最后更新于:2020 六月 26日 , 星期五 , 14:54 下午

隐身涂料是什么?它能让飞机隐身的原理是什么?它是如何制备?发展过程和发展方向是什么?


隐身涂料(stealth material)

隐身涂料是指通过涂装降低物体可被识别特征的涂料,用于降低目标可探测性,提高生存能力。隐身涂料是涂料家族的神秘一员。它并不是科幻作品中的“隐身”,而是军事术语中指控制目标的可观测性[1]或控制目标特征信号的技巧和技术的结合。[2]


简介:

隐身材料是隐身技术的重要组成部分,在装备外形不能改变的前提下,隐身材料(stealth material)是实现隐身技术的物质基础。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、箭弹上的应用,将成为国防高技术的重要组成部分。对于地面武器装备,重点在于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,重点在于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。


**主要原理:**降低目标表面的反射系数,以降低被探测率。

**作用对象:**雷达、红外、可见光、激光等

**分类:**隐身材料按频谱可分为声、雷达、红外、可见光、激光隐身材料。按材料用途可分为隐身涂层材料和隐身结构材料。这里便着重介绍几类重要的隐身材料。[3]


部分隐身材料介绍

1.雷达吸波材料(RAW)

雷达吸波材料是最重要的隐身材料之一,它能够吸收衰减入射的电磁波,并通过吸收剂的介电振荡、涡流以及磁致伸缩,将电磁能转化成热能而耗散掉或使电磁波因干扰而消失,使反射波减弱甚至不反射雷达波,从而达到隐身的目的。

雷达吸波涂料主要包括磁损性涂料、电损性涂料。

(1) 磁损性涂料

制备:磁损性涂料主要由铁氧体等磁性填料分散在介电聚合物中组成。这种涂层在低频段内有较好的吸收性。

美国Condictron公司的铁氧体系列涂料,厚1mm,在2~10GHz内衰减达10~12dB,耐热达500℃;Emerson公司的Eccosorb Coating 268E厚度1.27mm,重4.9kg/m2,在常用雷达频段内(1~16GHz)有良好的衰减性能(10dB)。磁损型涂料的实际重量通常为8~16kg/m2,因而降低重量是亟待解决的重要问题。

(2) 电损性涂料

电损性涂料制备:通常以各种形式的碳、SiC粉、金属或镀金属纤维为吸收剂,以介电聚合物为粘接剂所组成。这种涂料重量较轻(一般可低于4kg/m2),高频吸收好,但厚度大,难以做到薄层宽频吸收,尚未见纯电损型涂层用于飞行器的报道。

90年代美国Carnegie-Mellon大学发现了一系列非铁氧体型高效吸收剂,主要是一些视黄基席夫碱盐聚合物,其线型多烯主链上含有连接二价基的双链碳-氮结构,据称涂层可使雷达反射降低80%,比重只有铁氧体的1/10,有报道说这种涂层已用于B-2飞机。

2.红外隐身材料

红外探测是仅次于雷达探测用得较多的探测手段之一。 它通常是以被动式进行,利用目标自身发出的红外线来发现、识别和跟踪目标。

**红外隐身原理:**降低或改变目标的红外辐射特征从而实现目标的低可探测性。通过改进结构设计和应用红外物理原理来衰减、吸收目标的红外辐射能量,可使红外探测设备难以探测到目标。

材料的红外辐射特性决定于材料的温度和发射率。红外隐身材料也可相应分为两类:控制发射率的材料和控制温度的材料。红外隐身涂层具有低发射率,高反射率,在红外线辐射频段才有良好的隐身效果。

**制备:**红外隐身涂料的构成一般由填料和黏结剂两部分组成。

目前用于热红外隐身涂料配方中的填料大致分为如下几类:金属填料、着色填料、半导体填料等。

黏结剂分为有机和无机两大类,其中以有机黏结剂种类最多,目前可用于红外隐身涂层的黏结剂有氯化聚苯乙烯、丁基橡胶等。从发展趋势看,实用性能较大的是以聚乙烯为基本结构的改型聚合物。

红外隐身涂料工艺简单,施工方便,坚固耐用,成本低廉,是目前隐身涂料中最重要的品种。它是指用于减弱武器系统红外特征的信号已达到隐身技术要求的特殊功能涂料,其主要针对红外热像仪的侦查,旨在降低飞机在红外波段的亮度,掩饰或变形装备在红外热像仪中的形状,降低其被发现和识别的概率。红外隐身涂料的主体树脂是单组分橡胶树脂,其与过氯乙烯涂料、环氧铁红底漆、聚氨酯涂料具有良好的配套性。

单一型红外隐身材料:

导电高聚物材料重量轻、材料组成可控性好且导电率变化范围大,作为单一红外隐身材料使用的前景十分乐观,但由于其加工较困难且价格相当昂贵,除聚苯胺外尚无商品生产。

E. R. Stein等人研究发现,导电聚合物聚吡咯在 1.0~2.0GHz 对电磁波的衰减达26dB。中科院化学所的万梅香等人研制的导电高聚物涂层材料,当涂层厚度在10~15μm 时,一些导电高聚物在8~20μm 的范围内的红外发射率可小于0.4。

复合型红外隐身材料:

(1) 涂料型隐身材料

涂料型红外隐身材料一般由粘合剂和填料两部分组成。填料和粘合剂是影响红外隐身性能的主要因素,相关研究大多针对热隐身。

(2) 多层隐身材料

多层隐身材料中最常见的是涂敷型双层材料。一般有微波吸收底层和红外吸收面层组成。德国的 Boehne研制了一种双层材料,底层有导电石墨、碳化硼等雷达吸收剂 ( 75%~85%) , Sb2O3 阻燃剂( 6%~8%) 和橡胶粘合剂( 7%~18%) 组成,面层含有在大气窗口具有低发射率的颜料。

(3) 夹芯材料

夹芯材料一般由面板和芯组成。面板一般为透波材料,芯为电磁损耗材料和红外隐身材料。

3.激光隐身涂料

背景:20 世纪 80 年代以来,隐身技术特别是雷达和红外隐身技术的发展已经达到了一个很高的水平。如美国研制开发的低可探测飞机(Low ObservableAircraft)F-117 隐身攻击机,B-2 隐身轰炸机在雷达隐身和红外隐身方面已经做得非常好了。但是随着激光技术的飞速发展,激光技术在武器装备等方面的应用日益增多。

原理:

激光隐身过程与雷达隐身过程相类似,主要是降低目标表面的反射系数,减小激光探测器的回波功率,降低激光探测器的性能,使敌方不能或难以进行激光探测,以达到激光隐身的目的。

从微观能量上看,物质对激光的吸收过程是物质与电磁波的作用过程,在此过程中,光子的能量转化为电子的动能、势能,或分子(原子)的振动能和转动能。

实现激光隐身技术的途径主要有外形技术和材料技术,其中外形技术是通过目标的非常规外形设计降低其雷达散射截面 (LRCS);而材料技术是采用能吸收激光的材料或在表面上涂覆吸波涂层使其对激光的吸收率大,反射率小,以达到隐身的目的。因为外形设计只能散射 30% 左右的雷达波,且很难找到 LRCS与气动力学俱佳的外形,因此要彻底解决隐身问题,还是要靠隐身材料来实现。

激光隐身材料主要包括激光吸收材料、导光材料、透射材料三大类型。其中透射材料是让激光透过目标表面而无反射。从原理上,透光材料后应有激光光束终止介质,否则仍有反射或散射激光存在。导光材料是使入射到目标表面的激光能够通过某些渠道传输到其它方向去,以减少直接反射回波。这两种隐身功能材料作为激光隐身材料,实现难度较大。

随着多波段探测和制导技术的不断发展,隐身技术对涂料的要求除了红外与雷达外,还应包括涂料的可见光性、激光波吸收性能等。

因此,探索新技术、新方法、积极开展新的隐身机理和新型多功能隐身材料的研究,特别是新型涂敷行多功能、多频谱兼容的隐身材料是新的研究热点和难点。

4.可见光隐身涂料

可见光隐身涂料又称视频隐身技术,弥补了雷达隐身和红外隐身的不足,它针对人的目视、照相、摄像等观测手段而采取的隐身技术,其目的是降低飞机本身的目标特征,较少目标与背景之间的亮度、色度和运动的对比特征,达到对目标视觉信号的控制,以降低可见光探测系统发现目标的概率。可见光隐身涂料通常采用迷彩的方法使飞机隐身,如保护迷彩、仿造迷彩、变形迷彩。一种可见光隐身是伪装遮障,遮障可模拟背景的电磁波辐射特性,使目标得以遮蔽并与背景相融合,是固定目标和运动目标停留时最主要手段,而迷彩涂料是这种技术应用的重要组成。总而言之,可见光隐身涂料应用广泛,使用方便、经济,是飞机隐身涂料发展中比较成熟的技术。

举例:红外隐身服

美国特立屈公司( TeledyncIndustr ies Inc)设计出一种红外隐身效果较好的隐身服,它由多层涂层织物复合加工而成。基布采用多孔尼龙网,并在表面镀银,再在基布上粘贴具有不同红外发射率的布条,布条的一端可以自由飘动,同时控制布条表面涂层面积的大小和形状。这种隐身服可以与背景保持一致,从而保证人体的红外特性难于被红外探测器探测到。

5.纳米复合隐身材料

纳米复合隐身材料的隐身机理:

由于纳米材料的结构尺寸在纳米数量级,物质的量子尺寸效应和表面效应等方面对材料性能有重要影响。隐身材料按其吸波机制可分为电损耗型与磁损耗型。电损耗型隐身材料包括SiC粉末、SiC纤维、金属短纤维、钛酸钡陶瓷体、导电高聚物以及导电石墨粉等;磁损耗型隐身材料包括铁氧体粉、羟基铁粉、超细金属粉或纳米相材料等。下面分别以纳米金属粉体(如Fe、Ni等)与纳米Si/C/N粉体为例,具体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。

纳米Si/C/N粉体的吸波机理与其结构密切相关。M.Suzuki等人对激光诱导SiH4+C2H4+NH3气相合成的纳米Si/C/N粉体,提出Si(C)N固溶体结构模型。其理论认为,在纳米Si/C/N粉体中固溶了N,存在Si(N)C固溶体,而这些判断也得到了实验的证实。固溶的N原子在SiC晶格中取代C原子的位置而形成带电缺陷。在正常的SiC晶格中,每个碳原子与四个相邻的硅原子以共价键连接,同样每个硅原子也与周围的四个碳原子形成共价键。当N原子取代C原子进入SiC后,由于N只有三价,只能与三个Si原子成键,而另外的一个Si原子将剩余一个不能成键的价电子。由于原子的热运动,这个电子可以在N原子周围的四个Si原子上运动,从一个Si原子上跳跃到另一个Si原子上。在跳跃过程中要克服一定势垒,但不能脱离这四个Si原子组成的小区域,因此,这个电子可以称为“准自由电子”。在电磁场中,此“准自由电子”在小区域内的位置随电磁场的方向而变化,导致电子位移。电子位移的驰豫是损耗电磁波能量的主要原因。带电缺陷从一个平衡位置跃迁到另一个平衡位置,相当于电矩的转向过程,在此过程中电矩因与周围粒子发生碰撞而受阻,从而运动滞后于电场,出现强烈的极化驰豫。

纳米复合隐身材料的复合新技术

运用复合技术对不同的吸波材料进行纳米尺度上的复合可得到吸波性能大为提高的纳米复合隐身材料。近年来,纳米复合隐身材料的制备新技术发展十分迅速,新的复合技术主要包括以下几种:

(a)以在材料合成过程中于基体中产生弥散相且与母体有良好相容性、无重复污染为特点的原位复合技术。

(b)以自放热、自洁净和高活性、亚稳结构产物为特点的自蔓延复合技术。

(c)以组分、结构及性能渐变为特点的梯度复合技术。

(d)以携带电荷基体通过交替的静电引力来形成层状高密度、纳米级均匀分散材料为特点的分子自组装技术。

(e)依靠分子识别现象进行有序堆积而形成超分子结构的超分子复合技术。

材料的性能与组织结构有密切关系。与其他类型的材料相比,复合材料的物相之间有更加明显并成规律化的几何排列与空间结构属性,因此复合材料具有更加广泛的结构可设计性。纳米隐身复合材料因综合了纳米材料与复合材料两者的优点而具有良好的对电磁波的吸收特性,已经成为材料学研究的热点之一。

6.其它隐身材料:

电路模拟隐身材料

该技术是在合适的基底材料上涂敷导电的薄窄条网络、十字形或更复杂的几何图形,或在复合材料内部埋入导电高分子材料形成电阻网络,实现阻抗匹配及损耗,,从而实现高效电磁波吸收。这种材料能在给定的体积范围内产生高于较简单类型吸波材料的性能。但对每一种应用, 都必须运用等效电路或二维周期介质论在计算机上进行特定的匹配设计,而且涉及计算比较麻烦。

手征隐身材料

所谓的手征是指一个物体无论通过平移或旋转都不能与其镜像重合的性质。研究表明,,手征材料能够减少入射电磁波的反射并能够吸收电磁波。在基体中掺杂手征结构物质还可形成手征复合材料。

红外隐身柔性材料

这种材料是指以织物为中心开发的各种红外隐身材料, 常常以高性能纤维织物为基础。

研究前景展望

军事探测和制导技术的发展促使了隐身材料的发展,从最早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没有间断过。无论哪种隐身材料,今后的发展趋势都向着质轻、带宽、高效、耐久的方向发展。而且,随着多模技术的发展,传统具有单一隐身功能的材料已经无法同时躲避多种探测手段的围攻,因此多波段兼容的隐身材料也是未来的发展趋势。

当前,武器装备的发展呈现出**“精确化、隐身化、信息化”**的特点,世界各军事强国均投入了大量财力物力发展隐身技术,从国内外当前研究热点来看,隐身材料有如下几个重点的发展方向。

1.实用化

为保障飞行器隐身性能,其所用隐身材料,特别是隐身涂层的施工、维护十分重要。如 B-2 隐身轰炸机早期所用隐身涂层,每飞行小时至少需要 50 h维护,维护效率低、成本高,大大影响了作战效能。因此美国在研发和提高隐身材料性能的同时,对隐身材料的实用化也进行了大量研究,包括飞机用隐身涂层喷涂、修补、去除以及现场性能检测等工艺技术。近年来,美国开发了一种由机器人喷涂的替代性高频材料( AHFM) ,用于替代B-2上原先为填补飞机外表面缺陷所使用的 3 000 多英尺吸波带( 如维护口盖附近的吸波带) ,从而极大地简化了B-2的维护工作,使维护时间从数天减至数小时。

2.轻质化

降低质量可以增加飞行器射程和提高有效载荷,相对于其他武器装备而言,质量轻量化对于飞行器而言意义更为重大,因此轻质隐身材料一直是其发展的主题和重点。

3.多频谱

战场探测系统的多频段性对隐身材料提出了多频段兼容的要求。从 20 世纪 80 年代以来,国外就开展这方面的研究,并陆续取得了一些成果。据报道,F- 117A 采用了一种加有改性碳分子的涂层,不仅可以吸波,还能抑制 3 ~ 5 μm 及 8 ~ 12 μm 红外波的辐射;美国已在其战略导弹弹头上采用了雷达/红外多频谱隐身材料,用于弹头的中段和再入初期隐;俄罗斯的“白杨 - M”弹头采用了吸收雷达波和降低红外特征的材料,实现了雷达隐身与红外隐身一体化。

4.多功能

战场环境复杂多变,武器系统除面临探测威胁外,还可能面临各种高温、核等恶劣环境。因此,对单一隐身涂层提出了多功能的要求,如隐身-防热、隐身-抗核加固、隐身-抗激光加固等。国外的多功能材料研究始于 20 世纪 70 年代,如美国研究了防热、隐身、抗核一体化的功能防热材料,近年来的国际交流中也发现俄方在多功能隐身材料上开展了很多的研究工作,并已在弹头上得到应用。

5.智能化

智能隐身材料是新一代的隐身材料技术,具有感知、信息处理,自我指令并对环境信号作出最佳响应的功能,为实现武器系统的智能隐身提供了可能,具有重大的军事应用价值。

6.耐高温

超声速巡航飞行器飞行过程中,弹体外表面热平衡温度达到 600℃以上,用于弹体外表面的隐身材料必须具有耐高温、防热、隔热功能,因此研制耐高温隐身材料尤为重要和急迫,也是后续飞行器隐身材料发展的主要方向之一。

随着科学研究的不断深入,新的隐身涂料将不断问世。由于高度的军事敏感性和技术保密性,使得隐身涂料的发展与应用处于迷雾中,同时,各种反隐身技术和手段正在积极发展之中。隐身和反隐身技术的竞争必将成为新世纪军事斗争的亮点。


顺便看几架飞机

歼-20战斗机
FC-31鹘鹰战斗机
F-22猛禽战斗机
F-35闪电II战斗机
B-2幽灵战略轰炸机
F-117夜鹰战斗攻击机

参考资料:



本博客所有文章除特别声明外,均采用 CC BY-SA 3.0协议 。转载请注明原作者及出处!

民国刺客柳白猿 上一篇
Jade6导入PDF卡片库遇到的问题 下一篇

 目录

既见君子 云胡不喜