隐身材料的高科技应用

氟塑爱好者

隐身材料是实现武器隐身的物质基础。
武器装 备如飞机、舰船、导弹等使用隐身材料后，可大大减小自身的信号特征，提高生存能力。
隐身材料按频谱可分 为声、雷达、红外、可见光、激光隐身材料、按材料用途可分为隐身涂层材料和隐身结构材料。声隐身材料包 括消声材料，隔声材料，吸声材料及消声、隔声、吸声的复合体。主要用于新一代潜艇。
雷达隐身材料能吸收雷 达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到隐身的目的。如日本研制的一种由电阻抗变换层和低阻抗谐振 层组成的宽频带高效吸波涂料，其中变换层由铁氧体和树脂混合组成，谐振层由铁氧体导电短纤维和树脂组成 ，在1～20吉赫的雷达波段上吸收率达20分贝以上。
另外，一些由硅、碳、硼、玻璃纤维，以及某些陶瓷与有机聚 合物构成的复合材料，有很高的机械强度，可用于制作部分结构件，如飞机蒙皮、雷达天线罩等，同时又具有隐身 功能，这类材料称为隐身结构材料。红外隐射材料主要用于车辆、舰艇、军用飞机及其他军用设施，使这些装 备和设施的红外辐射与背景基本达到一致，敌人的红外探测器难以分辨。
用铝粉及含有二价铁离子的材料作为 填充料，加到能透过红外线的粘结剂中，可构成红外隐身涂料。可见光隐身材料通常由铝粉、多属氧化物粉和有 机物复合而成，或由掺杂的半导体材料构成，可形成与背景颜色相匹配的迷彩图案，满足可见光隐身的要求。激 光隐身材料用来对抗激光制导武器、激光雷达和激光测距机，要求这些材料对激光的反射率低可吸收率高。
对隐身材料来说，对某种探测手段的隐身性能好，往往对另一种探测手段的隐身性能就不好。例如，对激光探测的 隐身性能好，对红外探测就不能隐身。这就是隐身材料的相容性问题。为解决这一问题，研制了兼容型隐身材料，如雷达波、红外兼容隐身材料，红外、激光兼容隐身材料，雷达波、红外、激光等多种兼容的隐身材料等。 这是当前隐身材料的发展方向。


1.雷达吸波材料〔1〕
雷达吸波材料是最重要的隐身材料，其中尤以结构型雷达吸波材料和吸波涂料最为重要，国外目前已实用的主要也是这两类隐身材料。

(1)结构型雷达吸波材料
结构型雷达吸波材料是一种多功能复合材料，它既能承载作结构件，具备复合材料质轻、高强的优点，又能较好地吸收或透过电磁波，已成为当前隐身材料重要的发展方向。
国外的一些军机和导弹均采用了结构型RAM，如SRAM导弹的水平安定面，A-12机身边缘、机翼前缘和升降副翼，F-111飞机整流罩，B-1B和美英联合研制的鹞-Ⅱ飞机的进气道，以及日本三菱重工研制的空舰弹ASM-1和地舰弹SSM-1的弹翼等均采用了结构型RAM。近年来，复合材料的高速发展为结构吸波材料的研制提供了保障。新型热塑性PEEK(聚醚醚酮)、PES(聚醚砜)、PPS(聚苯硫醚)以及热固性的环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺和异氰酸酯等都具有比较好的介电性能，由它们制成的复合材料具有较好的雷达传输和透射性。采用的纤维包括有良好介电透射性的石英纤维、电磁波透射率高的聚乙烯纤维、聚四氟乙烯纤维、陶瓷纤维，以及玻纤、聚酰胺纤维。碳纤维对吸波结构具有特殊意义，近年来，国外对碳纤维作了大量改良工作，如改变碳纤维的横截面形状和大小，对碳纤维表面进行表面处理，从而改善碳纤维的电磁特性，以用于吸波结构。
美国空军研究发现将PEEK、PEK和PPS抽拉的单丝制成复丝分别与碳纤维、陶瓷纤维等按一定比例交替混杂成纱束，编织成各种织物后再与PEEK或PPS制成复合材料，具有优良的吸收雷达波性能，又兼具有重量轻、强度大、韧性好等特点。据称美国先进战术战斗机(ATF)结构的50%将采用这一类结构吸波材料，材料牌号为APC(HTX)。
国外典型的产品有用于B-2飞机机身和机翼蒙皮的雷达吸波结构，其使用了非圆截面(三叶形、C形)碳纤维和蜂窝夹芯复合材料结构。在该结构中，吸波物质的密度从外向内递增，并把多层透波蒙皮作面层，多层蒙皮与蜂窝芯之间嵌入电阻片，使雷达波照射在B-2的机身和机翼时，首先由多层透波蒙皮导入，进入的雷达在蜂窝芯内被吸收。该吸波材料的密度为0.032g/cm，蜂窝芯材在6-18GHz时，衰减达20dB；其它的产品如英国Plessey公司的"泡沫LA-1型"吸波结构以及在这一基础上发展的LA-3、LA-4、LA-1沿长度方向厚度在3.8～7.6cm变化，厚12mm时重2.8kg/m2，用轻质聚氨酯泡沫构成，在4.6～30GHz内入射波衰减大于10dB；Plessey公司的另一产品K-RAM由含磁损填料的芳酰胺纤维组成，厚5～10mm，重7～15kg/m2，在2～18GHz衰减大于7dB。美国Emerson公司的Eccosorb CR和Eccosorb MC系列有较好的吸波性，其中CR-114及CR-124已用于SRAM导弹的水平安定面，密度为1.6～4.6kg/m2，耐热180℃，弯曲强度1050kg/cm2，在工作频带内的衰减为20dB左右。日本防卫厅技术研究所与东丽株式会社研制的吸波结构，由吸波层(由碳纤维或硅化硅纤维与树脂复合而成)、匹配层(由氧化锆、氧化铝、氮化硅或其它陶瓷制成)、反射层(由金属、薄膜或碳纤维织物制成)构成，厚2mm，10GHz时复介电数为14-j24、样品在7～17GHz内反射衰减>10dB。
在结构吸波材料领域，西方国家中以美国和日本的技术最为先进，尤其在复合材料、碳纤维、陶瓷纤维等研究领域，日本显示出强大的技术实力。英国的Plesey公司也是该领域的主要研究机构。

(2)雷达吸波涂料
雷达吸波涂料主要包括磁损性涂料和电损性涂料
磁损性涂料主要由铁氧体等磁性填料分散在介电聚合物中组成。目前国外航空器的雷达吸波涂层大都属于这一类。这种涂层在低频段内有较好的吸收性。美国Condictron公司的铁氧体系列涂料，厚1mm，在2～10GHz内衰减达10～12dB，耐热达500℃；Emerson公司的Eccosorb Coating 268E厚度1.27mm，重4.9kg/m2，在常用雷达频段内(1～16GHz)有良好的衰减性能(10dB)。磁损型涂料的实际重量通常为8～16kg/m2，因而降低重量是亟待解决的重要问题。
电损性涂料通常以各种形式的碳、SiC粉、金属或镀金属纤维为吸收剂，以介电聚合物为粘接剂所组成。这种涂料重量较轻(一般可低于4kg/m2)，高频吸收好，但厚度大，难以做到薄层宽频吸收，尚未见纯电损型涂层用于飞行器的报道。90年代美国Carnegie-Mellon大学发现了一系列非铁氧体型高效吸收剂，主要是一些视黄基席夫碱盐聚合物，其线型多烯主链上含有连接二价基的双链碳-氮结构，据称涂层可使雷达反射降低80%，比重只有铁氧体的1/10，有报道说这种涂层已用于B-2飞机。

(3)电路模拟吸收体和R卡
电路模拟吸收体是西方80年代研究的一种吸波机理和方法，它运用等铲电路技术对电阻片的电感、电容等参数进行分析和设计，以衰减大部分入射能量。与电路模拟吸收体相关的设计问题是频率选择表面(FSS)设计。电路模拟吸收体可以由吸波材料中周期性金属条、栅、片构成的电阻片制成，也可以采用带有刻蚀成专门设计的格网图案的金属或金属陶瓷涂层的介质薄膜或薄纤维织物，涂层材料和厚度决定电路模拟薄膜网格单元的有效电阻值；网格单元的循环间隔以及薄膜厚度的电性能可决定吸波体的电感和电容值。这种涂层可采用气相沉积或溅射方法敷于介质薄膜表面。典型的FSS有振子型、条带型、正交线型、矩型、圆形等形状。电路模拟吸收体图案比较复杂，一般由多个薄膜层组成。每层的设计不同且沿整个吸波体厚度变化，层间距离由设计频率确定。这种吸波体一般用于吸收宽频带电磁波，目前已用于隐身飞机座舱盖、隐身雷达天线罩的设计。
另一类吸波材料是称为R卡的电阻性薄膜和纤维织物。这些材料由介质基体材料与非常薄的真空沉积层、溅涂金属或金属陶瓷组成。R卡可利用沉积厚度逐渐变化和/或电阻率逐渐变化的材料构成分级涂层。R卡用于机翼时，能较好地满足气动外形的要求。在吸收前缘表面的次行波方面也很有效。


2.红外隐身材料〔1〕
红外隐身材料作为热红外隐身材料中最重要的品种，因其坚固耐用、成本低廉、制造施工方便，且不受目标几何形状限制等优点一直受到各国的重视，是近年来发展最快的热隐身材料，如美国陆军装备研究司令部、英国BTRRLC公司材料系统部、澳大利亚国防科技组织的材料研究室、德国PUSH GUNTER和瑞典巴拉居达公司均已开发了第二代产品，有些可兼容红外、毫米波和可见光。
近年来美国等西方国家在探索新型颜料和粘接剂等领域作了大量工作。新一代的热隐身涂料大多采用热红外透明度

[影响] 隐身材料是隐身技术的重要组成部分。武器系统采用隐身材料可以降低被探测率，提高自身的生存率，增加攻击性，获得最直接的军事效益。因此隐身材料的发展及其在飞机、主战坦克、舰船、箭弹上应用，将成为国防高技术的重要组成部分。