石智成,孫凌夫,李海豹,孫全喜,劉澤林,宋亞輝,白曉東

(內蒙金屬材料研究所,內蒙古 包頭 014030)

1 引 言

隨著當代科技的不斷發(fā)展,多兼容性、多功能性、智能性等特點已成為各產品、設備的一個總體發(fā)展趨勢,而近些年來,軍事科技方面的發(fā)展也是日新月異。軍事科技具有一些特定的特征,其中包括了矛與盾的對抗,破壞與防護的對抗,探測與隱身的對抗,現代軍事偵察手段大多用的是電磁波,其技術正在向復合化、智能化方向發(fā)展[1],這就迫使隱身技術也需隨之改變,朝著多兼容性方向發(fā)展。當前軍事探測手段主要有可見光探測、雷達探測、紅外探測、激光探測以及磁探測,針對可見光探測發(fā)展的可見光隱身材料是最早投入到戰(zhàn)爭中的,現在可見光隱身材料已發(fā)展成熟,如今專門研究可見光隱身材料已非常少了,主要應用在偽裝材料,例如迷彩服的制作。現如今,雷達探測、紅外探測、激光探測是軍事上應用最多的探測手段,其效果顯著,隱身技術作為反探測手段重要的“盾”,自然也會隨著探測技術的發(fā)展而受到眾多專家、學者的關注。

隱身技術是通過改變目標被探測到的信息,從而降低探測系統(tǒng)發(fā)現、識別目標的幾率。現如今,應用最多的隱身技術是雷達隱身、紅外隱身、激光隱身技術。他們的隱身原理不盡相同,現今多模復合制導技術發(fā)展迅速,當同一區(qū)域有不同的探測手段時,出現多波段監(jiān)測時,具有某一特定的隱身功能就可能失效,就會造成目標暴露,所以發(fā)展兼容性隱身技術勢在必行。雷達隱身技術是應用最早的隱身技術,當雷達系統(tǒng)向某一特定空間發(fā)射高頻雷達波,目標通過該片區(qū)域時,部分的高頻雷達波將會被目標反射回去,如果能降低目標反射的高頻雷達波,弱到無法被雷達系統(tǒng)捕捉到就實現了雷達隱身。紅外隱身技術它是通過降低或改變目標的輻射強度來降低目標的可監(jiān)測性,在大型武器運行過程中,一些大功率的設備會產生高溫,例如艦船發(fā)動機會造成與背景不同的輻射反差,導致了目標輻射強度大幅增加,從而增加了暴露的可能性?，F今可通過降低目標的輻射強度、改變目標的輻射特性、阻礙目標的輻射傳播途徑等方式來實現紅外隱身。激光隱身技術與雷達隱身技術類似,通過降低目標的表面反射率,使得回波功率低到無法被監(jiān)測到從而實現激光隱身。為應對現代戰(zhàn)爭的多樣性,作為反探測技術的隱身技術就得逆流而上,近些年,通過國內外眾多學者對隱身技術的研究,發(fā)現兼容性隱身技術有巨大的發(fā)展?jié)摿?本文結合近些年國內外隱身技術的發(fā)展,對兼容性隱身材料的發(fā)展進程做出了闡述。本文主要以原理與材料為基本邏輯關系,涉及到雷達、紅外、激光等基本要素,對其相互組合的兼容技術進行綜述。

2 隱身技術原理

2.1 雷達隱身原理

對于雷達隱身,有效地減小雷達反射截面(RCS)的值,就能達到雷達隱身的效果。目前能夠有效地降低RCS值只能從改變結構外形和改變材料特性來實現,一般結構外形很難改變,所以現階段對于雷達隱身主要從材料出發(fā)。反應材料隱身效果的是雷達反射率,將雷達反射率轉變?yōu)榉瓷渎蔙=10 lgRP來表示隱身效果,RP為雷達反射率,R的單位為分貝(dB),其值為負數,當R值越小時,說明該材料雷達隱身效果越好,目前雷達隱身的特點是反射率低或者發(fā)射率高。

2.2 紅外隱身原理

紅外隱身技術是繼雷達隱身技術應用最多的,研究紅外隱身一般都是針對3～5 μm和8～14 μm的中遠紅外波段。當目標產生紅外輻射時,紅外輻射的光子能夠使活潑的金屬產生光電信號,紅外探測儀就會將捕捉到的光電信號轉化為電信號從而監(jiān)測、跟蹤目標的行動軌跡,現今紅外探測有兩種方式,一種是點源探測,一種是成像探測。點源探測它是與目標的距離相關,當距離越遠時,目標紅外輻射量小時,探測效果越差。成像探測是通過目標與背景環(huán)境的紅外輻射差來探測的,它是通過降低輻射對比度,才能降低被紅外探測的可能性。以上兩種探測方法都表明了當目標的紅外輻射量發(fā)生改變時,就可以提高紅外隱身效果,而紅外輻射量是可以通過改變材料的性質來實現的。由物理學可知,物體的紅外輻射量符合Stefan-Boltzmann 定律:

W=σεT4

(1)

式中,W為目標的輻射總量;σ為玻爾茲曼常數;ε為目標的發(fā)射率;T為目標的溫度,由公式可以看出目標的輻射總量與自身的發(fā)射率呈正相關,與目標溫度的4次方呈正相關,想要降低目標的目標的輻射總量,可降低它的表面發(fā)射率和溫度。所以,中遠紅外波段的隱身要求目標具有高反射率、低發(fā)射率的特征。

2.3 激光隱身原理

激光作為一種主動探測儀器,當它運用在雷達探測上時,它具有更高的辨識能力,而且激光雷達具有體積小、質量輕等特點。激光隱身的原理與雷達隱身原理相類似,都是通過降低目標的反射率和激光探測儀的回波功率,吸收或透過電磁波,從而使目標不被探測到。從微觀學上看,根據能量守恒原則,目標在吸收電磁波的過程,吸收的光子能量會轉移成電子的動能、勢能或是分子的振動能和轉動能,所以激光隱身材料是對材料內部結構有要求的。

2.4 兼容隱身原理

雷達隱身材料的吸波頻率發(fā)生在2～18 GHz,紅外隱身材料要求的紅外波段在3～5 μm和8～14 μm,紅外隱技術要求的波段是納米級的,而雷達隱身技術要求的波段是毫米或厘米級的,根據雷達、紅外對波段的要求,實現雷達紅外兼容的隱身材料是不可能的。而對于不透明材料來說,由Kirchhoff公式:

ε+R=1

(2)

式中,ε為發(fā)射率;R為反射率;ε和R都是波長的函數。雷達波與紅外波的相差很大,所以找到雷達波R小,紅外波R大、ε小的材料是可能的。也可以分布制作出微波高吸收和紅外低反射的材料,然后將其兩者復合起來,且功能不降低的復合材料,以達到雷達紅外兼容隱身材料。

激光隱身材料要求在1.06 μm和10.6 μm波段表現出低反射率的特點,對于激光紅外兼容的隱身特征在10.6 μm波段時,與他們的隱身原理是相矛盾的。針對這一問題,第一種方法是引進非平衡轄射描述理論和動態(tài)熱轄射理論,根據材料的非平衡轄射性能我們可以研制出一種在某特定時間段同時具有低發(fā)射率和低瞬態(tài)反射率的材料；第二種方法是舍去一部分的紅外隱身波段,來獲得激光隱身功能,從而實現紅外激光兼容隱身技術。

對于激光雷達兼容隱身來說,盡管他們原理有些許不同,但是他們都是要求目標具有低反射率的特點,所以對于激光雷達兼容性隱身技術理論上是可行的。就目前來說,實現雷達紅外激光兼容的隱身技術是隱身研究領域的重點,這是因為他們內部就存在著根本的矛盾,所以導致了三種兼容隱身技術的研究進程緩慢,但三種兼容的隱身材料仍是該領域下階段研究的重要目標。

3 兼容性隱身材料

3.1 雷達紅外兼容性隱身材料

納米材料具有較強的吸波功能,由于它的表面原子比例大,且懸掛鍵比較多,所以對于射入的電磁波具有良好的吸收功能；另一方面,由于納米材料具有量子尺寸效應,此時也為射入的電磁波提供了新的通道,增強了納米材料的吸波功能。同時,由于紅外波遠大于納米材料的尺寸,所以納米材料對紅外光具有良好的透過性,從而實現了紅外隱身功能,故理論上納米材料是可以實現雷達紅外兼容的隱身材料。近些年,由于納米材料的興起,導致納米隱身材料也發(fā)展迅速。Wang等人[2]通過兩步球磨法制備出了片狀的FeAl復合材料,如圖1所示,當球磨時間在30 min時,在6.59 GHz處樣品的電磁波反射率為-13.6 dB,該樣品低于-10 dB的吸收寬帶可達到1.7 GHz,紅外發(fā)射率為0.1,在雷達紅外兼容隱身材料方面,該納米材料表現優(yōu)異。納米磁性纖維吸收劑擁有纖維的各向異性和尺寸的特性,所以它也具有良好的雷達紅外兼容隱身特性,現有一種以碳納米管吸收劑的納米材料,因為它具有中空的空間結構和優(yōu)異的導電性,所以它也可以實現雷達紅外兼容隱身功能。Zhang等人[3]通過表面氧化法制備出了由螺旋聚硅烷包裹的碳納米管復合材料(HPS/f-MWNTs),如圖2所示,它在8～14 μm處的紅外發(fā)射率為0.576。Pan等人[4]則通過碳納米管包裹聚酰胺復合物的方法制備出了兼容性隱身材料,其復合材料在9.7 GHz處的電磁發(fā)射率可達到-20.65 dB,小于-10 dB的吸收寬帶為3.2 GHz,在8～14 μm的紅外發(fā)射率為0.503,表現出了良好的雷達紅外兼容性能。汪心坤等人[5]通過靜電紡絲法獲得了MWCNTs/Zn0.96Co0.004O復合納米材料,該材料最低紅外發(fā)射率為0.61,在13.8 GHz在處的電磁發(fā)射率可達到-26.4 dB,小于-10 dB的吸收寬帶為4 GHz。Cheng等人[6]利用同軸靜電紡絲法制備出了纖鋅礦型Zn0.96Co0.09O納米管,在600°以上時,納米管會形成中空的結構,并且伴隨有不規(guī)則的納米粒子出現,在9.5 GHz處的電磁發(fā)射率可達到-20.3 dB,小于-10 dB的吸收寬帶為3.6 GHz,它的平均紅外發(fā)射率可達到0.72,該材料也具有良好的雷達紅外兼容隱身功能。

圖1 FeAl復合材料的電子顯微圖

圖2 HPS/f-MWNTs復合材料的電子顯微圖

導電高聚物它具有結構多、復合簡單、易調控的特點,所以它在兼容性隱身材料領域一直是關注重點[7],導電高聚物它同時具有金屬和半導體的性質,它的原理是通過共軛π電子與高分子實現吸收電磁波的功能。Li等人[8]曾通過溶膠-凝膠的方法制備出了NiFe2O4/PANI復合材料,該復合材料的吸收波寬可達到4.5 GHz,在8 GHz處的反射率為-42 dB。Yang等人[9]采取原位聚合法得出了BaTiO3/PANI、BaFe12O19/PANI、(BaTiO3+BaFe12O19)/PANI復合材料,如圖3所示,這三種復合材料在雷達紅外兼容隱身方面都有不錯的效果。周亦康等人[10]是通過“摻雜-脫摻雜-再摻雜”和原位聚合法制備出了摻有樟腦黃堿的復合材料,該材料在3～5 μm、8～14 μm的紅外發(fā)射率為0.46和0.29,在13.75 GHz處的反射率為-27.43 dB,低于-10 dB的吸收寬帶為8.16 GHz,該材料也具有良好的雷達紅外兼容隱身性能。

圖3 幾種復合材料的SEM照片

摻雜氧化物半導體材料,它是由金屬氧化物與摻雜劑組成,它對于雷達波的吸收原理是介電損耗的方式,由于紅外波較長,摻雜氧化物半導體的光子對其具有反射不吸收的特點,且當電磁波出現變化時,摻雜氧化物半導體內的自由載流子會對紅外波產生更高的反射效果,所以摻雜氧化物半導體具有良好的雷達紅外隱身效果。Shu等人[11]通過化學共沉淀法制備出了Ni摻雜Zn/Al復合材料,該材料對紅外波的發(fā)射率為0.37,在13.6 GHz處的的反射率為-32.5 dB,Zhang等人[12]通過水熱法制備出了層狀的SnO2/ZnO復合材料,如圖4所示,該材料在9.2 GHz處的的反射率為-23.5 dB,低于-10 dB的吸收寬帶為3.2 GHz,在3～5 μm、8～14 μm的紅外發(fā)射率平均為0.65和0.89,該材料在雷達紅外隱身方面表現出了優(yōu)異的性能。

圖4 1.06 μm的SEM照片

超材料是指在人為的條件下制作出來的復合材料,它可在特定的電磁波處具有吸收功能,Langdy[13]發(fā)明了一種三明治式的MPA復合超材料,如圖5所示,經實驗測試,該材料對在11.15 GHz處的電磁波具有吸收功能。何路[14]利用全金屬設計了一種超材料體,該材料在8～20 GHz處的反射率小于-20 dB,在8～14 μm處的紅外發(fā)射率平均小于0.05,表現出了良好的雷達紅外兼容隱身性能。李君哲[15]設計出了FSS/RPP超材料,根據實驗結果顯示,該材料也同時具有雷達紅外兼容隱身功能。

圖5 MPA的結構示意圖

光子晶體具有光子帶隙,該帶隙能夠抑制某些電磁波在光子晶體里傳播,從而實現了紅外隱身效果[16],在電磁波段時,它同時具有電磁帶隙,該帶隙可吸收某些雷達波,所以光子晶體理論上具有雷達紅外兼容隱身效果。Wang等人[17]設計出了四個異質結構的光子晶體,該晶體在3～5 μm、8～14μm的紅外波段發(fā)射率為0.073和0.042,且該樣品具有很高的雷達波透過性。Wang等人[18]制備出了一維光子晶體,實驗結果表明,該晶體也具有良好的有雷達紅外兼容隱身功能。

3.2 激光紅外兼容性隱身材料

光子晶體因為它的光子禁帶可對特定的電磁波起到高反射的作用,可實現紅外隱身,同時他還有“光譜挖孔”效應,該特性可實現激光隱身,所以光子晶體它是可實現激光紅外兼容隱身功能。Zhao等人[19]通過DBR微腔原法,用PbTe和Na3AlF6得到了一維雙缺陷光子晶體,該材料在1～5 μm、8～14 μm的紅外波段反射率達99 %,對于1.06 μm、10.6 μm的激光透射率達96 %,故該材料具有良好激光紅外兼容隱身性能。張繼魁等人[20]等人設計了一種一維光子晶體,如圖6所示,該晶體在1.81～2.47 μm處的反射率達95.07%,在2.47～5 μm處的發(fā)射率為100 %,同時在1.06 μm、10.6 μm發(fā)射率降低到了1.21 %和1.79 %。Miao等人[21]采用在硅膠片上交替沉積Te、ZnSe和Si法制出了異相摻雜一維晶體,它在3～5 μm的平均發(fā)射率為0.0845,在8～14 μm的平均發(fā)射率為0.281,在中紅外波段的平均發(fā)射率為0.45,而在10.6 μm處的發(fā)射率為0.21,所以該材料具有良好的有激光紅外兼容隱身性能。

圖6 光子晶體結構圖

在超材料方面,Chen等人[22]制備出了一種超材料,該材料在1.54 μm處的吸收率高達99.3 %,在中遠紅外波段的輻射率為10 %和6 %,該材料在1.54 μm處表現出了激光紅外兼容隱身性能。Zhang等人[23]設計了一種以硅介質層為間隔的吸收材料,該材料的數值模擬結果顯示:在1.06 μm、10.6 μm處的吸收率為99.916 %和99.784 %,在紅外波段處也具有很強的吸收功能,數值模擬的結果顯示該材料具有激光紅外兼容隱身功能。

在有關稀土的研究上,發(fā)現稀土中含有不同的4f層電子數,該電子對某些特定的波具有較強的吸收功能,依據這個特性對于摻雜某些稀土元素的材料就可實現激光紅外兼容隱身功能。不同的學者通過實驗研究了稀土對于隱身性能的影響,例如SmFeO3粉體,實驗結果中表名該材料在激光紅外兼容隱身方面具有一定的前景。而SmCrO3粉體,從實驗結果得知,它可作為一種激光紅外兼容隱身材料。黃巍等人[24]研制出了一種摻錫氧化銦薄膜與SiO薄膜的結合體,該材料可實現在0.93 μm、1.06 μm、10.6 μm處的激光紅外兼容隱身功能。邢宏龍等人[25]制作出了一種涂料材料,如圖7所示,該涂料在8～14 μm的紅外發(fā)射率達到0.688,在10.6 μm處的反射率可降低至1 %,實現了激光紅外兼容隱身涂料。

(a)放大400倍 (b)放大2000倍

3.3 激光雷達兼容性隱身材料

激光隱身與雷達隱身都是要求材料具有較強的吸波功能,但它們的原理是不同的,激光隱身是利用分子的共振與表面微粒微孔的結構來吸收激光,而雷達隱身是通過電損耗和磁損耗的方式將雷達波轉化成熱能從而實現隱身。當下能夠同時實現雷達與激光兼容的隱身技術大致分為兩種:一種是制作出某種特殊的材料,使它同時具有兩種吸收功能,在吸收某段激光波時,也具有吸收某段雷達波的功能,這種材料理論上是可行的,王自榮等[26]人制備了一種激光與毫米波復合材料,該材料對0.93 μm、1.06 μm、和1.54 μm處的激光波發(fā)射率小于0.5 %,同時在8 mm厚時,雷達波反射率達-10 dB,具有激光隱雷達兼容隱身功能。另一種方法是雙層涂敷法,上層為激光涂敷層,它對雷達波是完全可透過的,底層為雷達涂敷層,此時就可實現雷達激光兼容隱身效果。徐培化等人[27]采用雙層涂敷法制備了一種雷達、激光復合材料,該復合材料在1.06 μm處的激光反射率為0.13 %,在8～14 GHz處的雷達反射率小于-7.5 dB,很好地實現了雷達激光兼容隱身功能。

3.4 雷達紅外激光兼容性隱身材料

對于雷達紅外激光兼容隱身功能,由于其內在隱身原理就存在著本質的矛盾,所以制造出三者兼容的隱身材料較為困難,但具有多兼容性隱身功能必定是將來發(fā)展的重點。之前就有學者提出:通過復合材料然后加上煙霧功能可實現雷達紅外激光兼容隱身,目標外部由煙霧包裹以達到激光隱身效果,目標表面涂復合材料,表漆采用紅外隱身材料,底漆采用雷達隱身材料,以實現三者兼容隱身功能,但外部的煙霧是不可持續(xù)的,所以該方法具有明顯的缺點。而Zhang等人[28]制備出了Ge、ZnSe、和Si一維摻雜結構的光子晶體(1-D PC),然后再與雷達吸波材料(RAM)構成復合材料,如圖8所示,實驗結果表明:在8～14 μm處的反射率為0.895,而在10.6 μm處有一個反射谷(39.8%),即波長 CO2激光,在7.8～18 GHz處表現出很強的雷達波吸收效果,所以該材料同時具有雷達紅外激光兼容隱身功能。Pan等人[29]設計了一種特殊的光子結構,該結構在3～5 μm、8～14 μm處的發(fā)射率可達到0.25、0.33,而在10.6 μm處吸收率可達到90 %,可實現雷達紅外激光兼容隱身功能的功能。由前文可知,光子晶體具有獨特的特性,所以它在于雷達紅外激光兼容隱身方面具有廣闊的前景。超材料的超物理性能和人工復合制造的特點,且目前在雷達紅外兼容隱身和紅外激光兼容隱身方面都有不錯的成就,所以它在三者兼容隱身方面也具有廣闊的前景。

圖8 PC的微觀結構圖

4 結論與展望

隨著電子科技的迅速發(fā)展,單一波段難以實現隱身的功能,所以兼容隱身將是未來發(fā)展的重點,目前雷達紅外、激光紅外及激光雷達兼容隱身技術已取得了一些不錯的成果,但三者兼容隱身技術還尚未成熟,多波段隱身研究仍是重點關注對象。目前多波段三者兼容隱身技術在復合材料的研究上有不錯的前景,尤其是超材料復合的方向,當然新材料的開發(fā)與制作也是關鍵,例如光子晶體的開發(fā)制作。但就目前隱身技術而言,仍還有許多不足與缺陷,例如機制原理上的不透徹性,工藝制作上的不完善性,材料成本的高價位性等,所以對于隱身材料的研究任重而道遠,未來隱身材料它必定會向著質輕、料薄、智能、寬波帶、強吸收發(fā)展的趨勢。