程紅飛， 黃大慶

(北京航空材料研究院，北京100095)

隨著探測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，武器裝備在戰(zhàn)場(chǎng)上可能同時(shí)受到來(lái)自雷達(dá)、熱紅外、可見(jiàn)光及近紅外、激光等多頻譜、多波段偵察儀器的探測(cè)，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(chǎng)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(lái)說(shuō)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(jiàn)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(jiàn)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(guó)、德國(guó)、瑞典研制的多波段隱身材料已達(dá)到可見(jiàn)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(kāi)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(guó)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(guó)外有較大差距，尤其是在裝備的隱身技術(shù)上［6］。

目前國(guó)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(jiàn)光兼容隱身材料，以及覆蓋包括可見(jiàn)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(cè)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guó)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(guó)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(guò)涂層厚度和半導(dǎo)體粒度來(lái)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(guó)內(nèi)又有許多研究機(jī)構(gòu)相繼對(duì)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(guò)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(shuō)明纖維外殼部分的鋁納米顆粒對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)研究低發(fā)射率和低介電常數(shù)的新材料來(lái)進(jìn)行提高。

陳硯朋、徐國(guó)躍等［14］用KH550 硅烷偶聯(lián)劑對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(jiàn)光兼容隱身材料

在可見(jiàn)光和近紅外波段(波長(zhǎng)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(jiàn)光隱身與紅外隱身之間的不同之處是由可見(jiàn)光偵察與紅外偵察方法的不同決定的。可見(jiàn)光偵察設(shè)備主要通過(guò)目標(biāo)與背景間的亮度對(duì)比以及顏色對(duì)比來(lái)識(shí)別目標(biāo)?？梢?jiàn)光隱身技術(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(guò)測(cè)量分析目標(biāo)的紅外輻射率對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，它直接利用目標(biāo)與背景紅外輻射的差別來(lái)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(lái)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(cè)量了其膜厚，利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)研究了TiNO 膜的可見(jiàn)光譜特性，用紅外比輻射率測(cè)量?jī)x測(cè)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)光隱身和紅外隱身的要求，這是解決可見(jiàn)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?cè)诒３指叩目梢?jiàn)光透射率的同時(shí)在對(duì)太陽(yáng)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(jiàn)光波段透過(guò)功率大于80%，遮陽(yáng)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(jiàn)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(duì)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用多針對(duì)于1.06μm 波段釔鋁石榴石激光器以及具有對(duì)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(lái)達(dá)到對(duì)激光的隱身，并且同時(shí)又要求它對(duì)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(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jí)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(jí)透過(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)處有很強(qiáng)的吸收特性結(jié)合，通過(guò)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(duì)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(jiàn)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(jiàn)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(duì)于摻錫氧化錮的研究正在深入進(jìn)行中［33］。

美國(guó)、德國(guó)都已研制成功覆蓋可見(jiàn)光、紅外、雷達(dá)和毫米波四波段兼容的隱身材料。德國(guó)研制成功半導(dǎo)體兼容材料有效波段為可見(jiàn)光、熱紅外、微波、毫米波［34］。加拿大國(guó)防部、英國(guó)Heathcoat 公司通過(guò)控制材料的顏色和/或外層溫度來(lái)達(dá)到隱身效果的方法，發(fā)明了能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)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(duì)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(cè)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(zhǎng)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(jiàn)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(jiàn)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(kāi)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(duì)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(guó)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(yǔ)

根據(jù)武器裝備面對(duì)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(lái)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(shì)，其關(guān)鍵技術(shù)在于制備對(duì)可見(jiàn)光、紅外具有高透過(guò)率的基體材料、對(duì)紅外有較低發(fā)射率而對(duì)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?jī)r(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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