張文毓

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南洛陽471039）

    摘要：綜述了目前國內外寬頻輕質吸波涂料的研究動態，詳細介紹了具有發展前景的空心微珠吸波材料、碳納米管吸波材料、導電高聚物吸波材料、納米吸波材料和智能隱身材料等新型寬頻輕質吸波涂料的最新研究狀況，并對雷達隱身材料應用技術的未來做了展望。

    關鍵詞：寬頻輕質吸波涂料；空心微珠吸波涂料；碳納米管吸波涂料；導電高聚物吸波涂料；納米吸波涂料；智能隱身涂料

    1.引言

    雷達隱身技術主要是指對工作在3MHz～300GHz范圍內雷達的隱身技術，其中厘米波段（2～18GHz）是非常重要的雷達探測波段，也是現階段世界各國力求突破的超寬頻帶雷達隱身技術研究的重點。隨著雷達探測技術的發展，以及目標外形技術越來越受到戰術指標的限制，原有的雷達隱身材料存在頻帶窄、效率低、密度大等缺點，應用范圍受到一定限制，迫切需要開發新型吸波材料和相應的隱身技術。目前，國內外在進一步提高與改進傳統隱身材料性能的同時正致力于多種新材料的探索，碳納米管材料、導電聚合物材料、納米材料等逐步應用到雷達波隱身材料中，從而滿足對新一代雷達隱身材料吸收強、頻帶寬、質量輕、厚度薄的要求。

    2.導電高聚物吸波材料

    導電纖維摻混于常規粉體吸收劑中，可以較大幅度地提高材料的吸波性能。導電纖維的摻混量有一個最佳值。通過適當的匹配，可以制得寬頻雷達吸波材料。但是，得到的材料在低頻波段的吸波效果很差，如何解決低頻波段材料的雷達吸波性能，仍應進一步探討和驗證。由于導電高聚物密度小、中低溫性能良好，近年來得到廣泛的研究和應用。Krishadham等人研究了以碘經過化學或離子注人法摻雜的聚苯乙炔、聚乙炔和對苯撐-苯并雙噻吩導電高分子吸波材料，經摻雜制得的聚合物單層吸波涂層的反射衰減為-15dB，吸收帶寬可達3GHz。Oldedo等研究的聚吡咯、聚苯胺、聚-3-辛基噻吩在3cm波段內均有8dB以上的吸收率。TruongVT等研究了厚度為2.5mm、含2％聚吡咯的吸波材料，其在12~18GHz的反射率小于-10dB。孔德明等用鹽酸摻雜聚苯胺（PAn）和FeCl3。摻雜H2SO4-PAn按一定比例混合，在8～14GHz頻段內測試，發現該吸波材料在頻寬3.66GHz內的平均衰減為13.37dB，最大衰減為26.70dB。

    3.磁性粒子類吸波材料

    磁性粒子類吸波材料大都具有較高的磁損耗正切角，主要依靠磁滯損耗、疇壁共振和后效損耗等極化衰減來吸收電磁波，常見的有鐵氧體、金屬微粉、多晶鐵纖維等。鐵氧體是發展最早較為成熟的吸波材料，主要有鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體和鋇系鐵氧體等，其吸波機理是磁疇自然共振。鐵氧體分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型，其中以六角晶系片狀磁鉛石型的吸波性能最好，因六角晶系片狀磁鉛石型鐵氧體具有較高的磁性各向異性等效場，其自然共振頻率較高，表現出優良的高頻吸波性能。MeshramMR等制備的六角晶型鐵氧體吸波材料在8～12GHz的頻段內，最大吸收為16.5dB，最小吸收為8dB。張永詳等制備了厚為2mm、面密度為5kg/m2的鐵氧體吸波材料，其在8～18GHz頻帶范圍內的吸收率均大于10dB。此外，由于納米鐵氧體的粒子比表面積大，表面原子能帶結構不同于體內，有較高的矯頑力，可引起磁滯損耗、界面極化和多重散射等吸波機制；同時納米粒子的尺寸遠小于電磁波的波長，其電磁波的透過率也遠高于一般吸波材料。Ruan等研究發現，粒徑為5μm的鐵氧體樣品的最大反射率為-17dB，反射率小于-10dB的帶寬為3.5GHz，而粒徑為65nm的鐵氧體樣品最大反射率為-28.5dB，反射率小于-10dB的帶寬達5GHz。黃婉霞等人研究了在1～1000MHz頻率范圍內Fe3O4的粒度對電磁波吸收效能的影響，結果表明，納米級Fe3O4的粒度越小，其吸波效能越高。磁性金屬微粉是一類兼有自由電子吸波和磁損耗的吸波材料，主要有鈷、鎳、鈷-鎳合金、鐵-鎳合金、鋁-鎳合金及各種有機改性金屬等微粉，著名的F／A-18c／D“大黃蜂”隱身飛機使用的就是羰基鐵微粉吸波材料。磁性金屬微粉磁導率較高、溫度穩定性好，但其抗老化、耐酸堿能力、頻譜特性等性能差。多晶鐵纖維有較強的渦流損耗、磁滯損耗及介電損耗。作為良導體的多晶鐵纖維，當有外界交變電場作用時，纖維內的自由電子發生振蕩運動，產生振蕩電流，將部分電磁波能量轉變為熱能。美國3M公司研制的多晶鐵纖維吸波涂層，在5～16GHz頻段內可以衰減30dB。導電高聚物與磁性粒子復合兼顧了介電與磁損耗吸波特征，雖然已經取得了一定的進展，但也存在一些不足。要開發出輕質、強吸收、寬頻、電磁參數可調并綜合性能好的導電高聚物／磁性粒子復合吸波材料，就需要在下面幾個方面作進一步的研究：①宏觀與微觀相結合探討導電高聚物／磁性粒子復合的吸波機理；②材料的尺寸與種類的選擇、優化；③復合吸波材料的制備工藝與技術。

    4.寬頻輕質導電高分子吸收材料

    導電高分子材料（PA、PAn、PPy、PTh、PPV等）具有分子結構可設計、成本低、易合成、加工方便，同時又具有對不同頻率的微波產生吸收，且吸收頻段寬、密度小（1.0~2.0g/cm3）、熱穩定性好等特點，有望發展成為新型寬頻有機吸波材料。理論分析表明，控制材料顆料的尺寸在納米到亞微米之間（7nm～3μm），且具有片狀或管狀微觀形貌是改善雷達吸波材料的有效途徑，這就為導電高分子吸波材料的研制和發展帶來新的機遇。目前，通過選擇不同的合成方法和反應條件可制備出各種結構與形貌特點的納米-亞微米導電高分子材料（如納米粒子、納米線、納米捧、納米纖維、納米自組裝薄膜、納米層狀薄膜等），從而獲得輕質、寬頻的吸波性能[2]。MarcDiarmid研究發現2mm厚的導電聚乙炔（PA）薄膜對-35GHz的微波吸收率可達90％；法國LaurentOlmedo研究了聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PAn）、聚（3-辛基-噻吩）在0～20GHz內的微波吸收性能，發現吸波性能隨頻率的變化而變化，反射率平均值為-8dB，最大衰減可達到-48.5dB（-13.7GHz），且頻寬達到5.64GHz，而密度只有2.5kg/m3；同樣對聚（辛基-3-噻吩）研究發現，涂層厚度變大2～8mm，吸波反射率系數變小，且向低頻波段移動；Biscaro采用（PU／PAn）共混復合形成的涂料，涂覆在鋁板（120mm×120mm）上形成膜厚為1.8～2.1mm的涂層，然后測試吸波性能，最大的反射率R為-23.3dB，且隨摻雜劑CSA物質的量的不同，PAn含量不同，吸收峰和反射率R也不同。Faez用（PAn/EPDM）復合共混物壓制成橡膠吸波貼片，測試其吸波性能。試驗發現，摻雜劑、PAn與DBSA的物質的量的配比、PAn與EPDM的質量配比都會影響反射率R；在8～12GHz測試，厚度增大1～3mm，反射率R（-10GHz）由-28dB增大到-35dB；I~PAn-（DBSA）的質量分數不同（厚度為1.0mm），為30%、50%、80％，則其反射率R分別為-25dB（-8GHz）、-27dB（-9.5GHz）、-32dB（-10GHz）；當共混加工時間增加時，反射率R也增大（-25dB，10min，-37dB，35min）；同樣，共混加工時間相同，配比不同，則反射率R也不相同，這說明PAn含量及分布、摻雜劑含量及共混加工時間和工藝條件等都會顯著影響導電高分子橡膠貼片材料的吸波性能。采用熱壓成型技術制備（PAn/EPDM）復合共混物橡膠吸波貼片，弓形法測試（航天一院621研究所）表明，在2～18GHz頻段可設計制作輕質、寬頻導電高__分子聚苯胺吸波貼片，平均吸收可達到-10dB，且具有明顯的寬頻效應。同時，采用原位共混復合技術可制備無機導電高分子納米復合微波吸收材料，將具有金屬磁性損耗的超細羰基鐵顆粒（納米-亞微米）與導電高分子材料復合而形成一種新型輕質、寬頻、強吸收、涂層薄的涂層吸波材料使用。導電高分子磁性納米復合吸波材料由于集功能性導電高分子材料的特性與納米磁性粒子的特性于一身，具有性質多樣、應用面廣等特點，而成為吸波材料領域一個重要的研究方向。因此，不同摻雜態的導電高分子微波吸收材料可作為智能型寬頻雷達吸收劑材料在民用吸波材料和軍事隱身材料中獲得廣泛和重要的應用。

    5.新型輕質雷達吸波材料

    5.1 空心微珠吸波材料

    近年來，國外對空心微珠開展了較多研究，美國以3μm左右玻璃球為載體，鍍上以Ni、Al、W等為損耗層的10nm左右薄膜。當采用厚度為2nm的球形多層顆粒膜、在8～18GHz頻率范圍厚度為2.5mm時，吸收率可達-20dB。徐堅等采用化學鍍法，以AgNO3取代PdC12作為活性劑，利用H2PO2的還原性完成活化過程，制備了NiCoP合金包覆的空心微珠粉末，SEM分析表明NiCoP合金包覆在空心微珠表面。葛凱勇等利用化學鍍鎳對空心微珠表面進行鍍鎳改性，改性后的微珠表面均勻地附著金屬鎳，用其制備的吸波材料在16.6～18.0GHz波段吸收率小于-10dB，最大吸收率可達-13dB。

    5.2 碳納米管吸波材料

    碳納米管表現出優良的吸波性能，同時具有質量輕、兼容性好、吸波頻帶寬等特點，是新一代最具發展潛力的吸波材料。沈增民等用豎式爐浮游法制備的碳納米管的外徑為40～70nm，內徑為7～10nm，長度為50～1000μm，碳納米管呈直線狀，用化學鍍方法在碳納米管的表面鍍上一層均勻的過渡金屬鎳。碳納米管吸波涂層在厚度為0.97mm時，在8～18GHz，反射率小于-10dB的頻寬為3.0GHz，反射率小于-5dB的頻寬為4.7GHz。鍍鎳碳納米管吸波涂層在厚度為0.97mm時，反射率小于-10dB的頻寬為2.23GHz，反射率小于-5dB的頻寬為4.6GHz。曹茂盛等添加質量分數為8%的碳納米管的吸波材料在8～40GHz波段有明顯的吸收。隨著材料厚度的增加，吸收峰移到14GHz，吸收峰向低頻移動。厚度為5.5mm的吸波試樣，對應于頻率為10GHz的反射率為-8dB。碳納米管良好的吸波特性，意味著可以設計出既吸收厘米波又吸收毫米波的雷達波吸收材料。劉云芳等采用豎式催化裂化解法制備出碳納米管，然后采用KOH進行活化，使碳納米管的比表面積從24.5m2/g提高到360.1m2/g，而且碳納米管的各種類型的空結構都得到增加；微波吸收性能的研究表明，采用KOH進行活化碳納米管的吸收性能優于未活化碳納米管的吸收性能，活化還可以使碳納米管的微波吸收能力加強、吸收頻率寬化。

    5.3 導電高聚物吸波材料

    自20世紀90年代開始，美、法、日等國相繼開展了導電高聚物雷達吸收材料的研究，設想將其作為未來隱身戰斗機及偵察機的“靈巧蒙皮”及巡航導彈頭罩上的可逆智能隱身材料等。法國Iaruent研究了聚吡咯、聚苯胺、聚-3-辛基噻吩在0～20GHz內的雷達波吸收性能，發現吸波性能隨雷達波頻率變化而變化，平均衰減值為-8dB，最大衰減值可達到-36.5dB，且頻寬為3.0GHz。Wong等人成功地用化學氧化法在紙基質上制備大面積的聚吡咯膜，該膜具有很好的柔韌性，在雷達波X波段表現了極好的吸收性能和寬頻吸收特性，材料阻抗和吸波特性隨頻率和入射角的變化而變化。Franchitto等人利用十二烷基苯磺酸摻雜的聚苯胺與乙丙橡膠共混制成的復合材料，厚度3mm，在X波段反射率低于-6dB，峰值達到-15dB。導電高聚物作為一種新型的吸波材料，具有質量輕、力學性能好、組成與結構容易控制、導電率變化范圍很寬等特性，在電磁波吸收方面顯示出很強的設計適應性。在較早的研究中表明，單獨的導電聚合物材料吸收頻帶較窄，為適應未來的隱身材料高效、寬帶、質量輕、適應性強的特點，還需改善導電高聚物的磁損耗性能。Pant等人發現可以將導電高聚物與無機磁損耗物質復合來提高導電高聚物的磁損耗性能，使其兼具電損耗與磁損耗的性能，展寬吸收頻帶。遺傳算法可制備頻率在0.2~2.0GHz到0.2~8.0GHz的寬頻輕質吸波涂層。

    5.4 納米吸波材料

    由于納米材料在具有良好吸波特性的同時還具有頻帶寬、兼容性好、面密度低、涂層薄的特點，美、俄、法、德、日等國都把納米材料作為新一代隱身材料加以研究和探索。納米涂料指的是將納米粒子用于涂料中獲得具有某些特殊功能的涂料。一方面納米涂料在常規的力學性能如附著力、抗沖擊、柔韌性方面會得到提高，另一方面有可能提高涂料的耐老化、耐腐蝕、抗輻射性能。此外，納米涂料還可能呈現出某些特殊功能，如自清潔、抗靜電、隱身吸波、阻燃等性能。目前，用于涂料的納米粒子主要是一些金屬氧化物如TiO2、Fe2O3、ZnO等和一些納米金屬粉末，如納米Al、Co、Ti、Cr、Nd、Mo等以及一些無機鹽類如CaCO3和層狀硅酸鹽如一維的納米級黏土。納米隱身涂料（雷達波吸收涂料）指能有效地吸入雷達波并使其散射衰減的一類功能涂料。當納米級的羥基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末改性的有機涂料涂到飛機、導彈、軍艦等武器設備上，可使這些裝備具有隱身性能。其原理：一方面，納米超細粉末具有很大的比表面積，能吸收電磁波；另一方面，納米粒子尺寸遠小于紅外線及雷達波長，對波的透過率很大，因此不僅能吸收雷達波，也能吸收可見光和紅外線。在目前研究的納米粒子中，納米ZnO等金屬氧化物由于質量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強等優點，成為吸波涂料的研究方向之一。另據報道，美國研究的超細石墨粉納米吸波涂料，對雷達波的吸收率大于99%，其它金屬超細粉如Al、Co、Ti、Cr、Nd、Mo、18-8不銹鋼、Ni包覆Al也是很有潛力的吸波納米粉體。研究高性能、寬頻帶吸波涂料以展寬有效頻帶、實現多頻譜隱身效果，這是吸波涂料未來發展的主要方向。同時應研究各種新的吸收劑，探討新的吸波機理，以滿足吸波涂層所追求的“薄、輕、寬、強”的目標。美、法、日等世界軍事發達國家在納米隱身材料的研究方面已取得長足的進展，目前正在研究覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的多頻譜納米復合隱身材料。我國對納米隱身材料的研究雖然取得了一定的成效，但應繼續加大這方面的研究和投入[6]。5.5智能型隱身材料智能型隱身材料屬于一種具有感知、信息處理及自適應功能，并對信號能做出最優響應的功能材料系統或結構。表面噴涂了智能型隱身材料膜層的飛行器可自動檢測出并改變其表面溫度、控制紅外輻射特征，它為雷達吸波材料的設計提供了一種全新的途徑。目前這種新研制開發成的智能型隱身材料和結構，皆已在軍事和航空航天領域內得到日益廣泛的應用。目前已應用于飛行器與天線融合的智能蒙皮、用于潛艇的吸聲智能蒙皮及可根據作戰環境變化自動保持一致的光隱身蒙皮等。同時這種能根據作戰環境變化自動地調節自身的結構與性能，并能對作戰環境作出最優響應的設想，亦為隱身材料及其結構的設計提供了一種嶄新的途徑，使智能隱身目的得以實現。美國于2005年研制出可單獨控制輻射率/反射率的涂層，2010年將會研制出能自動地對作戰背景及威脅作出及時反應的自適應涂層體系。其它世界軍事強國亦不遺余力地進行各種有效的運作。美海軍正在研究利用智能隱身材料制造能抑制發電機噪聲外傳的智能結構發電機罩；美空軍提出直升機旋翼采用智能隱身材料的方案，隱身能力可提高20倍。目前開展的智能隱身材料的研究主要集中在以下幾個方面：智能蒙皮、雷達波智能隱身、紅外及可見光智能隱身。美國是最早研究智能隱身材料的國家之一，西屋公司從事智能飛機蒙皮的研究是用嵌入蒙皮的共形系統來代替天線和黑箱，與常規的飛機雷達天線相比，共形系統的優點是它可以安裝在飛機上像翼尖這樣通常難以安裝的部位，通過定向操作達到隱身的目的。目前美國空軍正在研究采用光纖傳感器作隱身飛機靈巧蒙皮，其方法是在光纖靈巧蒙皮內嵌入保型雷達、導航設備、目標搜索和各種傳感器件，使光纖數字電路遍布飛機機翼內，這種戰斗機不僅可以隱身，而且靈敏度高，易操作。智能隱身材料的應用降低了電子系統本身的質量和成本，智能光纖代替傳統的銅線減少至少80%的質量。用智能纖維增強的聚合物作隱身的結構材料，不僅降低了雷達的散射截面，同時把飛機的質量也減輕了50%。

    6.結語

    隨著探測系統性能的提高和種類的增多，武器裝備面臨的戰爭威脅更加惡劣，對其隱身性能的要求更高，相應的對目標雷達特征抑制的主要手段之一的雷達隱身材料提出了更高的要求。傳統的雷達隱身材料已經很難滿足隱身材料“薄、輕、寬、強”的要求，空心微珠吸波材料、碳納米管吸波材料、導電高聚物吸波材料、納米吸波材料和智能隱身技術由于質輕以及其特殊的吸波性能，將是今后的重點研究發展方向。