隐形材料在军事中的应用1资料

1、皖西学院本科毕业论文（设计）隐身材料在军事中的应用作 者：指导老师：摘要：伴随着科技的发展和社会的进步，隐形材料已经越来越广泛的应用于军事和科技中。根据隐形材 料的原理，隐形材料可以大致分为吸波和透波隐形材料。隐形材料主要用于军事中，隐形飞机主要的原理 分三点，形隐，吸波图层，红外隐身。而隐身材料的发展是伴随着军事探测和制导技术不断发展而发展的， 从起初的可见光隐身材料到现在的激光隐身材料，隐身材料的研究和发展一直在不断进行着。无论哪种隐 身材料，今后的发展趋势都向着质量轻、频带宽、高效率、使用耐久的方向发展。并且，随着科技的不断 进步，以往的那种单一隐身材料已经无法躲避复杂的探测手段了，因此

2、多波段兼容的隐身材料也将会成为 未来的发展趋势。关键字：隐形材料；吸波原理Application of stealth materials in the militaryAbstract: With the developme nt of scie nee and tech no logy and the progress of the society, con tact material has bee n more and more widely applicati on and military and tech no logy. Accord ing to the prin ciple

3、 of con tact materials, con tact materials can be roughly divided in to absorb ing and tran spare nt stealth materials. Stealth material is mainly used for military, stealth aircraft main principle is divided into three points, letters, absorbing layer, i nfrared stealth. While the developme nt of s

4、tealth materials is accompa nied by the developme nt of military detecti on and guida nce tech no logy, from the beg inning of visible light stealth material to the laser stealth stealth materials, research and development of materials for has been ongoing. No matter what kind of stealth materials,

5、the future developme nt trend towards the light quality, wide freque ncy band, high efficie ncy, durable use directi on. And, with the progress of scie nce and tech no logy, the sort of sin gle stealth materials have bee n un able to escape the detection method of complex, therefore multispectral co

6、mpatible camouflage materials will become the developme nt trend of the futureKey words: stealth material ; Absorbing principle引言：在无线电技术和雷达探测技术飞速发展的今天，电子和通信设备已经向着灵敏、密集、 高频率和多样化的趋势发展，这不仅仅引发电磁波干扰、电磁污染，更为重要的是导致电磁 信息泄漏，军用的电子设备的电磁辐射极有可能成为对方侦察的渠道。为消除以及降低导弹 阵地的电磁干扰、减少阵地的电磁泄漏，需要大大提高军事在未来战争中的抗电磁干扰和生 存能力。高放能、

7、宽频带的电磁波吸波、屏蔽材料的研究开发影响巨大。而吸波材料作为当 今时代的一种重要的军事隐身功能材料，按其材料的吸波损耗原理可分为电阻型、电介质和 磁介质型三种。其基本理论原理就是：材料本身对于入射的电磁波进行有效利用和吸收之后， 会将电磁波能量转化为热能或其他形式的能量，最终排除出去。这种材料会具备两种特性， 首先是波阻的抗匹配性（波阻抗匹配特性即为入射电磁波在材料表面的反射系数最小，从而 尽最大概率的从表面进人介质内部）；其次就是衰减的特性（衰减特性是指进入材料内部的电 磁波被迅速“消化”掉），耗损的大小情况可用电损耗因子和磁损耗因子来表示。最后，对于 单一组元的吸收体，阻抗匹配和强吸收之

8、间会存在矛盾，所以有必要进行材料的多元复合， 以达到调节电磁参数，使它尽可能在匹配条件下，提高吸收损耗能力的目的。吸波材料的性 能差异与否，主要取决于两个方面，一是吸波剂的损耗，二是吸收能力的强弱。因此，我们 在研制吸波材料的重点之一就在于吸波剂的研发。1隐形材料的定义隐身材料（即电磁吸波材料）是实现武器隐身的物质基础，最早的应用是在军事的隐身 技术中。武器使用隐形材料，不但可以极大的提高生存率，还可以大大的增加其原有的攻击 性能，获得最直接的军事效益。因此隐身材料的发展，在飞机、主战坦克、舰船、箭弹上应 用与否，未来将成为国防高技术的重要组成部分。2隐形材料的分类根据材料隐身的原理，吸波材料

9、主要可以分为吸波和透波两种材料。按其功能的不同可划分为：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、声纳隐身材料以及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，吸波材料可以分以下几类：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

10、土元素吸波材料。2.1 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的回复波强度显著减少的 技术。形隐身只能通过改变目标 RCS（雷达散射截面）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来决定，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抉择。同时兼具磁损耗和电损耗的吸 波材料才是未来科

11、技发展的走向。2.2 纳米隐身材料纳米材料是指材料组分的特征尺寸限制于纳米量级的材料。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：一是纳米材料的界面组元占有比例大，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 频带变宽；二是纳米微粒尺寸极小，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.OIeVO.OOOIeV）内，为纳米材料创造了新的吸波通道；三是纳米材料中的原子和电子在微波场中的辐射，材料的原子和电子

12、运动加剧，促使磁化，通过电磁能转化成热能，增强了 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；四是 纳米隐身材料具有质量轻、厚度薄、吸收频带宽、兼容性好等特点。添加了纳米材料的隐身 涂料，具有吸波性能强、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；五是由于纳米微粒有较高的矫顽力，磁滞损耗较多，能够较好的将吸 收的雷达波信号转化为其他形式的能量消耗掉。纳米吸波材料因为其良好的吸波性能受到了世界范围的广泛关注，目前研究表明，纳米 吸波材料的性能是频段多、频带宽、吸收强及质量轻等，无论是在军事还是民用方向上都体 现了重要的意义。3隐

13、身材料的应用隐身材料的主要应用是在军事方面， 在2OO3年的伊拉克战争中，美军派出了各种飞机作 战，包括战斗机和轰炸机，运输机以及直升机等等。B-1B、B-52II和B-2 （见图1 ），F-117等也包含其中。B-2是美军最先进的战略隐形轰炸机，也是世界上唯一实战部署的隐形轰炸 机。在这次战中中，B-2曾经多次参与空中作战。图1美国B-2隐形轰炸机3.1 隐形飞机“隐形”的原理隐形飞机之所以能“隐身”，主要是通过减少电、光、声音等一些可以被探测或者发现的 信号,使雷达等防空探测器不能够早期发现来实现的。为了削弱飞机的这些性征，飞机的设计对于外形来说采用了非常规的办法，消除小于或等于90。的外

14、形夹角，而发动机的气口，则一 般都设置于机身背部或者机翼上，采用矩形设计并朝上翻。2个垂直尾翼均向外斜置，机翼同 机身融为一体，使飞机对所有入射雷达波形成一种镜面反射，减小雷达回波。而对于材料的使 用,主要采用吸波性能好频带宽耐热的复合材料，并在表面涂覆放射性同位素涂层，通过同位素放射高能粒子，使周围空气形成等离子屏障。在离子与电磁波相互作用过程中，吸收雷达波和红外辐射，整机雷达反射面降到1平方米以下。即使这一点反射，也因通过等离子体的绕射、 散射而造成雷达测量上的误差，从而达到“隐身”的效果。3.2 隐形飞机的隐形方法3.2.1 外形这个原理很容易理解，若你拿起一面镜子，对着自己，如果你可以

15、看见自己，那么说明 这个波被按照原路返回了。那么对于雷达来讲呢，这就是飞机被发现了。但是如果把镜子的 角度稍微转换一下，就会看不见自己，说明这个波被偏转走了，没有原路返回，相对于雷达 来说这个波发射出去，没能原路回到接收机上，那雷达就无法发现隐形飞机了；所以我们知 道的隐身飞机，例如B-2的样子，都是奇特的。3.2.2 吸波涂层第一种反射的方法有一个致命的缺点，就是雷达对于飞机的位置要固定，不能变化。同 样采用镜子来说，虽然偏转了一个角度，你在目前的位置看不到自己了，但是如果你稍微换 个位置，就又可以看到自己了，这时的隐形偏转就失灵了。所以飞机还会涂上一层特殊材料 的涂层，这种涂层可以将入射到

16、自己身上的波几乎全部的吸收掉，而不是偏转或者反射回去，这样一来雷达会因为接受不到返回波而探测不到物体的位置。可是从我们日常的收音机可以 发现，收音机一般都分为FM和AM两个不同的波段，这是因为电磁波不同的波长特性是不一 样的，所以，这样一种隐身涂层也不是万能的，他只能针对特定的波长吸收，对于不在这个 波长段里的雷达波，它一样无效，还是会被发现；3.2.3 红外隐身对于飞机来说，其发动机就是个巨大的热源，非常烫，这样一来，飞机在很远的地方就 会被红外探测装置所抓获。为此，隐身飞机会把喷出的气体提前和周围的空气进行融合；或 者干脆将喷口的位置换到飞机的背上，用飞机自己的机体挡住这个喷口，以便红外特

17、侧不容 易发现来降低红外探测的距离。同样的，这个降低也是有限度，比如原来温度是900度，现在混合一下，也最多降低到500度，相对于背景温度的几十度甚至零下几十度来说，还是很明显。所以它也只能是降低红外线的探测距离，而不是完全探测不到。4隐身材料的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。4.1 材料吸收电磁波的基本条件首先，电磁波射入材料时能最大限度的进入材料内部（匹配特性）；再则，进入材料内部的电磁波能快速衰减掉（衰减特性）。想要实现这两点的办法是：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

18、阻抗Zo,垂直投射到阻抗为Zi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Zi=Zo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。R=（1-Zi/Zo）/（1+Zi/Zo）（1）Zo= . Jo/ ；oZ仁 ZOr1/1（2）4.2 纳米吸波材料的隐身机理根据吸波机理的不同，纳米稀薄隐身材料主要可以分为两大类：电损耗和磁损耗型。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

19、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降低，但磁化率和矫顽力急剧上涨。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。4.3 雷达隐身材料的隐身机理雷达很早就应用于军事上，作为探测敌方信息的工具，因此它的隐身自始至终都受到人 们的关注，而且

20、对于其的研究也从未终止过。雷达探测的机理主要是向一定的空间发射高频 的探测波，当这种发射波碰到物体时就会反射回去部分波，通过接收方接收到的部分波就能 判定反射物的方位。如果能够极大的减少反射波的能量，一直与反射的信号无法被接收，那就对于雷达的隐身目的就达到了。对于目标雷达隐身效果的表征方式有很多，而最常用用来表示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Pi,经过目标后反射回来的电磁波功率为Pr，那么功率反射率就为 R =Pr/Pi，很明显雷达隐身要求此反射 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=101gR。这样, 由于功率反射率全部小

21、于1,所以R为负值。因此，对于一定的目标物，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。5国内外研究现状与应用5.1国内研究现状吸波材料的开发和应用是隐身技术发展的重要精髓，是军用建筑物用来实现隐身的基础。 目前国内的研制水平同国外还是具有很大的差距，还存在面密度高、柔韧性差、附着力低等 问题，因此，还需要探究新的吸波材料，探讨新的吸波机理以满足吸波材料所追求的“轻、 薄、强、宽”的目标。5.2 国外研究现状国外隐身材料和技术的研究是源始于第二次世界大

22、战的德国，发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯等先进国家。目前，美国在这项领域的研究水平已经领先于世界各国。在航空领 域，许多国家都已成功地将隐身技术应用于飞机的隐身；在常规兵器方面，美国对坦克、导 弹的隐身也已开展了不少工作，并陆续用于装备，如美国M1A1坦克（见图二）上采用了雷达波和红外波隐身材料，前苏联 T- 80坦克也涂敷了隐身材料。aqm-137导弹（见图三）也采 用了隐身材料。图2美国M1A1主战坦克近年来，国外在不断研究和改良传统材料的同时，正在致力于其他新材料的探索。晶须材料、纳米材料、陶瓷材料、手性材料、导电高分子材料等逐步应用于雷达波和红外隐身材料，使 涂层更加薄，质量更加轻。

23、纳米材料因其具有极好的吸波特性，同时具备了宽频带、兼容性 好、厚度薄等特点，国外部分国家已经把其作为新一代的吸波材料在研制与开发；80年代中期面向兵器系统毫米波的研究在国内起步。通过不断的努力，预研工作取得了较大进展，该 项技术可用于各类地面武器系统的伪装和隐身，如主战坦克、155毫米先进加榴炮系统及水陆两用坦克。目前，第四代超音速飞机已经在世界范围开始研制，其机体是由复合材料、翼身融合体 和吸波涂层构成的，真正意义上具有了隐身功能，而电磁波吸收型涂料、电磁屏蔽型涂料已 开始在隐身飞机上覆盖；美国和俄罗斯的地对空导弹正在使用质量轻、频带宽，吸收性能强、 热稳定性好的隐身材料。可以预见，隐身技术

24、的研究和发展已经成为世界各国国防的重要课 程之一。图3美国aqm-137号导弹6研究发展趋势与展望传统的隐形材料在于强调衰弱和减少信号，而新型的材料则主要采用的是复合技术，突 出低成本、零污染、重量轻、频带宽和实用性能强的特点，能够适应不同的环境变化和场合 的要求，因而需要研制和开发新一代电磁屏蔽材料，探索宽频带、电磁参数频散效应不敏感 的新型损耗型介质，将成为今后研究发展的方向。传统吸波材料重点在于强大的吸收性能，但存在很多问题，比如频带窄、效率低、密度大等，于是应用程度受到一定的限制。如今，新型的吸波材料四大特性：“薄、宽、轻、强”，同时呢，还应该满足耐高温，抗辐射，应用地域广等更高的要求。为此，磁和电的统一是未 来吸波材料的研究方向。磁性高分子微球和导电聚合物的复合有