[科普中国]-吸波隐形材料

简介

雷达隐身技术是现代战争中必不可少的电子对抗技术。海湾战争、北约袭击南联盟等表明，隐身技术己成为现代战争致胜的关键之一。飞行器(飞机、导弹)隐身的技术途径主要有两条：一是通过外形设计降低飞行器的雷达散射截面积RCS(Radar CrossSection)；二是飞行器应用吸收雷达波的材料，即雷达吸波材料RAM (Radar Absorption Material)，它是利用吸收剂与电磁能的相互作用而达到损耗电磁能的目的。外形隐身技术可以在不增加飞行器重量的情况下减小其RCS，而且在很宽的频带内有效，但随之出现的问题是气动性能的变化〔一般是变坏)和强度的降低。而使用RAM可以在几乎不影响飞行器气动和强度性能的情况下减缩其RCS，特别适用于一些无法或难以采取外形措施的部件，如弹翼、机翼前缘部位等，所以研究和开发高性能的雷达吸波材料成为各国军事技术领域中的一个重大课题。

发展历史电磁波吸收的研究始于20世纪30年代，荷兰人研发出第一种吸波材料。这种吸波材料以高损耗的炭黑和高介电常数的二氧化钛作为介质，使得吸波材料有较小的厚度。

二战期间(1935-1945年)，德国研发出用于潜艇隐身的"Wesch”材料，它由约0.3英寸的橡胶基羧基铁复合板构成。由于表面具有格纹结构，因此这种材料能够吸收较宽频段的电磁波。此外，德国人还发明了由多层电阻片和介电材料层交替叠置构成的Jaumann层吸波材料。该材料能够在雷达波段实现-20 dB的反射率。随后，美国人Salisbury W. W.发明了λ/4谐振吸收屏，其在共振频率处能够增宽25%的吸收频宽，该结构被命名为Salisbury屏。

20世纪50年代，Sponge公司商业化生产了“Spongex"雷达吸波材料，当把这种材料制成2英寸厚时，在2.4~10GHz的反射率能达到-20 dB此外，Severin和Meyer开始研究电路模拟吸波材料，通过实验研究了电路环、薄片、偶极子等加载的吸波材料。这也是频率选择表面(FSS)吸波材料研究的起源。

20世纪80年代至今，随着计算机技术的发展，吸波材料进入了精密优化设计阶段。根据材料的电磁参数，可以通过计算机辅助设计技术计算出在给定厚度、频率下的吸波性能，同时对吸波材料进行优化。例如，用遗传算法、有限元法、FDTD等技术来优化Jaumann层结构。导电聚合物基复合材料和手性材料也逐渐用于吸波材料领域，并用有效介质理论来计算这些新材料的复介电常数和复磁导率。

结构类型及设计按照雷达吸波材料的吸收机理，可以将其分为阻抗匹配型和谐振型两类吸波材料。

阻抗匹配型吸波材料锥体形吸波材料

锥体形吸波材料是典型的结构型吸波材料，材料的锥体结构使阻抗从空气到吸波材料底端有一个渐变的过程，但是其缺点是厚度大且容易碎裂。经过合理的设计和改进，这种吸波材料被广泛应用于微波暗室等领域。

匹配层吸波材料

匹配层吸波材料以锥形吸波材料为基础，能在不影响吸波效果的情况下减少材料的厚度。这种吸波材料是在入射与吸收之间设置一个阻抗匹配层。阻抗匹配层的阻抗值介于空气和吸收层之间。当匹配层的厚度为λ/4时，匹配效果最为明显。

谐振型吸波材料谐振型吸波材料是利用干涉原理来降低电磁波的反射，也称为λ/4吸波材料，包括Dallenbach层、Salisbury屏和Iaumann层。这类材料的阻抗与空气并不匹配，并且材料对厚度有一定要求，因此并不能完全吸收所有的电磁能。

Dallenbach层吸波材料

Dallenbach层吸波结构由在导电板前放置的均匀有耗介质层构成。研究发现，单层的Dallenbach结构无法得到宽频的吸波材料，因此，人们采用多层结构拓宽它的吸收频段Mayer F.用两层或多层吸收层增加吸收带宽，第一层为吸波材料与空气界面处的铁氧体层，第二层为含有金属的短纤维层。通过拉格朗日方法可以优化多层Dallenbach吸波材料，该方法已经被用来设计锥体形和λ/4吸波器”。

Salisbury屏吸波材料Salisbury屏是将合适阻抗的电阻屏置于金属背底反射面的λ/4处，形成谐振型吸波结构。这种结构可以使从金属背底和阻抗层反射的电磁波相位相反，从而实现“零反射”。

Salisbury屏的吸波性能与吸波体的厚度、介质层的介电常数相关。吸波体的厚度和介电常数增大会导致电长度增加，使吸收峰向低频移动，实现低频强吸收。由Salisbury屏的结构可知，纯电损耗型材料的电阻膜应置于最大电场处，即距金属表面λ/4处；而磁损耗型材料则置于最大磁场处，即金属表面为最好。由于电损耗屏必须置于金属面上方λ/4处，这就导致吸波结构比较厚，所以这种结构只能适用于不限制材料尺寸的场合。另外，Salisbury屏对谐振频率外的电磁波不能实现“零反射”，吸波频率的带宽较窄。导电聚合物也可作为吸波材料来设计制备Salisbury屏，并用光学传输矩阵法来研究其吸波性能。

Jaumamn层吸波材料

在Salisbury屏的基础上，通过增加电屏薄片和隔离层的数量来改善吸收带宽，由此发展出了新的吸波材料，被称为Jaumann吸波材料。

具有不同电磁特性的各层材料可以各种算法优化设计组合得到阻抗合适、性能较好的吸波材料。通过分析研究阻抗匹配特性，发现介质层递变组合可满足阻抗匹配条件，同时引入容抗和感抗等电抗因素能更好地改善其厚度带宽比特性，也可采用递变介质阻抗结构来满足介质层阻抗连续变化的同时损耗增大的特性，进而实现结构吸波材料在较宽频段的谐振吸收。

多层Jaumann层吸波材料的内部结构由低损耗介质隔开。一个6层Jaumann层吸波材料在7~15GHz反射率可达-30 dB。J. K. Nortier等利用等效传输线理论研究了7层电阻片Jaumann型吸波体，结果表明该结构具有理想的吸收宽带。2

吸收剂吸波材料的研究早在二战期间在美国和德国就已开始，发展至今已有十多种。吸波材料的吸波性能取决于吸收剂的损耗吸收能力，因此吸收剂的研究一直是吸波材料的研究重点。目前最受重视的吸收剂主要有:

铁氧体系列吸收剂铁氧体系列吸收剂包括镍锌铁氧体、锰锌铁氧体和钡系铁氧体等，是发展最早、应用最广的吸收剂。由于强烈的铁磁共振吸收和磁导率的频散效应，铁氧体吸波材料具有吸收强、吸收频带宽的特点，被广泛用于隐身领域，如美国的SR-1高空侦察机上就使用了铁氧体吸波涂层。目前铁氧体材料仍是研制薄层宽带吸波材料的主体。主要有六角晶系铁氧体和尖晶石型铁氧体。铁氧体材料在高频下具有较高的磁导率，且其电阻率亦高，电磁波易于进入并得到有效的衰减。近年来对片状六角铁氧体研究较多。但铁氧体系列吸收剂比重大且高频性并不十分理想。

多晶铁纤维系列吸收剂多晶铁纤维系列包括铁纤维、镍纤维、钻纤维及其合金纤维。多晶铁纤维以其独特的形状特征和复合损耗机理〔磁损耗和介电损耗)而具有重量轻、频带宽的优点。调节纤维的长度、直径及排列方式，可容易地调节吸波涂层的电磁参数。多晶铁纤维在微波低频段的吸波性能尤为突出。另外，在吸波涂层中如果加入其他导电纤维，如铜纤维、碳纤维等，通过与入射电磁场的相互作用，引起能量的吸收和辐射，可以“放大’，吸收剂的功能，降低涂层厚度与重量，可拓宽吸收频带。

导电高聚物导电高聚物吸波材料是利用某些具有共轭电子的高分子聚合物的线形或平面形构型与高分子电荷转移络合物作用，设计其导电结构，实现阻抗匹配和电磁损耗，从而吸收雷达波。其电导率可在绝缘体、半导体和金属态范围内变化，电磁参数依赖于高聚物的主链结构、室温电导率、掺杂剂性质、微观形貌等因素。由于导电高聚物吸波材料具有结构多样化、密度低和独特的物理、化学特性，近10年来得到了快速的发展。将导电高聚物与无机磁损耗物质复合可开发出新型轻质宽带吸波材料。

手征性材料研究表明，手征性材料能够减少入射电磁波的反射并能吸收电磁波。手征性材料在实际应用中主要可分为本征手征性材料和结构手征性材料，前者自身的几何形状就使其成为手征性物体，后者是通过其各向异性的不同部分与其它部分形成一定角度关系而产生手征行为使其成为手征性材料。手征性材料与一般吸波材料相比，具有吸波频率高、吸收频带宽的优点，并可通过调节旋波参量来改善吸波特性。在提高吸波性能、扩展吸波带宽方面具有很大潜能。目前制造手征性吸波材料的方法是在普通介质中加入大小合适并具有手征性的微体。手征性材料的研究是当前的一个热门领域，一旦手征性材料实用化，隐身技术将提高到一个新的水平。

磁性金属纳米粒子吸收剂这种材料具有强烈的表面效应，在电磁场辐射下原子、电子运动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能，从而可以很好地吸收电磁波，因而可用于毫米波隐身及可见光-红外隐身。1991年海湾战争中，使美军出尽风头的F-117A型战斗机，机身表面涂覆了能吸收红外与微波的多种超微粒子，特别是纳米粒子，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，因而具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视。其吸波原理一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少了波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3~4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大为降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。3