1、1. 緒論1.1 前言隨著無線電技術和雷達探測技術的迅速發展，電子和通信設備向著靈敏、密集、高頻以及多樣化的方向發展，這不僅引發電磁波干擾、電磁環境污染，更重要的是導致電磁信息泄漏，軍用電子設備的電磁輻射有可能成為敵方偵察的線索。為消除或降低導彈陣地的電磁干擾、減少陣地的電磁泄漏，需要大大提高陣地在術來戰爭中的抗電磁干擾及生存能力。高放能、 寬頻帶的電磁波吸波屏蔽材料的研究開發意義重大。吸波材料是一種重要的軍事隱身功能材料，它的基本物理原理是，材料對入射電磁波進行有效吸收，將電磁波能量轉化為熱能或其他形式的能量而消耗掉。該材料應該具備兩個特性，即波阻抗匹配性和衰減特性。波阻抗匹配特性即入射電磁

2、波在材料介質表面的反射系數最小，從而盡可能的從表面進人介質內部；衰減特性指進入材料內部的電磁波被迅速吸收。損耗大小，可用電損耗因子和磁損耗因子來表征。對于單一組元的吸收體，阻抗匹配和強吸收之間存在矛盾，有必要進行材料多元復合，以便調節電磁參數，使它盡可能在匹配條件下，提高吸收損耗能力。吸波材料按材料的吸波損耗機理可分為電阻型、電介質和磁介質型。吸波材料的性能主要取決于吸波劑的損耗吸收能力，因此， 吸波劑的研究一直是吸波材料的研究重點。1.2 隱身材料定義隨著人們生活水平的提高，各種電器的頻繁使用，使我們周圍的電磁輻射日益增強， 電磁污染成為世界環境的第五害，嚴重的危害了人類的身體健康。電磁輻射

3、對人的作用有5 種：熱效應、非熱效應、致癌、致突變和致畸作用。因此，在建筑空間中，各類電子，電器以及各種無線通信設備的頻繁使用，無時無刻不產生電磁輻射，電磁污染已經引起人們的廣泛關注。電磁吸波材料即隱身材料最早在軍事上隱身技術中應用。隱身材料是實現武器隱身的物質基礎。武器系統采用隱身材料可以降低被探測率，提高自身的生存率，增加攻擊性，獲得最直接的軍事效益。因此隱身材料的發展及其在飛機、主戰坦克、艦船、箭彈上應用，將成為國防高技術的重要組成部分。對于地面武器裝備， 主要防止空中雷達或紅外設備探測、雷達制導武器和激光制導炸彈的攻擊；對于作戰飛機，主要防止空中預警機雷達、機載火控雷達和紅外設備的探測

4、，主動和半主動雷達、空對空導彈和紅外格斗導彈的攻擊。為此，常需要雷達、紅外和激光隱身技術。1.3 分類根據材料隱身的原理吸波材料主要有吸波隱身材料、透波隱身材料兩種。按其功能的不同，隱身材料可以分為：雷達隱身材料、紅外隱身材料、可見光隱身材料、激光隱身材料、聲納隱身材料和多功能隱身材料即同時具備多種隱身功能的材料，已經發展了紅外雷達、紅外激光雷達、可見光紅外等雙重功能隱身材料和寬頻帶雷達隱身材料，正在研究可見光紅外雷達、紅外雷達激光雷達等多功能隱身材料。根據吸收劑的不同，吸波材料一般有以下幾類：鐵氧體吸波材料、羰基鐵吸波材料、 金屬超細粉末或金屬氧化物磁性超細粉末吸波材料、陶瓷吸波材料、等離子

5、體吸波材料、納米吸波材料、放射性同位素吸波材料、導電高分子吸波材料、視黃基席夫堿鹽類吸波材料、手征性吸波材料、摻雜高損物吸波材料、稀土元素吸波材料。（ 1） 雷達吸波材料雷達吸波材料技術是指能有效地吸收入射雷達波從而使其目標回波強度顯著衰減的技術。形隱身只能改變目標 RCS勺空間分布，使之在主要的威脅方向達到隱身的目的, 而雷達吸波材料隱身則依靠材料的吸收性能, 降低目標總的回波強度，在所有方向上達到同時減小 RCS勺隱身效果。雷達吸波材料按其功能或材料成型工藝和承載能力，雷達吸波材料可分為涂敷型吸波材料和結構型吸波材料兩種 。材料的吸波性能主要由其微波頻率下的復磁導率u 和復介電常數e 所決

6、定，所以純粹的磁損耗型吸波材料或電損耗型吸波材料都不是最理想的選擇。只有兼具磁損耗和電損耗才有利于展寬頻帶和提高吸收率。它獨特的結構使其自（ 2） 納米隱身材料 納米材料是指材料組分的特征尺寸在納米量級的材料。身在較寬的頻率范圍內顯示出均勻的電磁波吸收特性，納米材料之所以具有優異的吸收電磁波性能，其原因是：（ 3） 納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多，大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。（ 4） 納米微粒尺寸小，比表面積大，界面極化與多重散射成為納米材料重要的吸波機制。納米材料量子尺寸效應使電子能級分裂，分裂的能級間隔處于微波的能量范圍（0.01e

7、V0.0001eV）內，為納米材料創造了新的吸波通道。（ 5） 納米材料中的原子和電子在微波場中的輻照，材料的原子和電子運動加劇，促使磁化，使電磁能轉化為熱能，增加了對電磁波的吸收，使電磁能轉化為熱能的效率增加，從而提高了對電磁波的吸收性能。（ 6） 納米隱身材料具有厚度薄、質量輕、吸收頻帶寬、兼容性好等特點。加人納米材料的隱身涂料，具有吸波能力強、密度小、可實現薄層涂裝的優點，還具有高的力學性能、良好的環境穩定性和理化性能。（ 7） 由于納米微粒具有較高的矯頑力，可引起大的磁滯損耗，有利于將吸收的雷達波等轉換成其它形式的能量（ 熱能、電能或機械能） 而消耗掉。納米吸波材料以其優異的吸波性能得

8、到了廣泛關注，目前的研究表明，納米吸波材料的性能是頻段多、頻帶寬、 吸收強及質量輕等，具有重要的軍事和民用意義。1.4 機理電磁吸波材料能夠吸收投射到它表面的電磁波能量，并通過材料的損耗轉變成熱能等其它形式的能量。材料吸收電磁波的基本條件：（1） 電磁波射入材料時能最大限度的進入材料內部（ 匹配特性 ） ； （2） 進入材料內部的電磁波能迅速衰減掉 （ 衰減特性 ） 。實現這兩個條件的方法是：通過采取特殊的邊界條件來達到，而且需要材料具有很高的電磁損耗。當雷達波通過自由空間時具有阻抗Z0,垂直 投射到阻抗為Zl 的半無限大的介質表面，發生反射，其反射系數由公式（1）決定， 由公式 （2） 可知

9、， 物體表面反射波阻抗與其表面磁導率u 和電容率之比的平方根成正比，因此，為使雷達波不被反射，R必須為0,即理想條件Z1=Z0種吸波材料由于其吸波機理、內部結構組成、外形及入射波、極化方式不同，其反射系數也不同。R = (l-zJ(I)Z。- J4 / £口1.4.1 納米吸波材料的隱身機理根據吸波機理的不同，納米隱身吸波材料主要可分為電損耗型和磁損耗型兩 大類。以納米金屬粉體（如Fe、Ni等）與納米Si/C/N粉體為例，分析磁損耗 型與電損耗型納米隱身材料的吸波機理。金屬粉體（如Fe、Ni等）隨著顆粒尺寸的減小，特別是達到納米級后，電導 率很低，材料的比飽和磁化強度下降，但磁化率和

10、矯頑力急劇上升。其在細化過 程中，處于表面的原子數越來越多，增大了納米材料的活性，因此在一定波段電 磁波的輻射下，原子、電子運動加劇，促進磁化，使電磁能轉化為熱能，從而增 加了材料的吸波性能。一般認為，其對電磁波能量的吸收由晶格電場熱振動引起 的電子散射、雜質和品格缺陷引起的電子散射以及電子與電子之間的相互作用三 種效應來決定。1.4.2 雷達隱身材料的隱身機理雷達很早就成為軍事上普遍使用的探測手段，因此它的隱身一直以來就受 到廣泛的關注，而且相關專家對它的研究也從未停止。 雷達探測主要是向一定空 問方向發射高頻雷達波，當該波碰到目標物時就會反射一部分波回去， 通過接收 反射的雷達波信號就能探

11、測到目標物的方位。如果能使反射回波的能量降低到 一定程度，以至于接收到的信號弱得無法被雷達接收器所識別，那么目標物就達到了雷達隱身的目的。表征目標雷達隱身效果的指標很多， 而最常用的就是雷達 波反射率。假設從雷達發射器發射出來的雷達電磁波的功率為 Pi ,經過目標后 反射回來的電磁波功率為R ,那么功率反射率就為Rp = R/Pi ,很明顯雷達隱身 要求此反射率要小。為了便于比較，通常用以分貝（dB）為單位的反射率R來表示, 其中R=10lgRp。這樣，由于功率反射率都小于1,所以R為負值。因此，對 于一定的目標物，希望其R值越小越好。如果采用雷達隱身材料，那么這種材料 要能吸收或者透過雷達波

12、，盡量減少用于探測的反射波。對于一般的目標物，通 常很難透過大量雷達波，所以雷達隱身所用的材料以吸波材料為主。1.5 基本理論電磁屏蔽材料是防止電子污染必需的防護性功能材料。屏蔽是利用屏蔽體阻 止或減少電磁能量傳輸的一種措施 。屏蔽按機理分為電屏蔽、磁屏蔽及電磁屏 蔽。電屏蔽是利用屏蔽體束減小干擾源和感受器之間的分布電容，從而削弱干擾 源對感受器的影響；磁屏蔽是依賴高磁導率材料所具有的小磁阻起到磁分路作 用，減小屏蔽體內部空間的磁場；電磁屏蔽則是限制電磁波從屏蔽材料的一側空 間向另一空間傳遞。電磁波到達屏蔽材料表面時，有三種衰減方式：一是在入射 表面由阻抗突變引起的電磁波的反射衰減（R）;二是

13、電磁波在屏蔽體內部傳播時，電磁能量被吸收的衰減（A）;三是電磁波在屏蔽體內部界面間多次反射時的 反射衰減，也叫反射修正系數（B）。吸波材料主要由粘結劑和吸收劑組成。 粘結劑是材料的成膜物質，是使材層 牢固的粘附于被材物的表面上形成連續膜的主要物質。而具有吸收特定電磁參數 的吸收劑是吸波材料的關鍵，它決定了吸波材料的吸波性能。粘結劑的選取原則 有：對吸收劑納入量大，比重輕；附著力強，柔韌性、耐沖擊；耐溫度變 化、耐介質性能好；具有與吸收劑相符的介電常數。在現有的研究進展中看， 綜合性能較好，工藝性能穩定的粘結基本體系有氯磺化聚乙烯、環氧樹脂和聚氨 酯。吸波材料涂層一般通過損耗（磁損耗、介電損耗、

14、渦流損耗）將入射的電磁波 轉化為熱能而消耗掉，從而將反射波或透射波最大限度地被衰減。根據吸波機理， 吸波材料一般 分為磁損耗型、介電損耗型、電阻型三類。達到實用要求的吸波 材料需要具備頻帶寬、重量輕、涂層薄、易于加工和粘貼以及物理機械性能好等 性能要求，其中，反射式吸波衰減：Reflection Loss = 2010g10（Zin -Z0）/（Zin Z0）（Zin、Zo分別為吸波材料和空氣的特征阻抗），其 中，RL& -10dB所 覆 蓋 的頻率范圍稱為有效頻帶。目前吸波材料設計主要建立在材料的復磁導率、復介 電常數和吸波涂層的厚度上。應用上，主要采用分層優化設計，盡可能發揮現有吸

15、收劑性能，設計難點主要在微波低頻段圖1.涂層吸收電磁波模型1.6 制備方法要實現良好的吸波，必須具備兩個條件：（1）入射來的電磁波要盡可能多地 進入吸波材料而不被反射；（2）材料要能將電磁波損耗吸收掉。因此，具有阻抗 漸變結構的多層吸波體，通過阻抗匹配層的匹配作用，使空間入射來的電磁波盡 可能多地進入吸波材料而被損耗吸收。研究表明，帶導電襯底薄層吸波材料能量密度分布如下：越靠近襯底，電場 能量密度（We）越低，而磁場能量密度（Wm）越高。因此，底層采用強磁損耗吸收 劑，中間層采用兼具電磁損耗的材料， 面層為透波層，可望組成性能良好的三層 吸波材料。以下介紹采用磁性微粉與介電材料相結合，制備具有

16、阻抗漸變結構 的三層吸波體。帶導電襯底三層結構吸波體示意圖如圖 2所示。The medium layerThe surface layer The last layer圖2三層吸波體結構示意圖各層材料組成與厚度如表1所示。磁性微粉（MMP訥本實驗室生產，型號為 HG6y3采用鐵、鉆等原料經高能攻以8制得。納米二氧化鈦 （TiO2）毛球狀碳纖維 （cf）從市場上購買，無需提純。氫化丁月青橡膠（HNBR來自于日本，具有一定的機 械強 度、物理化學性能穩定、附著力耐候性強、耐熱性高（可達175c）等特點。表1.材料組成與厚度面層中層底層材料組成TiO2HNBRMMP cf HNBRMMP HNBR質

17、量分數/%158540 10 5075 25厚度/mm0.20.40.4采用以二氧化鈦為原料構成的匹配層（面 層），實現了與自由空間波阻抗相 匹配，使入射來的電磁波大部分進入吸波材料而被損耗。同時，面層材料具有耐磨、抗 拉等特點，起到又一保護屏的作用。底層由磁性微粉組成，具有較大的 磁導率和 磁損耗，是強磁損耗層。根據帶導電襯底薄層吸波材料能量密度分布， 越靠近襯 底，電場能量密度越底，磁場能量密度越高，因而底層形成對電磁波 強烈的損耗。中間層由磁性微粉與碳纖維組成， 兼具磁損耗與電損耗，構成從面 層到底層的過 渡結構。碳纖維作為介電材料，還可形成半波諧振子與入射電磁 波諧振而產生諧振感應電流

18、，形成較大的損耗。三層吸波體功率反射系數測量 結果表明，在（8-18）GHz頻率范圍內，反射率在-8dB以下。理論計算與實測結 果存在一定的偏 差，主要來自于對各層材料不能獲得要求的厚度控制，以及各層材料實際配比存在偏離的緣故。剝離強度測試表明，三層吸波體層間粘合牢固；拉伸強度測試表明，三層吸波體具有能夠抵抗拉伸破壞的極限能力。2. 國內外研究現狀2.1 國內研究現狀吸波材料的開發和應用是隱身技術發展的重要精髓，是軍用建筑物實現隱身的基石。 我國在吸波材料的發展方面與國外相比還有很大差距，還存在面密度高、柔韌性差、附著力低等問題【5】 ，因此，急需研究各種新的吸收劑，探討新的吸波機理以滿足吸波

19、材料所追求的“輕、薄、強、寬”的目標。2.2 國外研究現狀國外隱身技術與材料的研究始于第二次世界大戰期間，起源在德國，發展在美國并擴展到英、法、俄羅斯等先進國家。目前，美國在隱身技術和材料研究方面處于領先水平。在航空領域，許多國家都已成功地將隱身技術應用于飛機的隱身；在常規兵器方面，美國對坦克、導彈的隱身也已開展了不少工作，并陸續用于裝備，如美國M1A1坦克上采用了雷達波和紅外波隱身材料，前蘇聯T 80坦克也涂敷了隱身材料。近年來， 國外在提高與改進傳統隱身材料的同時，正致力于多種新材料的探索。晶須材料、納米材料、陶瓷材料、手性材料、導電高分子材料等逐步應用到雷達波和紅外隱身材料，使涂層更加薄

20、型化、輕量化。 納米材料因其具有極好的吸波特性，同時具備了寬頻帶、兼容性好、厚度薄等特點，發達國家均把納米材料作為新一代隱身材料加以研究和開發；國內毫米波隱身材料的研究起步于80年代中期，研究單位主要集中在兵器系統。經過多年的努力，預研工作取得了較大進展，該項技術可用于各類地面武器系統的偽裝和隱身，如主戰坦克、155毫米先進加榴炮系統及水陸兩用坦克。目前，世界上正在研制的第四代超音速殲擊機，其機體結構采用復合材料、翼身融合體和吸波涂層，使其真正具有了隱身功能，而電磁波吸收型涂料、電磁屏蔽型涂料已開始在隱身飛機上涂裝；美國和俄羅斯的地對空導彈正在使用輕質、寬頻帶吸收、熱穩定性好的隱身材料。可以預

21、見，隱身技術的研究和應用已成為世界各國國防技術中最重要的課題之一。3. 市場與應用隱身材料主要用于軍事，但也有用于人們日常生活的，比如它在建筑上的應用就是接近平常人的。以下為介紹其在建筑上的應用。建筑吸波材料延用了軍事中吸波材料的概念，但是它們也存在顯著的差異。軍事上雷達的電磁波要求頻率更高，頻段更窄。在材料成本方面，軍事領域的吸波材料成本較高。要將吸波材料運用于建筑領域，降低材料成本是必須考慮的因素之一。選擇經濟有效的吸波材料應用于建筑物防輻射，才是推廣應用的前提。其中電磁波吸收混凝土的研究起始于高大建筑物對電磁波的影響，如高大建筑物的反射作用引起電視產生重影及其對直接波的遮蔽作用等等。若能

22、開發并使用具有吸波功能的混凝土材料，就可以防止電磁干擾，利于人們的生活和工作【4】 。吸波混凝土材料有其自身的優勢，如價格低廉、易于施工、堅固耐用等，而且迎合 了從傳統混凝土材料向功能化和高新技術發展的方向?；炷廖ú牧显诠こ躺系膽们熬皬V闊，它可以廣泛應用于建筑物、橋、塔等處時，可以防止雷達偽像；在通信基地，可以用來改善通信質量；用于防電磁污染的環保型建筑領域。以盡量減輕電磁輻射對人們所造成的危害；在機場、航標、碼頭、電視臺和接收站附近的高大建筑物上，可以用來消除反射干擾。另外， 可用于軍事隱身建筑領域、精密儀器廠、防電磁波干擾的科研部門以及國家保密單位的防信息泄露等部門。4. 研究發展趨

23、勢與展望傳統的電磁屏蔽材料著重強調強衰減，而新型的材料則大多采用復合技術，突出低成本、無污染、質量輕、頻帶寬和性能好的特點，能適應不同場合和環境的應用要求，因此需要研制和開發新一 代電磁屏蔽材料，探索寬頻帶、電磁參數頻散效應不敏感的新型損耗型介質，將成為今后研究發展的重點。傳統的吸波材料主要以強吸收為目標，但存在頻帶窄、效率低、密度大等缺點， 應用范圍受到一定的限制。新型的吸波材料要求滿足“薄、 輕、 寬、 強”的特性，還要滿足多頻譜、耐高溫、耐海洋氣候和抗輻射等更高要求。為此，磁電的統一是吸波材料的發展方向。磁性高分子微球和導電聚合物的復合有可能獲得磁電統一的、輕質、寬頻帶、高吸收的新型微波

24、吸收劑，它將在隱身材料技術上有廣闊的應用前景。軍事探測和制導技術的發展促使了隱身材料的發展，從最早的可見光隱身材料到現在的激光隱身材料，隱身材料的研究和發展一直沒有間斷過。 無論哪種隱 身材料，今后的發展趨勢都向著質輕、帶寬、高效、耐久的方向發展。而且，隨 著多模技術的發展，傳統具有單一隱身功能的材料已經無法同時躲避多種探測手 段的圍攻，因此多波段兼容的隱身材料也是未來的發展趨勢。Times New Roman, 小四黑體，小二號1邢麗英，蔣詩才，李斌太.復合材料學報/h 2004, 21(6) : 2733.2李洪瑞，劉長華，朱守中.中國西部科技2008, 25 (7): 67.3彭艷玲.飛機隱身技術及隱身材料J.航空學報，2006, 20(3) : 287-288.4張雄，習志臻.J'建筑材料學報，2006, 6 (1) : 72-75.5秦蝶，陳雷.國外新型隱身材料的發展狀況J.宇航材料工藝，2007. (4): 1779 .6李密，呂釗.現代雷達的隱身與反隱身技術J.中國雷達.2002,(4) : 2933.7鐘華，李自力.隱身技術一一軍事高技術的“王牌”M.北京：國防工業出版社,2004 .8章成文，汪忠柱.隱身材料