班國(guó)東，劉朝輝，葉圣天，王飛，賈藝凡，丁逸棟，林銳

（中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 化學(xué)與材料工程系，重慶 401311）

隨著高精尖探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，軍事偵察的方式變得多種多樣，高技術(shù)偵察和識(shí)別能力也有了很大提升。在現(xiàn)代信息化條件下，戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)跟誰(shuí)先敵發(fā)現(xiàn)有著重要的關(guān)系[1]。為使裝備適應(yīng)信息化條件下戰(zhàn)場(chǎng)的需求，需要盡可能地降低裝備被敵方發(fā)現(xiàn)的幾率，因此裝備的隱身技術(shù)顯得尤為重要[2]。作為隱身技術(shù)的重要組成部分，雷達(dá)隱身技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使得武器裝備的作戰(zhàn)能力得到極大的提高[3]。

與其他雷達(dá)吸波材料相比，涂覆型雷達(dá)吸波材料具有吸波效果好、工藝簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)難度小、成本低等特點(diǎn)，是提升裝備隱身性能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在雷達(dá)隱身技術(shù)中占具重要的地位[4—5]。近年來(lái)，各種新型戰(zhàn)機(jī)和艦艇大量使用涂覆型雷達(dá)吸波材料來(lái)提高自身的反偵察能力，世界各國(guó)對(duì)涂覆型雷達(dá)吸波材料的研究非常重視[6]。

1 涂覆型雷達(dá)吸波材料的隱身機(jī)理

1.1 雷達(dá)隱身技術(shù)作用機(jī)理

雷達(dá)隱身技術(shù)的目的是在某些特定區(qū)域內(nèi)，降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積，使其不被敵方雷達(dá)探測(cè)到，采用的方法主要有減弱、抑制、吸收、偏轉(zhuǎn)雷達(dá)波[7—8]。根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理，雷達(dá)的最大探測(cè)距離Rmax表示為[9]：

式中：Pt、Gt分別為雷達(dá)的發(fā)射功率和天線增益；λ為雷達(dá)的工作波長(zhǎng)；Pmin為雷達(dá)接收機(jī)的最小可檢測(cè)信號(hào)功率；δ為被探測(cè)目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積（RCS）。

分析式（1）可知，降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積可以減小雷達(dá)的最大探測(cè)距離，因此目標(biāo) RCS是決定目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波反射能力強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素之一[10]。降低目標(biāo) RCS的措施主要有兩種：一是通過(guò)估計(jì)雷達(dá)的主要威脅方向，并在此探測(cè)方向上改變目標(biāo)的外形以減少該方向的RCS；二是將雷達(dá)吸波材料涂覆在目標(biāo)表面，利用吸波材料的吸收、衰減、消除作用減弱雷達(dá)波的反射[11—13]。

1.2 涂覆型雷達(dá)吸波材料隱身原理

涂覆型雷達(dá)吸波材料（又叫雷達(dá)吸波涂層），是一種涂覆在武器裝備表面，能將吸收的雷達(dá)波的電磁能轉(zhuǎn)換成熱能而耗散掉，或者使電磁波通過(guò)干涉相消，減小電磁波反射的吸波材料[14—17]。涂覆型雷達(dá)吸波材料的隱身原理主要有兩種[18—20]：

1）通過(guò)內(nèi)部的吸收劑將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉[21]，從而達(dá)到隱身的效果。雷達(dá)波入射到涂覆型雷達(dá)吸波材料上時(shí)，除了一小部分雷達(dá)波自然反射，大部分雷達(dá)波進(jìn)入到涂層內(nèi)部與吸收劑相互作用將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能，最終以熱能的形式耗散掉[22]。其基本原理如圖1所示。

2）在雷達(dá)吸波材料的上下表面的反射波因?yàn)橄辔幌喾炊l(fā)生干涉相消，從而達(dá)到減少電磁波反射的效果[23]。其基本原理如圖2所示。

2 新型涂覆型雷達(dá)吸波材料的典型代表

隨著雷達(dá)吸波材料的迅速發(fā)展，羰基鐵粉、超細(xì)鐵粉等傳統(tǒng)的雷達(dá)吸波材料已經(jīng)不能滿足未來(lái)雷達(dá)隱身的需求。為了能夠使雷達(dá)吸波材料達(dá)到“薄、輕、寬、強(qiáng)”的要求，新型涂覆型雷達(dá)吸波材料應(yīng)運(yùn)而生，典型代表有納米吸波材料、多晶鐵纖維吸波材料、手征吸波材料和導(dǎo)電高聚物吸波材料[24—28]。

2.1 納米吸波材料

納米吸波材料是指材料組分的特征尺寸在納米量級(jí)（1～100 nm）的吸波材料，其具有寬、輕、薄等特點(diǎn)，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦屯扛残屠走_(dá)吸波材料[29]。目前，國(guó)內(nèi)外主要研究納米復(fù)合膜吸波材料、納米金屬與合金吸波材料、陶瓷納米吸波材料和納米氧化物吸波材料幾個(gè)方面。

納米吸波材料因具有良好的吸波效果而成為國(guó)外吸波材料研究的方向和熱點(diǎn)，許多國(guó)家都把它作為新一代隱身材料的重點(diǎn)研究對(duì)象，特別是美國(guó)和法國(guó)。美國(guó)[30]通過(guò)不斷地探索和研究，研制出了“超黑粉”納米吸波材料，其吸收率高，而且在低溫下具有很高的韌性。法國(guó)[31]成功研制的鈷鎳納米材料與絕緣層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，由粘結(jié)劑和納米級(jí)微屑填充材料組成，這種由多層薄膜疊合而成的結(jié)構(gòu)具有很好的磁導(dǎo)率，其在0.1～18 GHz范圍內(nèi)，電磁參數(shù)的實(shí)部和虛部均大于6。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)納米吸波材料的研究也很重視，何婷婷[32]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)改變磁性顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到PAN/Fe3O4納米復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)實(shí)心結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)的 PAN/Fe3O4納米復(fù)合材料研究發(fā)現(xiàn)，中空結(jié)構(gòu)的PAN/Fe3O4納米復(fù)合材料對(duì)雷達(dá)波的吸收帶寬分別從實(shí)心結(jié)構(gòu)的9.25 GHz和5.3 GHz拓展到9.9 GHz和7.4 GHz，最大反射損耗從34.2 dB增大至37.1 dB，反射損耗最大差值已經(jīng)達(dá)到7.7 dB。穆永民[28]通過(guò)理論探索和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究出納米SiC粉體涂層、納米Fe3O4粉體涂層以及納米 SiC粉體和納米 Fe3O4粉體混合三種吸波涂層，三種涂層樣品在 8～18 GHz具有較好的吸收效果，且對(duì)毫米波具有良好的吸波性能，特別是納米Fe3O4粉體制成的吸波涂層，吸波效果最好，反射損耗達(dá)到?7.988 dB。

近些年國(guó)內(nèi)外對(duì)納米吸波材料進(jìn)行了深入的研究和探索，發(fā)現(xiàn)不同的納米吸波材料在物理、化學(xué)方面各有優(yōu)缺點(diǎn)[33]，如表1所示。

表1 幾種納米吸波材料的優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of several kinds of nano absorbing materials

盡管納米吸波材料存在不同程度的缺點(diǎn)，但是由于納米顆粒的尺寸優(yōu)勢(shì)以及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，納米材料的吸波性能比常規(guī)材料優(yōu)異。隨著社會(huì)的發(fā)展以及納米材料的不斷開(kāi)發(fā)應(yīng)用，納米吸波材料將朝著寬頻、輕質(zhì)、耐高溫、韌性好的方向發(fā)展。

2.2 多晶鐵纖維吸波材料

多晶鐵纖維吸波材料[34]是一種優(yōu)良的雷達(dá)吸波材料和精密度高的磁記錄材料，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物工程，因此各國(guó)學(xué)者對(duì)其研究熱度較高[35]。

國(guó)外對(duì)于多晶鐵纖維吸波材料研究時(shí)間早，且技術(shù)比較成熟，但由于技術(shù)封鎖，相關(guān)文獻(xiàn)較少。美國(guó)3M公司[36]運(yùn)用平均直徑為0.26 μm，平均長(zhǎng)度為6.5 μm，長(zhǎng)徑比約為25的多晶鐵纖維，制備出厚度為1.0 mm的雷達(dá)吸波涂層，測(cè)試得出的最小反射率低于?30 dB。歐洲 GAMMA公司[37]研發(fā)了以多晶鐵纖維為吸收劑的新型雷達(dá)吸波涂層，報(bào)道稱該項(xiàng)技術(shù)已用于法國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略防御部隊(duì)的導(dǎo)彈和飛行器。

國(guó)內(nèi)對(duì)多晶鐵纖維吸波材料也進(jìn)行了不少研究，取得了較好的成果。魏賽男等[38]提出了用多晶鐵纖維作為原材料來(lái)開(kāi)發(fā)柔性吸波織物，對(duì)直徑10 μm的鐵纖維與直徑18 μm的不銹鋼纖維的力學(xué)性能、摩擦性能進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，預(yù)測(cè)了鐵纖維能夠順利實(shí)現(xiàn)紡紗的可行性。李小莉[39]利用磁引導(dǎo)的有機(jī)物氣相分解法（MOCVD）制備了多晶鐵纖維，通過(guò)對(duì)不同添加量的吸波材料性能的比較，得出多晶鐵纖維涂層的面密度會(huì)隨著填充比的減小而減小。另外，電磁參數(shù)的測(cè)試表明，多晶鐵纖維的磁導(dǎo)率實(shí)部和虛部以及介電常數(shù)實(shí)部和虛部都很大，得出多晶鐵纖維是一種雙復(fù)介質(zhì)吸收劑，這也是多晶鐵纖維能夠?qū)崿F(xiàn)薄涂層的重要原因之一。趙振聲等[40]研究了纖維取向樣品的制備，測(cè)試結(jié)果表明，多晶鐵纖維吸收劑的微波電磁參數(shù)具有明顯的形狀各向異性，其軸向磁導(dǎo)率大于徑向磁導(dǎo)率，軸向介電常數(shù)大于徑向介電常數(shù)。

由于國(guó)內(nèi)學(xué)者研究深度不夠以及實(shí)驗(yàn)條件的限制，多晶鐵纖維吸波材料的制備和應(yīng)用方面還是存在很多問(wèn)題，其性能與國(guó)外材料的性能相比差距較大。因此對(duì)于多晶鐵纖維吸波材料還需要做進(jìn)一步的研究，比如從多晶鐵纖維的直徑均勻化程度等方面來(lái)增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度等。

2.3 手征吸波材料

手征吸波材料，是一種用任何操作方式都不能讓實(shí)物與鏡像物體重合的材料。它不僅能夠吸收電磁波，還能減少電磁波的反射，成為各國(guó)學(xué)者大力研究開(kāi)發(fā)的一種新型涂覆型雷達(dá)吸波材料[41]。與普通吸波材料相比，手征吸波材料具有阻抗匹配易實(shí)現(xiàn)、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外學(xué)者就開(kāi)始對(duì)手征介質(zhì)中電磁波的傳輸特性、手征微波器件及手征特性的物理機(jī)制進(jìn)行研究。A.Lakhtakia等[42]利用表面電荷和電流分析了手征介質(zhì)的散射特性，研究了任意截面手征吸波材料介質(zhì)圓柱的散射特性。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于手征吸波材料研究較少。肖中銀等[43]的研究表明，摻加手征體后的基質(zhì)，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都會(huì)發(fā)生改變，反射系數(shù)會(huì)受到較大影響，具體實(shí)驗(yàn)表明，反射系數(shù)會(huì)隨著介電常數(shù)實(shí)部的增大而減小。李文軍等[44]通過(guò)調(diào)節(jié)鑲硫合金的組分得到直徑在 1～12 μm之間各種尺寸的微碳卷，研究表明該微碳卷是一種吸波性能優(yōu)異的手征吸波材料。

相對(duì)于其他吸波材料，手征吸波材料雖然具有吸波頻率高、吸收頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，但是它的制備工藝比較復(fù)雜，限制了其應(yīng)用。另外，手征參數(shù)的頻率敏感性比介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的小，所以手征吸波材料在提高吸波性能、擴(kuò)展吸波帶寬等方面具有很大潛能。

2.4 導(dǎo)電高聚物吸波材料

導(dǎo)電高聚物吸波材料是由含一價(jià)陰離子、具有非定域的π?電子共軛體系的高聚物組成的吸波材料[45]。可以通過(guò)化學(xué)或者電化學(xué)方法摻雜使其電導(dǎo)率在絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體范圍內(nèi)變化。與普通高聚物相比，導(dǎo)電高聚物最顯著的特點(diǎn)[46]如下：一是通過(guò)化學(xué)或者電化學(xué)的方法摻雜，它們的電導(dǎo)率可以在絕緣體、半導(dǎo)體和金屬態(tài)寬廣的范圍內(nèi)變化，而它的物理化學(xué)、電化學(xué)行為強(qiáng)烈依賴于摻雜劑的性質(zhì)和摻雜的程度；二是在導(dǎo)電高聚物研究領(lǐng)域中所引用的“摻雜”術(shù)語(yǔ)完全不同于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的“摻雜”概念。導(dǎo)電高聚物的合成方法主要有電化學(xué)方法和化學(xué)方法，表2主要介紹了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)[47]。

表2 導(dǎo)電高聚物合成方法的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 The advantages and disadvantages of preparation methods for conductive polymer

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)的學(xué)者就開(kāi)始對(duì)導(dǎo)電高聚物吸波材料進(jìn)行研究，準(zhǔn)備將導(dǎo)電高聚物作為未來(lái)隱身戰(zhàn)斗機(jī)及偵察機(jī)的“靈巧蒙皮”，以及巡航導(dǎo)彈頭罩上的可逆智能隱身材料等[48]。法國(guó)Laruent[49]研究了聚吡咯、聚苯胺在0～20 GHz范圍內(nèi)的吸收性能，結(jié)果表明聚吡咯平均衰減7 dB，最大達(dá)到37 dB，頻寬為3.0 GHz。Franchitto等[50]利用十二烷基苯磺酸摻雜的聚苯胺與乙丙橡膠共混制成厚度3 mm的復(fù)合材料，在X波段反射率低于?6 dB，峰值達(dá)到?15 dB。

國(guó)內(nèi)近幾年對(duì)導(dǎo)電高聚物吸波材料研究比較深入，毛衛(wèi)民[51]等制備了導(dǎo)電聚苯胺/羰基鐵粉復(fù)合吸波材料，研究表明，它在2～12 GHz頻段范圍內(nèi)反射率小于?10 dB。李元?jiǎng)譡52]等采用原位摻雜聚合法制備了聚苯胺/M 型鋇鐵氧化體納米復(fù)合吸波材料，研究表明，該復(fù)合材料的反射率小于?20 dB的頻寬可達(dá)15.07 GHz。

目前，導(dǎo)電高聚物吸波材料的研發(fā)雖然取得了很大的進(jìn)步，但要將其應(yīng)用于實(shí)際還有兩個(gè)方面的問(wèn)題急需解決。

1）加工性能的改善。導(dǎo)電高聚物鏈間較強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致其溶解與加工性較差，嚴(yán)重限制了它的廣泛應(yīng)用。

2）穩(wěn)定性的改善，拓寬其適用溫度范圍。導(dǎo)電高聚物放置在大氣中，其室溫電導(dǎo)率逐漸降低，而且摻雜劑本身不穩(wěn)定，也影響了導(dǎo)電高聚物的適用溫度范圍。

3 展望

雷達(dá)隱身技術(shù)的深入發(fā)展對(duì)涂覆型雷達(dá)吸波材料提出了更高的要求，綜合涂覆型雷達(dá)吸波材料的研究進(jìn)展，新型涂覆型雷達(dá)吸波材料將朝著以下三個(gè)方向發(fā)展：

1）雷達(dá)吸波材料復(fù)合化，即將多種吸波劑復(fù)合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如將電損耗材料與磁損耗材料復(fù)合，達(dá)到良好的阻抗匹配。

2）雷達(dá)吸波材料的多波段化與低頻化，探索可同時(shí)在厘米波、毫米波發(fā)揮效能的吸收劑，特別是在低頻段也有良好吸收性能的吸收劑。

3）提高雷達(dá)吸波材料的環(huán)境適應(yīng)能力，研發(fā)耐腐蝕、耐高溫和抗磨損的吸波材料，拓寬雷達(dá)吸波材料的工程應(yīng)用領(lǐng)域。