相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率（μr=μ'-jμ''）。

吸收電磁波主要依靠吸波材料將入射電磁波E0轉(zhuǎn)化為其他形式的能量Eloss耗散掉，以實(shí)現(xiàn)電磁波的衰減。為了使電磁波在吸收過(guò)程中盡最大可能被耗散，主要依靠?jī)蓚€(gè)技術(shù)途徑：1）當(dāng)入射電磁波E0入射到吸波材料表面時(shí)，使其全部或大部分進(jìn)入吸波材料內(nèi)部，減少反射回到空氣中的電磁波，提高吸波材料的阻抗匹配；2）當(dāng)電磁波入射到吸波材料內(nèi)部后，使其被有效地?fù)p耗，提高吸波材料的電磁波傳輸損耗性能。

阻抗匹配研究的是吸波材料對(duì)電磁波的有效吸收（RL<-10dB，詳見(jiàn)下文）頻率范圍與電磁波入射進(jìn)入吸波材料內(nèi)部的能力，電磁波的反射因子（垂直入射）為［6～7］

式中，Zin為輸入阻抗，Z0為自由空間阻抗，f為電磁波頻率，εr為吸波材料的相對(duì)介電常數(shù)，μr為吸波材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，ε0為自由空間介電常數(shù)，μ0為自由空間磁導(dǎo)率。

由上式可知，當(dāng)Zin=Z0時(shí)，吸波材料的反射因子為零（R=0）。此時(shí)是理想的阻抗匹配狀態(tài)，電磁波完全進(jìn)入到吸波材料內(nèi)部。滿(mǎn)足對(duì)于吸波材料阻抗匹配的要求，需要選取合適的吸波材料或通過(guò)各種物理、化學(xué)方式對(duì)吸波材料進(jìn)行改性，盡可能地使εr與μr二者在數(shù)值上接近。但對(duì)于當(dāng)前較常用的吸波材料，εr、μr的數(shù)值差別比較大，且二者的數(shù)值會(huì)隨電磁波頻率的變化而改變，因此理想的阻抗匹配狀態(tài)在實(shí)際操作中難以實(shí)現(xiàn)，只能在盡可能寬的電磁波頻譜內(nèi)使二者接近，加強(qiáng)吸波材料的工作范圍。

另外，吸波材料應(yīng)具備較大的電磁損耗能力，才可以將入射到吸波材料內(nèi)部的電磁波耗散掉。相對(duì)復(fù)介電常數(shù)（εr=ε'-jε''）和相對(duì)復(fù)磁導(dǎo)率（μr=μ'-jμ''）是表征吸波材料對(duì)電磁波能量存儲(chǔ)與耗散能力的兩個(gè)物理量，ε'為在交變電場(chǎng)中，吸波材料傳輸與儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的能力，ε''為吸波材料在交變電場(chǎng)中電偶極矩重排引起的能量損耗；μ'為吸波材料在外加磁場(chǎng)的作用下發(fā)生極化或磁化的程度，μ''為吸波材料磁偶極矩在外加磁場(chǎng)的作用下因磁偶極矩重排而引起的能量損耗。損耗角正切值tanδ（損耗因子）可以表征吸波材料對(duì)電磁波能量的損耗能力：

式中，tanδε為介電損耗角正切值，tanδμ為磁損耗角正切值，tanδ越大，說(shuō)明吸波材料對(duì)電磁波能量的損耗能力越強(qiáng)。

根據(jù)傳輸線理論，可以用反射損耗（RL，Re?flection Loss）來(lái)表征吸波材料的吸波性能，通常將反射損耗公式以dB為單位表示為［6］

吸波材料對(duì)電磁波的損耗能力越強(qiáng)，RL值越小。當(dāng)RL<-10dB時(shí)，即99%的入射電磁波都被吸波材料所吸收，符合此條件的電磁波波段為有效吸收波段，其帶寬為該吸波材料的有效吸收帶寬。

3.1 電損耗型吸收劑的吸波機(jī)理

電損耗型吸波材料有電阻型與電介質(zhì)型兩類(lèi)。電阻型吸波材料主要通過(guò)電阻損耗來(lái)吸收電磁波，吸波材料的電阻損耗性能與電導(dǎo)率有關(guān)，吸波材料內(nèi)部的電子與載流子會(huì)在外界入射電磁波的激發(fā)下產(chǎn)生渦流，電磁波能量從而轉(zhuǎn)化為熱能。電介質(zhì)型吸波材料主要靠介質(zhì)的極化弛豫損耗來(lái)吸收電磁波，電偶極子會(huì)在交變的外界電磁場(chǎng)中電介質(zhì)會(huì)發(fā)生弛豫過(guò)程從而引起極化。電介質(zhì)弛豫過(guò)程中電偶極子的方向變化會(huì)引起電磁波的損耗，弛豫過(guò)程可以用狄拜理論來(lái)描述［8］：

式中，ω為角頻率，τ為極化弛豫時(shí)間，εs為靜電介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，ε∞為高頻極限下的相對(duì)介電常數(shù)。由上述兩個(gè)公式可以得到ε′和ε″的關(guān)系：

當(dāng)ε′-ε″曲線為半圓時(shí)，稱(chēng)為Cole-Cole圓，對(duì)應(yīng)一個(gè)狄拜弛豫過(guò)程，代表該吸波材料發(fā)生了弛豫過(guò)程。

3.2 磁損耗型吸收劑的吸波機(jī)理

磁損耗型吸波材料主要有磁滯損耗、疇壁共振、渦流損耗與自然共振四類(lèi)機(jī)理［9］。

1）磁滯損耗

磁矩的不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，但磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化存在滯后效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致電磁波能量損耗即磁滯損耗。當(dāng)外加磁場(chǎng)很小時(shí)，鐵磁體的磁化是可逆的，故不存在磁滯效應(yīng)，即弱磁場(chǎng)中磁滯效應(yīng)可以忽略，磁滯損耗引起的電磁波損耗功率可用下式計(jì)算：

式中，η為瑞利常數(shù)，Hm為外加磁場(chǎng)幅值，f為外加磁場(chǎng)頻率。

2）渦流損耗

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，鐵磁體受到外加交變磁場(chǎng)的作用時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦電流）。因鐵磁體內(nèi)部有電阻存在，渦電流會(huì)產(chǎn)生熱量，造成的電磁波能量損耗即渦流損耗?？梢愿鶕?jù)趨膚效應(yīng)判斷渦流損耗，如果C0不隨電磁波頻率變化而變化，說(shuō)明該波段的電磁波損耗來(lái)源于渦流損耗，C0的計(jì)算公式如下，式中μ′、μ″的含義見(jiàn)上文。

3）疇壁共振

當(dāng)鐵磁材料受到外加交變磁場(chǎng)的作用時(shí)，疇壁（相鄰磁疇之間的界面）受到力的作用會(huì)在平衡位置附近發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)外加交變磁場(chǎng)的頻率等于疇壁振動(dòng)的固有頻率時(shí)會(huì)發(fā)生共振即疇壁共振。通常情況下疇壁共振發(fā)生的頻率范圍在1MHz～100MHz內(nèi)。

4）自然共振

自然共振是鐵磁共振的一種特殊形式。數(shù)微米級(jí)別粒徑的球形吸波材料屬于單疇顆粒，由于存在磁晶各向異性等效場(chǎng)，在某些晶軸方向的晶體容易磁化而某些晶軸方向的晶體不易磁化，磁疇在非恒定外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生自然共振。根據(jù)鐵磁共振理論，自然共振頻率與磁晶各向異性場(chǎng)相關(guān)，自然共振頻率計(jì)算公式如下：

式中，fr為自然共振頻率，y為旋磁比，Heff為有效各向異性場(chǎng)。

自然共振是鐵氧體吸波材料的主要吸波機(jī)理，對(duì)于一些超細(xì)金屬粉末，如Fe/Ni金屬納米顆粒，較小的粒徑有利于增強(qiáng)有效各向異性（Keff），吸波材料的磁損耗同樣也來(lái)源于Fe與Ni顆粒的自然共振。

4 無(wú)源干擾材料研究現(xiàn)狀

隨著導(dǎo)引頭技術(shù)發(fā)展，各種有針對(duì)性的干擾技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。一般可將干擾技術(shù)劃分為有源干擾和無(wú)源干擾兩類(lèi)，有源干擾技術(shù)一般采用主動(dòng)干擾設(shè)備發(fā)生特定的電磁波信號(hào)，對(duì)來(lái)襲精確制導(dǎo)武器進(jìn)行電子干擾或壓制，這類(lèi)干擾設(shè)備有能耗較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備笨重、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，在使用中受到一定的限制［10］；無(wú)源干擾技術(shù)一般指通過(guò)無(wú)源干擾材料或器材，減少入射電磁波的信號(hào)強(qiáng)度、改變目標(biāo)的電磁波反射特性、降低目標(biāo)與背景的電磁波反射或輻射差異等，以達(dá)到破壞精確制導(dǎo)武器探測(cè)、識(shí)別與跟蹤目標(biāo)。無(wú)源干擾技術(shù)具有多頻譜干擾、性?xún)r(jià)比高、設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在世界各國(guó)得到了廣泛的裝備，并且取得了較好的效果［11］。

按照干擾劑干擾波段的不同，可以將多頻譜干擾彈分為單波段干擾材料復(fù)合、多波段干擾材料干擾彈兩類(lèi)。而多波段干擾材料具備多頻譜干擾能力，發(fā)射后可在紅外、激光、毫米波波段產(chǎn)生多頻譜干擾。能進(jìn)一步簡(jiǎn)化裝藥結(jié)構(gòu)，提高干擾劑裝藥量，增大煙幕遮蔽面積，使用多波段干擾材料干擾彈干擾多模導(dǎo)引頭有望成為今后無(wú)源干擾研究的又一熱點(diǎn)。

就目前多頻譜干擾材料的發(fā)展來(lái)看，膨脹石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維與導(dǎo)電聚合物等材料因?yàn)槠渚哂酗h浮性好、孔隙率大、粒度分布廣、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、干擾效果好等優(yōu)勢(shì)得到了一些深入的研究［12］。同時(shí)有研究者證實(shí)了CNT具有致癌性與生殖毒性［13］，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中應(yīng)做好個(gè)人安全防護(hù)措施。

4.1 膨脹石墨

膨脹石墨是利用石墨特殊的晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)在石墨層間插入化合物，形成石墨層間化合物（Graphite Intercalation Compounds，GIC），對(duì)GIC進(jìn)行高溫快速加熱時(shí)，石墨層間的插入物質(zhì)劇烈分解，產(chǎn)生大量氣體，使垂直于石墨層方向的石墨層間鍵發(fā)生斷裂，形成膨脹石墨。由于膨脹石墨密度小、飄浮性能好，留空時(shí)間長(zhǎng)，且粒子尺寸分布范圍廣，可與不同電磁波的λ/4匹配，能對(duì)較寬頻譜的電磁波實(shí)施有效干擾。

膨脹石墨應(yīng)用于無(wú)源干擾的方法有多種，常見(jiàn)的有以下幾種［14］。

1）加熱法。目前，國(guó)內(nèi)外研究者多采用化學(xué)燃料或電加熱的方法使GIC膨化，加熱法需在較高溫度下連續(xù)加熱十幾秒甚至更長(zhǎng)時(shí)間，設(shè)備能耗高、加熱過(guò)程中石墨易氧化，膨脹石墨獲得率低。且加熱法設(shè)備復(fù)雜，需提前制備膨脹石墨，使用中再通過(guò)物理噴灑法形成遮蔽煙幕屏障，但膨脹石墨體積大，受擠壓易變形，不利于貯存和運(yùn)輸，因而在實(shí)際應(yīng)用中加熱法具有一定的限制。

2）燃燒法。通過(guò)燃燒型發(fā)煙劑使GIC膨化形成膨脹石墨煙幕，以 KNO3、NH4C1O4、KClO4、納米Fe3O4為氧化劑，鋁粉、鎂粉、富碳有機(jī)物為燃燒劑，加入GIC等組成復(fù)合干擾劑，利用煙火藥燃燒時(shí)釋放出的熱量與氣體使GIC膨化并分散于空中，形成干擾煙霧。燃燒法制備膨脹石墨的缺點(diǎn)是，膨脹石墨粒子難以聚集成團(tuán)，瞬時(shí)形成大面積連續(xù)的干擾煙幕。

3）爆炸分散型瞬時(shí)膨化法。在化學(xué)藥劑提供的能量下，使GIC通過(guò)爆炸法瞬時(shí)膨化，爆炸法制備的膨脹石墨粒子形態(tài)較完整，且能借助爆炸過(guò)程在指定區(qū)域分散，瞬時(shí)形成大面積的干擾煙幕。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，從目標(biāo)收到預(yù)警信號(hào)到做出應(yīng)戰(zhàn)反應(yīng)，可利用的時(shí)間一般小于5s，因此爆炸法是膨脹石墨用于多頻譜干擾的主流。

近五年，膨脹石墨在無(wú)源干擾領(lǐng)域的應(yīng)用有不少進(jìn)展，Weiche等［15］在臺(tái)灣省“科技部”資助下采用爆炸法制備了一種以磁性鐵顆粒和膨脹石墨為基體的復(fù)合材料，該磁性膨脹石墨有極好的紅外（8μm～12μm）和毫米波（35GHz）干擾能力（>10dB）。

Valentini等［16］以工業(yè)熱塑性聚氨酯（TPU）為原料，采用熔融混煉和模壓法制備了膨脹石墨納米復(fù)合材料。樣品在1mm厚度下可以實(shí)現(xiàn)窄波段電磁吸收（>15dB，12.4GHz；>22dB，8.2GHz），而在6mm厚的樣品中，可通過(guò)多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬波段電磁吸收（>10dB，8.5GHz～12GHz）。

Borah等［17］研究了用膨脹石墨作為吸波材料，發(fā)現(xiàn)研制的膨脹石墨在11.56GHz下的吸收能力為24.51dB，0.39GHz下的吸收能力為10dB。并將膨脹石墨與銅基吸波材料的性能進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)膨脹石墨具有更好的性能。

Kuohui等［18］采用爆炸法制備了一種以磁性鐵顆粒和膨脹石墨為基體的復(fù)合材料。然后將其引入聚乙烯中，研究了材料的吸波性能。發(fā)現(xiàn)膨脹石墨和磁性鐵顆粒在聚乙烯中的質(zhì)量比為4wt.%/30 wt.%時(shí)，在2GHz～18GHz下的吸收能力為15dB，在26.5GHz～40GHz下的吸收能力為13dB。

Tingkai等［19］使用燃燒法制備了膨脹石墨（EG）/BaFe12O19（BF）納米復(fù)合材料，具有比純EG和BF更好的電磁吸波性能，與碳納米管（CNT）復(fù)合的夾層微結(jié)構(gòu)EG/BF可以進(jìn)一步有效提高電磁吸波性能。厚度為1mm的夾層微結(jié)構(gòu)CNT/EG/BF復(fù)合材料的最大吸收損耗可達(dá)45.8dB，在2GHz～18GHz的頻率范圍內(nèi)，吸收能力也大于10dB。

4.2 石墨烯、碳納米管與碳纖維

新型碳材料包含石墨烯、碳納米管與碳纖維等碳納米材料。其中石墨烯是一種由碳原子堆積組成的材料，碳原子在石墨烯中以sp2雜化方式形成二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，石墨烯材料還包括氧化石墨烯，是石墨烯的一種帶有含氧基團(tuán)的衍生物。石墨烯的主要制備方法有機(jī)械剝離法、還原氧化石墨法、化學(xué)氣相沉積法、外延生長(zhǎng)法、水熱法、溶劑熱法、電化學(xué)法等。碳納米管也是一種由碳原子堆積組成的材料，碳原子在碳納米管中以sp2雜化方式形成彎曲封閉的管狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)徑比較大。碳納米管的主要制備方法有化學(xué)氣相沉積法、電弧放電法、水熱法、溶膠凝膠法等方法。碳纖維是一種高強(qiáng)度高模量的纖維，含碳量在95%以上，碳原子在其內(nèi)部以石墨微晶結(jié)構(gòu)存在，晶體中碳原子以sp2雜化方式形成共價(jià)鍵。碳纖維的主要制備方法有前驅(qū)纖維碳化法、氣相生長(zhǎng)法。

石墨烯、碳納米管與碳纖維等碳材料除具有導(dǎo)電性能外，還具有質(zhì)量輕、易加工、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，是制備無(wú)源干擾材料的理想材料［20］。石墨烯與碳納米管以及石墨微晶中未成鍵的2pz軌道可形成離域的大π鍵，使其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。石墨烯、碳納米管與碳纖維比表面積大、導(dǎo)電性高、電損耗與磁損耗較強(qiáng)，被廣泛用于吸波、屏蔽材料。而且碳材料的比表面積大優(yōu)勢(shì)，還可以作為載體來(lái)負(fù)載其他納米粒子解決其分散能力差、易團(tuán)聚的問(wèn)題。

Wan［21］等使用不同轉(zhuǎn)速離心GO分散液，將分離出的較大尺寸GO片（尺寸約14.5μm）制備成氧化石墨烯納米紙，在8.5GHz～13GHz下的吸收能力達(dá)到44.7dB。

Wu［22］等通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯泡沫（Graphene Foam，GF），并制備了GF/聚3，4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）：聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）為 4.6 wt.%，PEDOT：PSS與GF質(zhì)量比為3.5的復(fù)合材料，對(duì)8GHz～12GHz電磁波的最大吸收為91.9dB。

Yan［23］等在反應(yīng)釜中使用高壓固相成型方法制備了rGO/聚苯乙烯（PS）復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)rGO/PS復(fù)合材料的吸波性能與PS粒徑大小密切相關(guān)，當(dāng)PS粒徑為1mm時(shí)，在8GHz～12.5GHz下的吸收能力為12.0dB；當(dāng)PS粒徑為2.5mm時(shí)，吸收能力為45.1dB。

Jia［24］等使用壓縮模塑和混合法將CNT沉積到廢橡膠粉（Ground Tire Rubber，GTR）顆粒表面，制備的CNT/GTR復(fù)合材料在CNT含量3.0wt.%時(shí)對(duì)8GHz～12GHz電磁波的吸收均大于66.9dB。

Arjmand［25］等將高濃度的多壁碳納米管（MW?CNT）混入聚氨酯（WPU）中，制備了MWCNT含量76.2wt.%的MWCNT/WPU吸波泡沫，電導(dǎo)率為2100S·m-1，在8GHz～12GHz下的吸收最高達(dá)到80dB。

Chen［26］等使用化學(xué)氣相滲透法制備了碳纖維/碳化硅復(fù)合纖維，當(dāng)碳化硅含量為21.5vol%時(shí)，復(fù)合纖維在8.5GHz～12GHz的吸收能力達(dá)到了42dB，另外碳化硅的引入還可增加碳纖維的強(qiáng)度。

4.3 導(dǎo)電聚合物

聚苯胺（PANI）、聚乙炔（PA）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTH）、聚苯硫醚（PPS）等導(dǎo)電聚合物主鏈上C-C與C=C交替排列，形成了共軛π電子體系。在大π鍵中電子高度離域遷移，從而實(shí)現(xiàn)聚合物的導(dǎo)電，導(dǎo)電聚合物具有低密度、易加工、電導(dǎo)率可調(diào)、阻抗匹配性好的優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)電聚合物主要的制備方法有化學(xué)氧化法和電化學(xué)法，均為陽(yáng)離子聚合。未改性的導(dǎo)電聚合物是電損耗型吸收劑，一般對(duì)其摻雜、復(fù)合改性調(diào)控電磁參數(shù)（與磁損耗材料復(fù)合），增加其磁損耗特性使其對(duì)電磁波的吸收兼具電損耗與磁損耗，提高吸波性能。

Oyhar?abal［27］等制備了纖維、薄片、球形等形狀的PANI，研究了PANI形狀對(duì)電導(dǎo)率、介電常數(shù)、吸波性能的影響，發(fā)現(xiàn)薄片PANI的介電性能和吸波性能均優(yōu)于纖維、球形PANI。當(dāng)薄片PANI厚度為2.6mm時(shí)，材料對(duì)電磁波的最大吸收達(dá)到了37dB，而纖維與球狀PANI分別為8dB與7dB。

Liu［28］等通過(guò)原位水熱聚合制備了GO/PANI/NiFe2O4和GO/PPy/NiFe2O4三元復(fù)合材料，有效吸收帶寬分別為5.5GHz、4.5GHz，吸收極值分別達(dá)到了50.6dB、44.8dB。

Hou［29］等使用 PPy對(duì)磁損耗型吸波材料 Fe3O4納米顆粒的表面進(jìn)行修飾制得Fe3O4@PPy，再對(duì)其表面進(jìn)行包覆PANI的處理制備Fe3O4@PPy@PANI核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。通過(guò)控制PPy和PANI殼層的厚度，可使Fe3O4@PPy@PANI的吸波波段分布在C波段、X波段和Ku波段，吸收最大值在6.7GHz處達(dá)到39.2dB。

Li［30］等使用硅烷偶聯(lián)劑對(duì) LaCrO3和NiFe2O4改性，采用原位乳液氧化法制備了LaCrO3/PANI和NiFe2O4/PANI復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)LaCrO3/PANI對(duì)厘米波的最大吸收為16.5dB，吸收帶寬為5.4GHz；NiFe2O4/PANI對(duì)X波段的最大吸收為42dB，在8GHz處有效吸收帶寬為3.3GHz。

李顏海［31］等以（NH4）2SO4為氧化劑在酸性環(huán)境中制備PPy，再將PANI包覆在PPy表面，制備了粒徑400nm～450nm的復(fù)合材料小球，當(dāng)PPy含量為40wt.%時(shí)在11GHz～13.5GHz的波段內(nèi)吸波大于9dB。

Li［32］等在碳化硅表面修飾 PANI，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性更高，且對(duì)33GHz～40GHz電磁波的吸收均大于10dB。

4.4 碳?xì)饽z超黑

碳?xì)饽z是一種將有機(jī)氣凝膠高溫碳化制得的多孔碳骨架非晶態(tài)物質(zhì)，具有低密度、高比表面積、高導(dǎo)電率等特點(diǎn)，是一種電損耗型吸波材料。將碳?xì)饽z與磁性納米金屬等磁損耗型吸波材料復(fù)合后可在較寬的電磁頻譜內(nèi)實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的吸收性能，是一種理想的超黑材料［33］。關(guān)于碳?xì)饽z吸波性能的研究起步較晚，目前公開(kāi)的文獻(xiàn)不多。趙海波［34］等提出了一種磁性納米金屬/碳?xì)饽z吸波材料，其中碳?xì)饽z含量為77wt.%～99wt.%，納米金屬粒子分布在碳?xì)饽z表面，比表面積為300m2·g-1～700m2·g-1，電導(dǎo)率為0.01S·m-1～1S·m-1，吸波強(qiáng)度為20dB～60dB。

4.5 等離子體

等離子體是一種氣態(tài)物質(zhì)，由被電離的原子及原子團(tuán)組成，是獨(dú)立于固、液、氣態(tài)之外的一種物質(zhì)狀態(tài)，因其主要由帶電離子與自由電子組成，導(dǎo)電性較佳。等離子體用于無(wú)源干擾的機(jī)理在于，等離子體對(duì)電磁波有吸收、反射、折射與散射等作用［35］，當(dāng)導(dǎo)引頭工作頻率的電磁波大于等離子體的頻率時(shí)，入射電磁波進(jìn)入等離子體其電場(chǎng)會(huì)對(duì)等離子體中的電子做功，電場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為電子的熱運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電磁波能量的損耗、吸收；另外等離子體對(duì)電磁波的反射、折射與散射等作用也可達(dá)到無(wú)法穿透等離子體的作用。等離子體具有每次使用成本較低、可實(shí)施有效干擾的吸收帶較寬、通過(guò)控制可迅速放電產(chǎn)生等離子體等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但因等離子體吸波技術(shù)較為前沿，存在著一系列尚未解決的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)階段等離子體吸波技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，距離實(shí)用化還有一段距離［36］。

何湘［35］等對(duì)封閉式、高頻放電（電源頻率1 MHz以上）產(chǎn)生的等離子體在飛行器雷達(dá)罩、進(jìn)氣道等局部的隱身效果進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在4 kW的放電功率下，產(chǎn)生的等離子體最大電子密度為～5×1016·m-3，對(duì) 1GHz～3GHz、6.5GHz～7.5GHz電磁波的吸收大于10dB。從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了等離子體吸波技術(shù)對(duì)L波段雷達(dá)實(shí)現(xiàn)隱身的可行性。

Xi等研究了高頻電磁波在等離子體中的傳播特性，通過(guò)數(shù)值模擬研究了 2GHz、5GHz、10GHz、15GHz、20GHz、30GHz電磁波在覆蓋5cm等離子層金屬表面的吸收［37］與反射［38］性能，研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)改變等離子體的碰撞頻率和電子密度來(lái)調(diào)控其吸波性能。

Zhang［39］等對(duì)紅外超材料結(jié)構(gòu)激發(fā)的表面等離子體激元結(jié)構(gòu)的吸波性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)表面等離子體激元結(jié)構(gòu)可將紅外導(dǎo)引頭工作的3μm～5μm、7.5μm～14μm 波段輻射能量轉(zhuǎn)移到 5μm～7.5μm波段內(nèi)發(fā)射，可有效降低裝備紅外輻射信號(hào)，干擾紅外導(dǎo)引頭的探測(cè)。

袁忠才［40］等提出了一種5cm等離子體（A）與5mm鐵氧體吸波材料（B）的ABA夾層結(jié)構(gòu)，電磁波可在夾層中多次反射以增強(qiáng)吸收效果。其吸波性能優(yōu)于等離子體與鐵氧體吸波材料的簡(jiǎn)單疊加（10cm等離子體層為0dB～15dB，5mm鐵氧體層為5dB），對(duì)0.1GHz～30GHz電磁波的吸收大于50dB。

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)外公開(kāi)報(bào)道膨脹石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維與導(dǎo)電聚合物等新材料用于無(wú)源干擾的文獻(xiàn)雖然不多，但從少數(shù)文獻(xiàn)中可發(fā)現(xiàn)國(guó)外相關(guān)科研部門(mén)正大力從事膨脹石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維與導(dǎo)電聚合物等新材料的研究，并已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，其目的明顯是服務(wù)于軍事應(yīng)用的。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著多模復(fù)合精確制導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，各國(guó)列裝了一批先進(jìn)精確制導(dǎo)武器，戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的生存能力受到了巨大威脅和挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)精確制導(dǎo)武器的有效干擾已是當(dāng)務(wù)之急。無(wú)源干擾材料是當(dāng)前電磁波吸波、屏蔽領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有效費(fèi)比高、設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，日益受到研究者的重視。但在多頻譜干擾、均勻分散、長(zhǎng)時(shí)間漂浮等方面存在困難，而膨脹石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維與導(dǎo)電聚合物等新材料的應(yīng)用，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)無(wú)源干擾材料存在的缺點(diǎn)。本文系統(tǒng)地總結(jié)了近十年來(lái)這些新材料在吸波領(lǐng)域的工作，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)前使用其作為吸波材料對(duì)精確制導(dǎo)武器進(jìn)行有效干擾已成為新的研究熱點(diǎn)，得到科學(xué)界的廣泛關(guān)注，但在以下幾個(gè)研究方面尚存在一些未解決的問(wèn)題，值得進(jìn)一步深入的研究。

1）石墨烯、碳納米管與碳纖維等新型碳材料規(guī)?；苽浼夹g(shù)、工藝研究；

2）膨脹石墨、碳?xì)饽z材料滯空時(shí)間、煙幕連續(xù)性研究；

3）磁損耗改性調(diào)控電磁參數(shù)導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料研究；

4）等離子體電磁參數(shù)仿真與發(fā)生設(shè)備設(shè)計(jì)研究。

作為新型無(wú)源干擾材料，膨脹石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維與導(dǎo)電聚合物等在上述研究方向仍存在一些挑戰(zhàn)，這些研究方向的工作不僅會(huì)推動(dòng)對(duì)抗精確制導(dǎo)武器的進(jìn)展，在電磁屏蔽、電磁防護(hù)等軍民領(lǐng)域也會(huì)發(fā)揮重要作用。