吸波材料研究進(jìn)展
發(fā)表時間：2009-09-28 文章來源：
隱身技術(shù)始于第二次世界大戰(zhàn)。作為提高武器系統(tǒng)生存能力和突防能力的有效手段，已被當(dāng)今世界各國視為重點開發(fā)的軍事高新技術(shù)，尤其是隨著雷達(dá)探測技術(shù)的發(fā)展，原有的隱身技術(shù)面臨著很大的挑戰(zhàn)，迫切需要厚度薄、質(zhì)量輕、頻帶寬、多功能的新型隱身材料。美國國防部更是把這一要求列為重點發(fā)展計劃。
近年來，隨著多學(xué)科的交叉研究，吸波材料在材料的選擇上有了更大的空間，特別是與具有不同特性材料的復(fù)合，使吸波材料的性能有了更大進(jìn)展。近年來材料技術(shù)的重點熱門一納米技術(shù)在吸波材料制備過程中的成功應(yīng)用，使吸波材料的性質(zhì)在本質(zhì)上也呈現(xiàn)出驚人的飛躍。而計算機輔助設(shè)計的蓬勃發(fā)展和最優(yōu)化理論的運用對于確定出介質(zhì)參量εr*(復(fù)介電系數(shù))和μr* (相對復(fù)導(dǎo)磁率)隨頻率變化時介質(zhì)對微波吸波性能的影響，幫助掌握各種配方與介質(zhì)參量的關(guān)系，深入討論影響介質(zhì)的各種機制，從而做到按需要調(diào)整材料的參量都有很大地幫助，更可以起到指導(dǎo)實驗方向，加快研發(fā)過程的作用。本文將對這些新的熱點做一個介紹，分析了其中仍然存在的問題并預(yù)測將來的進(jìn)展。
1 納米技術(shù)在吸波材料中的應(yīng)用[1～3]
納米吸波材料具有極好的吸波特性，同時具備吸波頻帶寬、兼容性好、質(zhì)量輕和厚度薄等特點。納米粒子對紅外和電磁波有強烈的吸收能力主要原因有兩點，一方面由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長，因此納米粒子材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多，這就大大減少了波的反射率，使得紅外探測器和雷達(dá)接收到的反射信號變得很微弱，從而達(dá)到隱身的目的。另外一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大了3～4個數(shù)量級，對電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外本文受國家航天創(chuàng)新基金資助探測器及雷達(dá)得到的反射信號強度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標(biāo)，起到隱身作用。金屬、金屬氧化物和某些非金屬材料的納米級超細(xì)粉在細(xì)化過程中，處于表面的原子數(shù)越來越多，增加了納米粒子的活性。在微波場的輻射下，原子和電子運動加劇，促使磁化，使電子能轉(zhuǎn)化為熱能，從而增加了對電磁波的吸收。美國研制出的“超黑粉”納米吸波材料，對雷達(dá)波的吸收率大于99%。目前，隱身材料雖在很多方面都有廣闊的應(yīng)用前景，但當(dāng)前真正發(fā)揮作用的隱身材料大多使用在與航空航天或軍事有密切關(guān)系的部件上。對于上天的材料有個重要的要求是重量輕，在這方面納米材料是有優(yōu)勢的，特別是由輕元素組成的納米材料在航空隱身材料中應(yīng)用十分廣泛。
納米技術(shù)在吸波材料的以下幾個方面有突出作用：
(1) 改性原有基體材料與損耗介質(zhì)材料的性質(zhì)[4]
雷達(dá)吸波材料一般由基體材料與損耗介質(zhì)復(fù)合而成，其中損耗介質(zhì)的性能、數(shù)量及匹配選擇是影響吸波性能的重要因素。它直接制約著材料的研制進(jìn)度與工程應(yīng)用效果，已研制并成功應(yīng)用于吸波材料中的損耗介質(zhì)已達(dá)幾十種之多，而且各國都在積極致力于新型損耗介質(zhì)的開發(fā)與研制。根據(jù)吸波機理的不同，吸波材料中的損耗介質(zhì)可以分為電損耗型和磁損耗型兩大類。其中電損耗型介質(zhì)有導(dǎo)電性石墨、碳化硅粉末或碳化硅纖維、特種碳纖維、碳粒、金屬短纖維、鈦酸鋇陶瓷體和各種導(dǎo)電性高聚物等。其主要特點是具有較高的電損耗正切角，依靠介質(zhì)的電子極化或界面極化衰減。吸收電磁波。磁損耗型介質(zhì)包括各種鐵氧體粉、羰基鐵粉、超細(xì)金屬粉和納米相材料等，具有較高的磁損耗正切角，依靠磁滯損耗、疇壁共振和后效損耗等磁極化衰減吸收波。
當(dāng)這些粒子的尺寸進(jìn)人納米級別后，相應(yīng)的多疇變成單疇，使得這些粒子的物性呈現(xiàn)了獨特的吸波性能。研究表明，10～25nm的鐵磁金屬微粒矯頑力比相同的宏觀材料大1000倍。對于陶瓷材料而言，當(dāng)它到達(dá)納米尺寸時，表現(xiàn)出了高韌性，高熱強，高塑性等平時欠缺的特性。所以納米技術(shù)的應(yīng)用使這些吸收劑的吸波性能有很大提高。
(2) 納米復(fù)合物[5]
各種材料具有不同的吸波特性，適應(yīng)不同的波段，而目前吸波材料的一個主要研究方向就是多頻率。所以如果能復(fù)合這些材料，會使吸波材料的應(yīng)用范圍大大加寬。這些材料并不是無機相與有機相的的簡單加合，兩相界面間只存在較強或較弱的化學(xué)鍵。它們的復(fù)合將實現(xiàn)集無機、有機、納米粒子的諸多特異性質(zhì)于一身的新材料。特別是無機和有機的界面特性使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。有機材料優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)、高彈性和韌性，以及易加工性，可改善無機材料的脆性；更主要的是，有機物的存在可以提供一個優(yōu)異的載體環(huán)境，提高納米極無機相的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)其獨特的微觀控制，在光電磁催化等方面的特性能得到更好的發(fā)揮，甚至可能產(chǎn)生奇異特性的新型材料。
然而單純的無機納米粒子是不易分散于有機物中的，有機物與無機粒子之間常有嚴(yán)重的相分離現(xiàn)象。有機無機相間應(yīng)存在較強的相互作用，才能較好的利用有機基質(zhì)來防止無機納米微粒的團聚，使納米微粒能長期穩(wěn)定的存在。所以制備復(fù)合吸波材料并不僅僅是無機相和有機相單獨的納米技術(shù)，更主要的是復(fù)合的納米技術(shù)。材料的分子設(shè)計十分重要。近年來發(fā)展建立起來的制備方法也多種多樣，可大致歸為四大類：納米單元與高分子直接共混；在高分子基體中原位生成納米單元；在納米單元存在下單體分子原位聚合生成高分子；納米單元和高分子同時生成。各種制備納米復(fù)合材料方法的核心思想都是要對復(fù)合體系中納米單元的自身幾何參數(shù)、空間分布參數(shù)和體積分?jǐn)?shù)等進(jìn)行有效的控制，尤其是要通過對制備條件(空間限制條件、反應(yīng)動力學(xué)因素、熱力學(xué)因素等)的控制，以保證體系的某一組成相一維尺寸至少在納米尺度范圍內(nèi)(即控制納米單元的初級結(jié)構(gòu))，其次是考慮控制納米單元聚集體的次級結(jié)構(gòu)。
下面一個例子就是納米技術(shù)在吸波材料中的應(yīng)用，它表現(xiàn)了當(dāng)吸波材料鐵氧體在進(jìn)入納米級別后吸波性能的優(yōu)化[6]。圖1是鐵氧體與導(dǎo)電復(fù)合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％的納米復(fù)合物(其中納米粒子是共沉淀法制備的10nm的鐵氧體)與非納米復(fù)合物(其中的鐵氧體為江蘇宜興和橋無損探傷材料廠生產(chǎn)的350目粒子)在8—12GHz范圍內(nèi)對電磁波的反射系數(shù)R隨頻率f變化的曲線。從圖中可以看出，兩者的曲線走勢基本相同，不同之處是整個頻段內(nèi)納米復(fù)合物的吸收率均高于非納米復(fù)合物。
圖1 納米與非納米復(fù)合物反射系數(shù)隨頻率變化曲線
2 計算機輔助設(shè)計在吸波材料中的應(yīng)用
在科研過程中，人們找到了材料參數(shù)與吸波性能之間的關(guān)系，但實際應(yīng)用中對諸如材料匹配、參數(shù)控制等的復(fù)雜計算都必須借助于計算機，這就是計算機輔助設(shè)計。計算機輔助設(shè)計一般包括以下內(nèi)容：由材料的電磁參數(shù)計算材料的吸波性能；由達(dá)到要求的吸波性能(帶寬、吸收率等)選擇材料(即材料的電磁參數(shù)與幾何厚度等)；限定材料參數(shù)與幾何厚度時如何復(fù)合這些材料才能達(dá)到最佳效果。一般來說，通過計算機輔助設(shè)計可以做到：根據(jù)材料的電磁參數(shù)可以計算出在給定材料厚度，頻率下的吸波性能。(2)給定最大允許反射系數(shù)可設(shè)計在某頻率范圍或某中心頻率附近的最大工作帶寬與相應(yīng)的材料參數(shù)。(3)給定最大允許反射系數(shù)與帶寬可以設(shè)計材料的電磁參數(shù)等[7]。
目前計算機輔助設(shè)計主要有以下兩種方法[8]。
(1)跟蹤計算方法
所謂跟蹤計算法，就是跟蹤計算電磁波在各層材料中的折射波，而將反射波暫存起來，計算程序?qū)⒗谜鄯瓷涑鑫ú牧系娜繑?shù)據(jù)計算出材料的整體反射系數(shù)。
(2)優(yōu)化設(shè)計方法
在吸波材料設(shè)計中，除考慮增大材料對電磁波的吸收外，還要考慮到材料電磁參數(shù)的匹配。對于多層吸波材料，分層組配尤其重要。顯然，僅僅依靠實驗手段進(jìn)行研究需要投人大量人力和物力，并且需要較長的研究周期。因此，有必要在理論
上探討材料在較佳吸收情況下電磁參數(shù)的取值規(guī)律，從而實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計．優(yōu)化設(shè)計的目的是尋找吸波材料整體反射系數(shù)最小時，各層材料電磁參數(shù)εi εi"，μi μi'，d的取值。
下面就是一個通過計算機輔助設(shè)計很好的找出最佳配比，免去大量實驗步驟的示例。
表1是入射頻率在5—13GHz范圍內(nèi)3層吸波材料取不同組合方案時的電磁參數(shù)，圖2為對應(yīng)的二維吸收曲線，可以看出3組方案中，第一組最好。
橫標(biāo)是頻帶寬度，縱標(biāo)是吸收率
圖2 吸波材料取不同組合方案時的電磁參數(shù)對應(yīng)的二維吸收曲線
Fig 2 The comparison of different constitutions with a triple layer absorber
表1 吸波材料取不同組合方案時的電磁參數(shù)
Table 1 Electromagnetic parameter towards different constitution of triple layer absorber
3 其它隱身材料
3．1 智能隱身材料[12~13]
智能材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的新型高科技材料。將具有獨特物理、化學(xué)性質(zhì)的材料作為傳感器，在具有傳感和驅(qū)動功能的材料中加入控制功能，便成為智能材料。智能材料具有感知功能(信號感受功能或傳感器功能)、信息處理功能(處理器功能)、自我指令并對信號作出最佳響應(yīng)的功能(作動器功能或執(zhí)行功能)。目前這種材料已被廣泛應(yīng)
用于軍事與航空領(lǐng)域。它的這些特殊功能同時也為其實現(xiàn)隱身功能提供了可能性。
3．2 等離子隱身材料[l4~15]
等離子技術(shù)是一種新型隱身技術(shù)，在俄羅斯率先應(yīng)用。而正是憑借它，俄羅斯的隱身飛機系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國最先進(jìn)的隱身技術(shù)�？梢哉f這是目前已經(jīng)使用的最先
進(jìn)的隱身技術(shù)。
等離子體隱身技術(shù)是指利用等離子體回避探測系統(tǒng)的一種技術(shù)。目前產(chǎn)生隱身等離子體的方法主要有兩種：一種是利用等離子體發(fā)生器產(chǎn)生等離子體，即在低溫下，通過電源以高頻和高壓的形式提供的高能量產(chǎn)生間隙放電、沿面放電等形式，將氣體介質(zhì)激活、電離形成等離子體；另一種是在兵器特定部位(如強散射區(qū))涂一層放射性同位素，它的輻射劑量應(yīng)確保它的α射線電離空氣所產(chǎn)生的等離子體包層具有足夠的電子密度和厚度，以確保對雷達(dá)波有最強的吸收。據(jù)報道，采用該技術(shù)的飛行器被敵方發(fā)現(xiàn)的概率可降低99%。等離子體隱身技術(shù)具有很多優(yōu)點：吸波頻帶寬、吸收率高、隱身效果好、使用簡便、使用時間長、價格便宜；無須改變飛機的外形設(shè)計，不影響飛行器的飛行性能。此外，俄羅斯進(jìn)行的風(fēng)洞試驗表明，利用等離于體隱身技術(shù)還可以減少飛行器飛行阻力30%以上。自60年代以來，美國、前蘇聯(lián)等軍事強國就開始研究等離子體吸收電磁波的性能。近年來，等離子體隱身技術(shù)在俄羅斯取得了突破性進(jìn)展，其研
究領(lǐng)先于美國。據(jù)俄羅斯前不久進(jìn)行的隱形試驗表明：應(yīng)用等離子隱形技術(shù)隱形，可使米格1．44飛機雷達(dá)截面在4—14MHz頻率范圍內(nèi)，雷達(dá)獲取回波信號強度減少到原來的1％。
3．3 應(yīng)用仿生技術(shù)
試驗證明，海鷗雖與燕八哥的形體大小相近，但海鷗的雷達(dá)反射截面比燕八哥的大200倍。蜜蜂的體積小于麻雀，但它的雷達(dá)反射截面反而比麻雀大l6倍。有關(guān)科學(xué)家們正在研究這些現(xiàn)象，試圖采用仿生技術(shù)，尋求新的隱身技術(shù)。
3．4 手征吸波涂層
吸波涂層是在基體樹脂中摻和一種或多種具有不同特性參數(shù)的手征媒質(zhì)構(gòu)成。手征材料[8]是一種雙(對偶)各向同性(異性)的功能材料，其電場與磁場相互耦合．理論研究認(rèn)為手征材料參數(shù)可調(diào)，對頻率敏感性小，可達(dá)到寬頻吸收與小反射要求[9~10]。在80年代，手征材料對微波的吸收、反射特性的研究開始受到廣泛重視，在實際應(yīng)用中主要有兩類手征物體：本征手征和結(jié)構(gòu)手征物體。本征手征物體本身的幾何形狀即具有手征，如螺旋線等。目前研究的雷達(dá)吸波型手征材料是在機體材料中摻雜手征結(jié)構(gòu)物質(zhì)形成的手征復(fù)合材料。由于只有與入射波長尺寸相近的手征材料才能與人射波相作用，因此基體中摻雜的手征物質(zhì)應(yīng)具有與微波波長同量級的特征尺寸。但從實際應(yīng)用考慮特征尺寸的范圍為0.01～5ram更合適 ，這樣便于將手征摻雜物嵌
入基體中。
4 吸波材料的發(fā)展趨勢
近期來國外對吸波材料的研究十分活躍，國內(nèi)也正在密切注視國外在此領(lǐng)域的研究動態(tài)，并積極開展我國隱身材料的研究。納米材料由于其結(jié)構(gòu)尺寸在納米量級，物質(zhì)的量子尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng)等對材料性能產(chǎn)生重要影響，特別是納米材料具有
極高的電磁波吸收特性，已成為吸波材料研究發(fā)展中的一個新領(lǐng)域。智能材料因具有感知功能、信號處理功能、自己指令并對信號作出最佳響應(yīng)的功能而成為隱身材料研究的一個熱點。而最理想的吸波涂層是其化學(xué)成分能使電磁波在其內(nèi)的波長不因入射波的頻率變化而變化，但目前國內(nèi)外尚未做到這一點。在先進(jìn)復(fù)合材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的既能隱身又能承載的結(jié)構(gòu)型吸波材料具有涂覆材料無可比擬的優(yōu)點，是當(dāng)代隱身材料主要發(fā)展方向。其研制的關(guān)鍵是復(fù)合材料層板的研制與其介電性能的設(shè)計匹配，有“吸、透、散”功能的夾芯材料的研制與設(shè)計以及各個因素的優(yōu)化組合匹配等。應(yīng)用計算機輔助優(yōu)化設(shè)計在有限的條件約束下為結(jié)構(gòu)層吸波材料的研究提供了方便，可望近期內(nèi)對結(jié)構(gòu)型吸波材料及其結(jié)構(gòu)型式的研究會有更大發(fā)展。
當(dāng)然新的隱身機理可以給隱身材料的開發(fā)帶來更多的思路，比如仿生學(xué)隱身機理、等離子體隱身機理、有源隱身機理等這些都將給隱身材料的設(shè)計帶來更廣闊的空間。
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