隐身材料概述论文.doc

1. 绪论1.1前言随着无线电技术和雷达探测技术的迅速发展，电子和通信设备向着灵敏、密 集、高频以及多样化的方向发展，这不仅引发电磁波干扰、电磁环境污染，更重 要的是导致电磁信息泄漏，军用电子设备的电磁辐射有可能成为敌方侦察的线 索为消除或降低导弹阵地的 电磁干扰、减少阵地的电磁泄漏，需要大大提高 阵地在术来战争中的抗电磁干扰及生存能力高放能、宽频带的电磁波吸波／屏 蔽材料的研究开发意义重大吸波材料是一种重要的军事隐身功能材料，它的基本物理原理是，材料对入 射电磁波进行有效吸收，将电磁波能量转化为热能或其他形式的能量而消耗掉 该材料应该具备两个特性，即波阻抗匹配性和衰减特性波阻抗匹配特性即入射 电磁波在材料介质表面的反射系数最小，从而尽可能的从表面进人介质内部；衰 减特性指进入材料内部的电磁波被迅速吸收损耗大小，可用电损耗因子和磁损 耗因子来表征对于单一组元的吸收体，阻抗匹配和强吸收之间存在矛盾，有必 要进行材料多元复合，以便调节电磁参数，使它尽可能在匹配条件下，提高吸收 损耗能力吸波材料按材料的吸波损耗机理可分为电阻型、电介质和磁介质型 吸波材料的性能主要取决于吸波剂的损耗吸收能力，因此，吸波剂的研究一直是 吸波材料的研究重点。

1.2隐身材料定义随着人们生活水平的提高，各种电器的频繁使用，使我们周围的电磁辐射日 益增强，电磁污染成为世界环境的第五害，严重的危害了人类的身体健康电磁 辐射对人 的作用有 5 种：热效应、非热效应、致癌、致突变和致畸作用因此， 在建筑空间中，各类电子，电器以及各种无线通信设备的频繁使用，无时无刻不 产生电磁辐射，电磁污染已经引起人们的广泛关注电磁吸波材料即隐身材料最早在军事上隐身技术中应用隐身材料是实现武 器隐身的物质基础武器系统采用隐身材料可以降低被探测率，提高自身的生存 率，增加攻击性，获得最直接的军事效益因此隐身材料的发展及其在飞机、主 战坦克、舰船、箭弹上应用，将成为国防高技术的重要组成部分对于地面武器 装备，主要防止空中雷达或红外设备探测、雷达制导武器和激光制导炸弹的攻击； 对于作战飞机，主要防止空中预警机雷达、机载火控雷达和红外设备的探测，主 动和半主动雷达、空对空导弹和红外格斗导弹的攻击为此，常需要雷达、红外 和激光隐身技术1.3分类 根据材料隐身的原理吸波材料主要有吸波隐身材料、透波隐身材料两种 按其功能的不同，隐身材料可以分为：雷达隐身材料、红外隐身材料、可见 光隐身材料、激光隐身材料、声纳隐身材料和多功能隐身材料即同时具备多种 隐 身功能的材料，已经发展了红外／雷达、红外／激光雷达、可见光／红外等双 重 功能隐身材料和宽频带雷达隐身材料，正在研究可见光／红外／雷达、红外／雷 达／激光雷达等多功能隐身材料。

根据吸收剂的不同，吸波材料一般有以下几类：铁氧体吸波材料、羰基铁吸 波材料、金属超细粉末或金属氧化物磁性超细粉末吸波材料、陶瓷吸波材料、等 离子体吸波材料、纳米吸波材料、放射性同位素吸波材料、导电高分子吸波材料、 视黄基席夫碱盐类吸波材料、手征性吸波材料、掺杂高损物吸波材料、稀土元素 吸波材料1.3.1 雷达吸波材料 雷达吸波材料技术是指能有效地吸收入射雷达波从而使其目标回波强度显 著衰减的技术形隐身只能改变目标 RCS 的空间分布,使之在主要的威胁方向达 到隐身的目的 ,而雷达吸波材料隐身则依靠材料的吸收性能 ,降低目标总的回波 强度,在所有方向上达到同时减小 RCS 的隐身效果雷达吸波材料按其功能或材 料成型工艺和承载能力，雷达吸波材料可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料 两种 材料的吸波性能主要由其微波频率下的复磁导率 u 和复介电常数 e 所决定， 所以纯粹的磁损耗型吸波材料或电损耗型吸波材料都不是最理想的选择只有 兼具磁损耗和电损耗才有利于展宽频带和提高吸收率1.3.2 纳米隐身材料 纳米材料是指材料组分的特征尺寸在纳米量级的材料它独特的结构使其自 身在较宽的频率范围内显示出均匀的电磁波吸收特性，纳米材料之所以具有优异 的吸收电磁波性能，其原因是：（1） 纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和 键和悬挂键增多，大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。

2） 纳米微粒尺寸小，比表面积大，界面极化与多重散射成为纳米材料重 要的吸波机制纳米材料量子尺寸效应使电子能级分裂，分裂的能级间隔处于微 波的能量范围（O.OleV〜O.OOOleV）内，为纳米材料创造了新的吸波通道3） 纳米材料中的原子和电子在微波场中的辐照，材料的原子和电子运动 加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能，增加了对电磁波的吸收，使电磁能转化 为热能的效率增加，从而提高了对电磁波的吸收性能4） 纳米隐身材料具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽、兼容性好等特点 加人纳米材料的隐身涂料，具有吸波能力强、密度小、可实现薄层涂装的优点， 还具有高的力学性能、良好的环境稳定性和理化性能5） 由于纳米微粒具有较高的矫顽力，可引起大的磁滞损耗，有利于将吸 收的雷达波等转换成其它形式的能量（热能、电能或机械能）而消耗掉纳米吸波材料以其优异的吸波性能得到了广泛关注，目前的研究表明，纳米 吸波材料的性能是频段多、频带宽、吸收强及质量轻等，具有重要的军事和民用 意义1.4 机理电磁吸波材料能够吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的损耗转变 成热能等其它形式的能量材料吸收电磁波的基本条件：（1）电磁波射入材料时 能最大限度的进入材料内部（匹配特性）；（2）进入材料内部的电磁波能迅速衰减 掉（衰减特性）。

实现这两个条件的方法是：通过采取特殊的边界条件来达 到， 而且需要材料具有很高的电磁损耗当雷达波通过自由空间时具有阻抗Z0,垂 直 投射到阻抗为Zl的半无限大的介质表面，发生反射，其反射系数由公式（1） 决定，由公式（2）可知，物体表面反射波阻抗 与其表面磁导率u和电容率之比的 平方根成正比，因此，为使雷达波不被反射，R必须为0,即理想条件Z1=Z0种 吸波材料 由于其吸波机理、内部结构组成、外形及入射波、极化方式不同，其 反射系数也不同2)1.4.1纳米吸波材料的隐身机理根据吸波机理的不同，纳米隐身吸波材料主要可分为电损耗型和磁损耗型两 大类以纳米金属粉体（如Fe、Ni等）与纳米Si/C/N粉体为例，分析磁损耗 型与电损耗型纳米隐身材料的吸波机理金属粉体（如Fe、Ni等）随着颗粒尺寸的减小，特别是达到纳米级后，电导 率很低，材料的比饱和磁化强度下降，但磁化率和矫顽力急剧上升其在细化过 程中，处于表面的原子数越来越多，增大了纳米材料的活性，因此在一定波段电 磁波的辐射下，原子、电子运动加剧，促进磁化，使电磁能转化为热能，从而增 加了材料的吸波性能一般认为，其对电磁波能量的吸收由晶格电场热振动引起 的电子散射、杂质和晶格缺陷引起的电子散射以及电子与电子之间的相互作用三 种效应来决定。

1.4.2雷达隐身材料的隐身机理 雷达很早就成为军事上普遍使用的探测手段，因此它的隐身一直以来就受 到广泛的关注，而且相关专家对它的研究也从未停止雷达探测主要是向一定空 间方向发射高频雷达波，当该波碰到目标物时就会反射一部分波回去，通过接收 反射的雷达波信号就能探测到目标物的方位如果能使反射回波的能量降低到 一定程度，以至于接收到的信号弱得无法被雷达接收器所识别，那么目标物就达 到了雷达隐身的目的表征目标雷达隐身效果的指标很多，而最常用的就是雷达 波反射率假设从雷达发射器发射出来的雷达电磁波的功率为P ,经过目标后i反射回来的电磁波功率为P ,那么功率反射率就为R二P /P，很明显雷达隐身r p r i要求此反射率要小为了便于比较，通常用以分贝（dB）为单位的反射率R来表示， 其中R二10lgR这样，由于功率反射率都小于1,所以R为负值因此，对 p于一定的目标物，希望其R值越小越好如果采用雷达隐身材料，那么这种材料 要能吸收或者透过雷达波，尽量减少用于探测的反射波对于一般的目标物，通 常很难透过大量雷达波，所以雷达隐身所用的材料以吸波材料为主1.5 基本理论电磁屏蔽材料是防止电子污染必需的防护性功能材料。

屏蔽是利用屏蔽体阻 止或减少电磁能量传输的一种措施 屏蔽按机理分为电屏蔽、磁屏蔽及电磁屏 蔽电屏蔽是利用屏蔽体束减小干扰源和感受器之间的分布电容，从而削弱干扰 源对感受器的影响；磁屏蔽是依赖高磁导率材料所具有的小磁阻起到磁分路作 用，减小屏蔽体内部空间的磁场；电磁屏蔽则是限制电磁波从屏蔽材料的一侧空 间向另一空间传递电磁波到达屏蔽材料表面时，有三种衰减方式：一是在入射 表面由阻抗突变引起的电磁波的反射衰减(R)；二是电磁波在屏蔽体内部传播 时，电磁能量被吸收的衰减(A)；三是电磁波在屏蔽体内部界面间多次反射时的 反射衰减，也叫反射修正系数(B)吸波材料主要由粘结剂和吸收剂组成粘结剂是材料的成膜物质，是使材层 牢固的粘附于被材物的表面上形成连续膜的主要物质而具有吸收特定电磁参数 的吸收剂是吸波材料的关键，它决定了吸波材料的吸波性能粘结剂的选取原则 有：①对吸收剂纳入量大，比重轻；②附着力强，柔韧性、耐冲击；③耐温度变 化、耐介质性能好；④具有与吸收剂相符的介电常数在现有的研究进展中看， 综合性能较好，工艺性能稳定的粘结基本体系有氯磺化聚乙烯、环氧树脂和聚氨 酯吸波材料涂层一般通过损耗(磁损耗、介电损耗、涡流损耗)将入射的电磁波 转化为热能而消耗掉，从而将反射波或透射波最大限度地被衰减。

根据吸波机理， 吸波材料一般 分为磁损耗型、介电损耗型、电阻型三类达到实用要求的吸波 材料需要具备频带宽、重量轻、涂层薄、易于加工和粘贴以及物理机械性能好等 性能要求，其中，反射式吸波衰减：ReflectionLoss = 201og1((Z - Z )/(Z + Z ) |in 0 in 0(z、z分别为吸波材料和空气的特征阻抗)，其中，RLW-10dB所覆盖 in 0的频率范围称为有效频带目前吸波材料设计主要建立在材料的复磁导率、复介 电常数和吸波涂层的厚度上应用上，主要采用分层优化设计，尽可能发挥现有吸收剂性能，设计难点主要在微波低频段1.6 制备方法要实现良好的吸波，必须具备两个条件：(1)入射来的电磁波要尽可能多地 进入吸波材料而不被反射；(2)材料要能将电磁波损耗吸收掉因此，具有阻抗 渐变结构的多层吸波体，通过阻抗匹配层的匹配作用，使空间入射来的电磁波尽 可能 多地进入吸波材料而被损耗吸收研究表明，带导电衬底薄层吸波材料能量密度分布如下：越靠近衬底，电场 能量密度(W )越低，而磁场能量密度(Wm)越高因此，底层采用强磁损耗吸收 e 剂，中间层采用兼具电磁损耗的材料，面层为透波层，可望组成性能良好的三层 吸波 材料。

以下介绍采用磁性微粉与介电材料相结合，制备具有阻抗渐变结构 的三层吸波体带导电衬底三层结构吸波体示意图如图 2所示Tke medium layerThe surface hyer The 皿 layer// M4t&J4cnninMion图2 三层吸波体结构示意图各层材料组成与厚度如表1所示磁性微粉(MMP)为本实验室生产，型号为 HG6y3，采用铁、钻等原料经高能球磨制得纳米二氧化钛(TiO2)毛球状碳纤维 (cf)从市场上购买，无需提纯氢化丁腈橡胶(HNBR)来自于日本，具有一定的机 械强度、物理化学性能稳定、附着力耐候性强、耐热性高可达175°C)等特点表1.材料组成与厚度面层中层底层材料组成TiO2HNBRMMPcfHNBRMMP HNBR质量分数/%158540105075。