第25卷 第3期Vol. 25 No. 3
于 斌等:多功能隐身材料的研究与应用现状
2003年5月May. 2003
多功能隐身材料的研究与应用现状
于 斌, 齐 鲁
(天津工业大学功能纤维研究所, 天津300160)
Ξ
摘要: 主要介绍了红外/雷达多功能隐身材料、红外/激光多功能隐身材料和激光/雷达多功能隐身材料的隐身原理, 材料种类以及应用现状, 并指出了多功能隐身材料的发展趋势。关键词: 多功能隐身材料; 红外; 雷达; 激光中图分类号:TJ 765. 5 文献标识码:A 文章编号:2(2003) 2Status of R esearch and Materials
YU Bin , Q I Lu
(Fiber Depart ment , Tianjin Polytechnic U niversity , Tianjin 300160, China )
Abstract : With the rapid development of stealth technique , many countries pay more attention to the re 2search of multifunctional stealth materials. This paper mainly introduces the concept of stealth ,the kinds of materials and the status of application of infrared/radar , infrared/laser and laser/radar multifunctional stealth materials.
K ey w ord : multifunctional stealth materials , infrared , radar , laser
引言
在装备外形不能改变的前提下, 隐身材料是实现隐身技术的主要措施。对于地面武器装备, 主要防止空中雷达、红外设备的探测, 雷达制导武器和激光制导炸弹的攻击。作战飞机主要防止空中预警机雷达和机载火控雷达、红外设备的探测, 主动和半主动雷达空空导弹和红外格斗导弹的攻击。为此, 需要雷达、红外和激光隐身技术。目前, 雷达隐身材料已研制出多种产品, 并用于各种型号的武器装备上。多功能隐身材料是一个发展方向, 世界各国都在开展红外与雷达兼容、红外与激光兼容、激光与雷达兼容等多功能隐身材料的研究工作。本文就国外的多功能隐身材料综述如下。
多[2,3～14]。红外/雷达兼容的多功能隐身材料要求在可见光和近红外有伪装作用, 对微波有高吸收低反射,
在热红外波段有低发射率。目前可应用的热红外隐身材料和雷达隐身材料都不能达到上述要求。1. 1 红外/雷达兼容的隐身原理
从原理上分析, 研制红外/雷达兼容的多功能隐身材料有两种方法:一是研制一种材料, 使它同时具有微波高吸收、热红外低辐射的性能, 且兼容可见光和近红外隐身; 二是分别研制高性能微波吸收材料和低辐射的红外隐身材料, 后将它们复合, 使其复合后各隐身性能保持不变或变化不大。两条技术途径从原理上讲是可行的, 但实施起来有相当大的难度。因为对不透明体有能量守恒定律:ε+R =1, ε为发射率, R 为反射率。因此ε小, R 就必然大, 反之亦然。尽管如此, 由
于它们都是波长的函数且红外波与雷达波相差较大, 因此, 找到微波区反射率小, 而热红外反射率大、发射率小的材料是有可能的。1. 2 红外/雷达兼容隐身材料的种类及简介
目前国内外研制的红外与微波兼容的多功能隐身
1 红外/雷达多功能隐身材料
在当代军事探测和制导技术中雷达和红外是两种最普通和最主要的技术。红外/雷达兼容的多功能隐身材料在多功能隐身材料的研制中开展最早, 报道最
收稿日期:2003203211
Ξ
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2003年5月Infrared Technology May. 2003
材料主要有单一型材料和复合型材料两种。1. 2. 1 单一型材料1. 2. 1. 1 掺杂半导体材料红外隐身材料中应用最多的是金属材料, 金属材料虽有良好的红外反射性能, 但不利于雷达隐身。因此研制兼容性良好的单一型的红外/雷达隐身材料一直是研究者奋斗的目标。掺杂半导体材料的出现给单一型的红外/雷达隐身材料研制带来了一丝曙光。
按照半导体连续光谱理论, 导电材料的反射率在等离子频率f p 处会出现反射率R 突然增大, 随着波长进一步增大(频率进一步减小) 材料的R 会增加到最大, 后基本保持不变。又
f p
=n
2
1/2
mm , 在3cm (8～12GHz ) 波段, 反射率小于10dB 的
带宽为3～4GHz 。涂层厚度在10～15μm 时, 一些导电高聚物在8～20μm 的范围内的红外发射率可小于0. 4。但具体导电高聚物其没有提及, 因此尚需进一步研究证实。导电高聚物材料重量轻、材料组成可控性好、导电率变化范围大。因此其做为单一型多功能隐身材料的前景十分乐观, 但由于不熔和不溶, 加工较困难, 除聚苯胺外尚无商品生产, 且价格相当贵。1. 2. 1. 3 纳米材料
、界面、英。一方面, 由于纳米材料的小, 表面逐渐增多, 增加了纳米材料的活性。在微波的辐射下原子和电子的活性加剧促使磁化, 使电子能转化为热能。又由于量子化效应其能带分裂形成能隙, 从而形成新的吸波通道。同时由于金属的高反射性能使其具有良好的红外辐射性能。美国研制出的“超黑纷”纳米材料对雷达波的吸收高达98%[7]。1. 2. 1. 4 等离子体气悬体
式中:n ; (・数,8. 859×10-12(A ・m ) -1) ; m n 为电子质量。
半导体的f p 等于1～3μm 波长相应的频率(3～1) ×105GHz 时, 在3～5μm 和8～12μm 红外大气窗
口有高的反射率。半导体的f p 取决于载流子密度n , 而n 又可通过掺杂可以控制。三氧化二铟是中远红外高反射率的半导体例子。
在微波波段, 半导体材料的反射率可使用Hagen 2Rubens 近似值
R =1-
ε1/2
σ
等离子体是气体电离形成的第四态物质, 它对电
磁波的传播有很大的影响。如果条件适合, 它能反射或吸收某一波段的电磁波, 并可衰减红外、声波和抗静电。所以, 美国、前苏联等军事强国都在绝密的情况下进行该课题的研究。中国科技大学曹金祥等[8]对该等离子体进行测试, 结果显示该等离子体不仅对3cm 以上的雷达波实现截止, 而且也是对红外实现干扰的理想手段。目前, 主要用放射性同位素锶90、钋210产生等离子体, 但放射性同位素涂层的主要缺陷是对人体有伤害。早在20多年前, 美国与G erneral Motor 公司协作的几个单位就开始了对这种等离子体的研究, 但迄今未见有关应用的报道, 说明其尚未解决实用的困难。1. 2. 1. 5 隐身烟雾隐身烟雾不仅能对付光学侦察, 还可以干扰雷达, 屏蔽目标的热红外辐射, 从而大大降低目标被发现的概率。美英等国的坦克、装甲车一般都带有发烟装置[9]。它是通过向发动机排气装置中喷射柴油或机油产生混合气, 混合气排出车外遇冷空气, 凝结成微小液滴从而形成烟雾。这种装置的优点是结构简单, 烟雾浓度可调,
并可连续和多次施放。目前, 可见光和近红外隐身烟雾技术已十分成熟, 并且对中远红外也有显著的衰减作用, 但对雷达的隐身效果还不太理想。
式中:f 为入射电磁波的频率, σ为材料的直流电导率(它与材料的载流子密度和迁移率有关) , 因此可以通过控制材料的载流子密度和迁移率, 使材料的电导率有一合适值以达到对微波的隐身效果。
德国专利把半导体材料三氧化二铟粉碎后和基料(漆、树脂等) 复合成涂料, 半导体材料可以是小棒、六面体和小片(小片较好) , 粒度为1～1000μm , 涂料涂层厚度应小于微波波长, 可用涂层厚度和半导体粒度来调节吸收率和反射率。为了使红外隐身和微波隐身更好的兼容, 还可以做成双层和多层涂料[4]。1. 2. 1. 2 导电高聚物
导电高聚物主要是聚吡咯、聚苯胺、聚已炔和噻吩。研究表明导电高聚物电导率σ1S/m 时, 材料呈金属特性, 具有电磁屏蔽作用。E. R. Stein 等人研究导电聚合物聚吡咯在1. 0～2. 0GHz 对电磁波的衰减达26dB [5]。中科院化学所的万梅香等人[6]研制的导电高聚物涂层材料, 当涂层厚度2. 0～3. 564
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例如, 美国的XM76型烟雾弹, 对可见光、近红外和远红外都有极好的的隐身作用。1. 2. 2 复合型材料1. 2. 2. 1 双层材料
最常见的是涂敷型双层材料。一般有微波吸收底层和红外吸收面层组成。德国的Boehne [10]研制了一种双层材料, 底层有导电石墨、炭化硼等雷达吸收剂, Sb 2O 3助燃剂和橡胶黏合剂组成。面层含有在大气窗口具有低发射率的金属材料。此外国内[11]也对复合型双层隐身材料进行了研究。其双层材料面层为低发射率红外隐身层, 材料的发向比辐射率介于0. 23和0. 54之间。材料, 85、0. 20, 为了达到最佳阻抗匹配, , 从而更有效的衰减雷达、反射红外。研究表明[12], 底层如果用具有渐变阻抗的多孔材料, 更易达到最佳阻抗匹配和拓展频宽。需要指出的是, 由于红外隐身层一般都有较高的介电常数, 当它复合到吸波材料上后, 可能会引起吸波材料吸收频宽变窄、吸收率下降。1. 2. 2. 2 多层材料
透射性, 它们提供与背景相似的红外辐射同时通过微
波。以下依次为雷达吸收层、增强织物热屏蔽层。第三层为导电溅射薄膜或金属网格, 而且金属膜之间涂有聚乙烯膜以防止电导通, 使用时将其做成叶片附在伪装网上, 用来保护停放的飞机或指挥中心[2]。1. 2. 2. 3 夹芯材料
夹芯材料一般有面板和芯组成。面板一般为透波材料, 芯为电磁损耗材料和红外隐身材料。美国专利报道[14]的一种夹芯材料, 它有两个透明面板, 一个导电层和一红外隐形膜组成。(厚1～10。导电层有金属纤。红外隐形膜由两层组成:基膜和隐形涂层。基膜材料可以是PET 、PC 、PMMA 等材料, 厚约10～20μm 。隐形涂层含有Cu 、Ag 等导电材料和ITO 粉、Ni 等红外隐身材料。最后
把它们用胶粘和在一起。这种胶由黏合剂和粒径在0. 1～100μm 的Cu 、Ni 、陶瓷粉组成。夹芯材料一Ag 、
般太厚, 且不易弯曲。但夹芯材料具有承载和隐身的双重功能, 且易于制成各种隐身外形, 同时还可以与隐身涂层配合使用。因此, 夹芯材料是一种极具发展潜力的红外/雷达多功能隐身材料。
为了克服双层材料的缺点, 展宽频带, 增加吸收。现在国内外研究较多的是多层材料。涂敷型多层材料至少有三层组成:微波电磁损耗底层、阻抗匹配中间层和红外隐身涂层。为了获得理想的隐身效果, 涂敷型多层材料的设计多采用CAD 计算方法。美国专利中, Pusch [13]等人也研制了一种多层的宽波段多功能隐身材料。这种材料有三层组成:基层、金属反射层、隐形漆层。基层材料可由丙纶、涤纶、锦纶和乙纶等纺织材料经涂层制得; 金属反射层被气象沉积在基层的表面。最外层是隐形漆层, 隐形漆层中的颜料在可见光和近红外波段与自然背景要有相似的反射率, 隐形漆所用的粘结剂在大气窗口3～5μm 和8～12μm 是透明的, 又内层为金属反射层因此它的热红外辐射是低的。此外还可在隐形漆层外边涂一层聚烯烃材料形成防紫外薄层。这种材料可以做成毡或毯, 对可见光、红外线(1～20μm ) 和雷达波(3～3000GHz ) 都有隐身效果。这种材料比较轻便、柔软, 可用于静止状态的飞机、坦克等设备, 也可附着在伪装网上。但这种材料尚不适用于工作状态下的目标。1. 2. 2. 3 薄膜材料
薄膜材料也是一种多层材料。它有七层膜组成, 这种膜外层在红外波段有高反射性, 在雷达波段有高
2 红外/激光兼容隐身材料
该材料与红外雷达多功能隐身材料相似, 红外隐身与激光隐身从原理上也是相互矛盾, 它要求材料在红外有低的发射率, 对激光有低的反射率。我们知道低发射率必然导致高反射率, 因此要实现红外与激光隐身的兼容性是很难的。不过, 实际上目前所用的激光器(除CO 2激光器) 大部分和热红外不在同一波段, 且材料的发射率和反射率都是波长的函数。因此红外与激光隐身的相容性也有可能实现。
红外/激光多功能隐身材料主要是涂敷型材料[15～17], 其它类型的材料尚未见报道。涂料一般由填料、基料和附加成分组成。填料一般为半导体染料和金属染, 基料由对红外透明的粘合剂酚醛树脂、环氧树脂和醇酸树脂等组成。据报道[17], 红外/激光多功能隐身涂料在8～12μm 的红外波段平均发射率在
0. 65～0. 95之间, 对1. 06微米的激光的反射率在0. 2%
～0. 4%之间。现在国内主要对1. 06μm 激光和中远红外复合隐身涂料进行了研究, 对近红外和其它波长的激光还未涉及, 因此对于完全意义上的红外/激光多功能隐身材料的研究还有待进一步研究。
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3 激光/雷达兼容隐身材料
该材料与以上两种多功能隐身材料不同, 但对材料的要求是相同的, 即对激光和雷达波都要有高吸收和低反射。但由于激光和雷达并不处于同一波段, 其吸收机理并不相同。激光隐身主要通过分子共振和特殊的表面微粒微孔来吸收激光而雷达隐身主要通过电损耗和磁损耗使电磁能转化成热能而消耗掉。因此要实现激光和雷达的复合隐身是有很大难度的。
有研究表明[18], 通过双层涂敷法在底层涂敷雷达隐身涂料, 表面涂敷激光隐身涂料, 可以实现激光和雷达的复合隐身。研究发现激光隐身涂层在8～12和26. 5～40GHz 雷达波段透明性良好818, 全可以将其涂敷于雷达吸波层表面, 实现激光和雷达的复合隐身。这仅是一种预测, 还需进一步探索和研究。
4 结论
随着探测和制导技术的不断发展, 单功能隐身材料已难以满足实战的需要, 多功能隐身材料已成为隐身材料研究的发展方向。目前对红外/雷达多功能隐身材料的研究报道较多, 红外/激光和激光/雷达多功, 离实用还, 其中红外/雷, 涂敷型多功能隐。
参 考 文 献
[1] 孟新强. 隐身技术的研究与应用现状[J].雷达与对抗,1999. (3) :1～4. [2] 谢国华. 红外隐身材料的现状与展望[J].宇航材料工艺,2001. (4) :5～10.
[3] Pusch. Broad Band Camouflage Screen Having a Frequently Dependent Attenuation[P].US 4743478,1998.
[4] Bach W. Materialien ear mutispectralen tamung imvisuellen. IR 2andMicro/MillimeterwellenBereich[P]DE3606691,1987.
[5] E. R. Stein ,J. S. Park. The EMI Shielding Of Polypyrrole lmpregnated Polymer Composites[J].Polymer Composites ,Aug. 1991. 12(4) :289.[6] 万梅香等. 微波与红外兼容的新型隐身材料[J].宇航材料工艺,1991(6) :26～29. [7] 贡长生等. 新型功能材料[M ].化学工业出版社,200126～29.
[8] 曹金祥等. 等离子体气悬体的红外/雷达复合干扰[J].红外与激光技术,1994. (2) :15～17. [9] Barbaccia ; Phlip L. Radiative Countermeasures Method[P].US 6352031,2002. [10] Boehne H. Coated Objected[P].DE 3507889,1986.
[11] 谢国华. 红外隐身涂料与雷达波吸收材料相容性的研究[J].材料工程,1992. (5) :5～7.
[12] Czaja ;Stan. Electromagnetic Radiation Absorber And Method For The Production Thereof [P].US 5561428,1996. [13] Pusch ; Gunter. Camouflage Materials Having a Wide 2band Effect And System lncorporating Same[P].US4495239,1985. [14] Saito. Electromagnetic 2wave Shielding And Light Transmitting Plate And Panel Laminated Plate[P].US 6469440,2002. [15] 袁文麟. 多波段伪装材料. 红外与激光技术[J],1994(2) :18～22.
[16] 周建勋等. 红外与激光复合隐身涂料的性能研究[J].红外与激光技术,1992. 30～32. [17] 王自荣等. 激光与红外复合隐身涂料初步研究[J].激光与红外,2001. (5) :301～303. [18] 王自荣. 激光与雷达复合隐身分析
[J].2001. (4) :34～37.
作者简介: 于斌,1977年生, 男, 天津工业大学在读硕士研究生, 研究方向:多功能隐身材料的研制。
齐鲁1952年生, 男, 研究员, 主要从事功能材料的研究。
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(天津工业大学功能纤维研究所, 天津300160)
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摘要: 主要介绍了红外/雷达多功能隐身材料、红外/激光多功能隐身材料和激光/雷达多功能隐身材料的隐身原理, 材料种类以及应用现状, 并指出了多功能隐身材料的发展趋势。关键词: 多功能隐身材料; 红外; 雷达; 激光中图分类号:TJ 765. 5 文献标识码:A 文章编号:2(2003) 2Status of R esearch and Materials
YU Bin , Q I Lu
(Fiber Depart ment , Tianjin Polytechnic U niversity , Tianjin 300160, China )
Abstract : With the rapid development of stealth technique , many countries pay more attention to the re 2search of multifunctional stealth materials. This paper mainly introduces the concept of stealth ,the kinds of materials and the status of application of infrared/radar , infrared/laser and laser/radar multifunctional stealth materials.
K ey w ord : multifunctional stealth materials , infrared , radar , laser
引言
在装备外形不能改变的前提下, 隐身材料是实现隐身技术的主要措施。对于地面武器装备, 主要防止空中雷达、红外设备的探测, 雷达制导武器和激光制导炸弹的攻击。作战飞机主要防止空中预警机雷达和机载火控雷达、红外设备的探测, 主动和半主动雷达空空导弹和红外格斗导弹的攻击。为此, 需要雷达、红外和激光隐身技术。目前, 雷达隐身材料已研制出多种产品, 并用于各种型号的武器装备上。多功能隐身材料是一个发展方向, 世界各国都在开展红外与雷达兼容、红外与激光兼容、激光与雷达兼容等多功能隐身材料的研究工作。本文就国外的多功能隐身材料综述如下。
多[2,3～14]。红外/雷达兼容的多功能隐身材料要求在可见光和近红外有伪装作用, 对微波有高吸收低反射,
在热红外波段有低发射率。目前可应用的热红外隐身材料和雷达隐身材料都不能达到上述要求。1. 1 红外/雷达兼容的隐身原理
从原理上分析, 研制红外/雷达兼容的多功能隐身材料有两种方法:一是研制一种材料, 使它同时具有微波高吸收、热红外低辐射的性能, 且兼容可见光和近红外隐身; 二是分别研制高性能微波吸收材料和低辐射的红外隐身材料, 后将它们复合, 使其复合后各隐身性能保持不变或变化不大。两条技术途径从原理上讲是可行的, 但实施起来有相当大的难度。因为对不透明体有能量守恒定律:ε+R =1, ε为发射率, R 为反射率。因此ε小, R 就必然大, 反之亦然。尽管如此, 由
于它们都是波长的函数且红外波与雷达波相差较大, 因此, 找到微波区反射率小, 而热红外反射率大、发射率小的材料是有可能的。1. 2 红外/雷达兼容隐身材料的种类及简介
目前国内外研制的红外与微波兼容的多功能隐身
1 红外/雷达多功能隐身材料
在当代军事探测和制导技术中雷达和红外是两种最普通和最主要的技术。红外/雷达兼容的多功能隐身材料在多功能隐身材料的研制中开展最早, 报道最
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材料主要有单一型材料和复合型材料两种。1. 2. 1 单一型材料1. 2. 1. 1 掺杂半导体材料红外隐身材料中应用最多的是金属材料, 金属材料虽有良好的红外反射性能, 但不利于雷达隐身。因此研制兼容性良好的单一型的红外/雷达隐身材料一直是研究者奋斗的目标。掺杂半导体材料的出现给单一型的红外/雷达隐身材料研制带来了一丝曙光。
按照半导体连续光谱理论, 导电材料的反射率在等离子频率f p 处会出现反射率R 突然增大, 随着波长进一步增大(频率进一步减小) 材料的R 会增加到最大, 后基本保持不变。又
f p
=n
2
1/2
mm , 在3cm (8～12GHz ) 波段, 反射率小于10dB 的
带宽为3～4GHz 。涂层厚度在10～15μm 时, 一些导电高聚物在8～20μm 的范围内的红外发射率可小于0. 4。但具体导电高聚物其没有提及, 因此尚需进一步研究证实。导电高聚物材料重量轻、材料组成可控性好、导电率变化范围大。因此其做为单一型多功能隐身材料的前景十分乐观, 但由于不熔和不溶, 加工较困难, 除聚苯胺外尚无商品生产, 且价格相当贵。1. 2. 1. 3 纳米材料
、界面、英。一方面, 由于纳米材料的小, 表面逐渐增多, 增加了纳米材料的活性。在微波的辐射下原子和电子的活性加剧促使磁化, 使电子能转化为热能。又由于量子化效应其能带分裂形成能隙, 从而形成新的吸波通道。同时由于金属的高反射性能使其具有良好的红外辐射性能。美国研制出的“超黑纷”纳米材料对雷达波的吸收高达98%[7]。1. 2. 1. 4 等离子体气悬体
式中:n ; (・数,8. 859×10-12(A ・m ) -1) ; m n 为电子质量。
半导体的f p 等于1～3μm 波长相应的频率(3～1) ×105GHz 时, 在3～5μm 和8～12μm 红外大气窗
口有高的反射率。半导体的f p 取决于载流子密度n , 而n 又可通过掺杂可以控制。三氧化二铟是中远红外高反射率的半导体例子。
在微波波段, 半导体材料的反射率可使用Hagen 2Rubens 近似值
R =1-
ε1/2
σ
等离子体是气体电离形成的第四态物质, 它对电
磁波的传播有很大的影响。如果条件适合, 它能反射或吸收某一波段的电磁波, 并可衰减红外、声波和抗静电。所以, 美国、前苏联等军事强国都在绝密的情况下进行该课题的研究。中国科技大学曹金祥等[8]对该等离子体进行测试, 结果显示该等离子体不仅对3cm 以上的雷达波实现截止, 而且也是对红外实现干扰的理想手段。目前, 主要用放射性同位素锶90、钋210产生等离子体, 但放射性同位素涂层的主要缺陷是对人体有伤害。早在20多年前, 美国与G erneral Motor 公司协作的几个单位就开始了对这种等离子体的研究, 但迄今未见有关应用的报道, 说明其尚未解决实用的困难。1. 2. 1. 5 隐身烟雾隐身烟雾不仅能对付光学侦察, 还可以干扰雷达, 屏蔽目标的热红外辐射, 从而大大降低目标被发现的概率。美英等国的坦克、装甲车一般都带有发烟装置[9]。它是通过向发动机排气装置中喷射柴油或机油产生混合气, 混合气排出车外遇冷空气, 凝结成微小液滴从而形成烟雾。这种装置的优点是结构简单, 烟雾浓度可调,
并可连续和多次施放。目前, 可见光和近红外隐身烟雾技术已十分成熟, 并且对中远红外也有显著的衰减作用, 但对雷达的隐身效果还不太理想。
式中:f 为入射电磁波的频率, σ为材料的直流电导率(它与材料的载流子密度和迁移率有关) , 因此可以通过控制材料的载流子密度和迁移率, 使材料的电导率有一合适值以达到对微波的隐身效果。
德国专利把半导体材料三氧化二铟粉碎后和基料(漆、树脂等) 复合成涂料, 半导体材料可以是小棒、六面体和小片(小片较好) , 粒度为1～1000μm , 涂料涂层厚度应小于微波波长, 可用涂层厚度和半导体粒度来调节吸收率和反射率。为了使红外隐身和微波隐身更好的兼容, 还可以做成双层和多层涂料[4]。1. 2. 1. 2 导电高聚物
导电高聚物主要是聚吡咯、聚苯胺、聚已炔和噻吩。研究表明导电高聚物电导率σ1S/m 时, 材料呈金属特性, 具有电磁屏蔽作用。E. R. Stein 等人研究导电聚合物聚吡咯在1. 0～2. 0GHz 对电磁波的衰减达26dB [5]。中科院化学所的万梅香等人[6]研制的导电高聚物涂层材料, 当涂层厚度2. 0～3. 564
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于 斌等:多功能隐身材料的研究与应用现状
2003年5月May. 2003
例如, 美国的XM76型烟雾弹, 对可见光、近红外和远红外都有极好的的隐身作用。1. 2. 2 复合型材料1. 2. 2. 1 双层材料
最常见的是涂敷型双层材料。一般有微波吸收底层和红外吸收面层组成。德国的Boehne [10]研制了一种双层材料, 底层有导电石墨、炭化硼等雷达吸收剂, Sb 2O 3助燃剂和橡胶黏合剂组成。面层含有在大气窗口具有低发射率的金属材料。此外国内[11]也对复合型双层隐身材料进行了研究。其双层材料面层为低发射率红外隐身层, 材料的发向比辐射率介于0. 23和0. 54之间。材料, 85、0. 20, 为了达到最佳阻抗匹配, , 从而更有效的衰减雷达、反射红外。研究表明[12], 底层如果用具有渐变阻抗的多孔材料, 更易达到最佳阻抗匹配和拓展频宽。需要指出的是, 由于红外隐身层一般都有较高的介电常数, 当它复合到吸波材料上后, 可能会引起吸波材料吸收频宽变窄、吸收率下降。1. 2. 2. 2 多层材料
透射性, 它们提供与背景相似的红外辐射同时通过微
波。以下依次为雷达吸收层、增强织物热屏蔽层。第三层为导电溅射薄膜或金属网格, 而且金属膜之间涂有聚乙烯膜以防止电导通, 使用时将其做成叶片附在伪装网上, 用来保护停放的飞机或指挥中心[2]。1. 2. 2. 3 夹芯材料
夹芯材料一般有面板和芯组成。面板一般为透波材料, 芯为电磁损耗材料和红外隐身材料。美国专利报道[14]的一种夹芯材料, 它有两个透明面板, 一个导电层和一红外隐形膜组成。(厚1～10。导电层有金属纤。红外隐形膜由两层组成:基膜和隐形涂层。基膜材料可以是PET 、PC 、PMMA 等材料, 厚约10～20μm 。隐形涂层含有Cu 、Ag 等导电材料和ITO 粉、Ni 等红外隐身材料。最后
把它们用胶粘和在一起。这种胶由黏合剂和粒径在0. 1～100μm 的Cu 、Ni 、陶瓷粉组成。夹芯材料一Ag 、
般太厚, 且不易弯曲。但夹芯材料具有承载和隐身的双重功能, 且易于制成各种隐身外形, 同时还可以与隐身涂层配合使用。因此, 夹芯材料是一种极具发展潜力的红外/雷达多功能隐身材料。
为了克服双层材料的缺点, 展宽频带, 增加吸收。现在国内外研究较多的是多层材料。涂敷型多层材料至少有三层组成:微波电磁损耗底层、阻抗匹配中间层和红外隐身涂层。为了获得理想的隐身效果, 涂敷型多层材料的设计多采用CAD 计算方法。美国专利中, Pusch [13]等人也研制了一种多层的宽波段多功能隐身材料。这种材料有三层组成:基层、金属反射层、隐形漆层。基层材料可由丙纶、涤纶、锦纶和乙纶等纺织材料经涂层制得; 金属反射层被气象沉积在基层的表面。最外层是隐形漆层, 隐形漆层中的颜料在可见光和近红外波段与自然背景要有相似的反射率, 隐形漆所用的粘结剂在大气窗口3～5μm 和8～12μm 是透明的, 又内层为金属反射层因此它的热红外辐射是低的。此外还可在隐形漆层外边涂一层聚烯烃材料形成防紫外薄层。这种材料可以做成毡或毯, 对可见光、红外线(1～20μm ) 和雷达波(3～3000GHz ) 都有隐身效果。这种材料比较轻便、柔软, 可用于静止状态的飞机、坦克等设备, 也可附着在伪装网上。但这种材料尚不适用于工作状态下的目标。1. 2. 2. 3 薄膜材料
薄膜材料也是一种多层材料。它有七层膜组成, 这种膜外层在红外波段有高反射性, 在雷达波段有高
2 红外/激光兼容隐身材料
该材料与红外雷达多功能隐身材料相似, 红外隐身与激光隐身从原理上也是相互矛盾, 它要求材料在红外有低的发射率, 对激光有低的反射率。我们知道低发射率必然导致高反射率, 因此要实现红外与激光隐身的兼容性是很难的。不过, 实际上目前所用的激光器(除CO 2激光器) 大部分和热红外不在同一波段, 且材料的发射率和反射率都是波长的函数。因此红外与激光隐身的相容性也有可能实现。
红外/激光多功能隐身材料主要是涂敷型材料[15～17], 其它类型的材料尚未见报道。涂料一般由填料、基料和附加成分组成。填料一般为半导体染料和金属染, 基料由对红外透明的粘合剂酚醛树脂、环氧树脂和醇酸树脂等组成。据报道[17], 红外/激光多功能隐身涂料在8～12μm 的红外波段平均发射率在
0. 65～0. 95之间, 对1. 06微米的激光的反射率在0. 2%
～0. 4%之间。现在国内主要对1. 06μm 激光和中远红外复合隐身涂料进行了研究, 对近红外和其它波长的激光还未涉及, 因此对于完全意义上的红外/激光多功能隐身材料的研究还有待进一步研究。
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第25卷 第3期红外技术Vol. 25 No. 3
2003年5月Infrared Technology May. 2003
3 激光/雷达兼容隐身材料
该材料与以上两种多功能隐身材料不同, 但对材料的要求是相同的, 即对激光和雷达波都要有高吸收和低反射。但由于激光和雷达并不处于同一波段, 其吸收机理并不相同。激光隐身主要通过分子共振和特殊的表面微粒微孔来吸收激光而雷达隐身主要通过电损耗和磁损耗使电磁能转化成热能而消耗掉。因此要实现激光和雷达的复合隐身是有很大难度的。
有研究表明[18], 通过双层涂敷法在底层涂敷雷达隐身涂料, 表面涂敷激光隐身涂料, 可以实现激光和雷达的复合隐身。研究发现激光隐身涂层在8～12和26. 5～40GHz 雷达波段透明性良好818, 全可以将其涂敷于雷达吸波层表面, 实现激光和雷达的复合隐身。这仅是一种预测, 还需进一步探索和研究。
4 结论
随着探测和制导技术的不断发展, 单功能隐身材料已难以满足实战的需要, 多功能隐身材料已成为隐身材料研究的发展方向。目前对红外/雷达多功能隐身材料的研究报道较多, 红外/激光和激光/雷达多功, 离实用还, 其中红外/雷, 涂敷型多功能隐。
参 考 文 献
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作者简介: 于斌,1977年生, 男, 天津工业大学在读硕士研究生, 研究方向:多功能隐身材料的研制。
齐鲁1952年生, 男, 研究员, 主要从事功能材料的研究。
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