關于吸波材料的分析論文

1、一、引言將電磁波轉換為其他形式的能量(如機械能、電能和熱能)而消耗掉，可用于隱身目的的材料稱為隱身吸波材料。隱身技術是指在一定探測環(huán)境中控制、降低各種武器裝備的特征信號，使其在一定范圍內難以被發(fā)現(xiàn)、識別和攻擊的技術。由于隱身技術能極大地提高武器的生存能力和作戰(zhàn)效果，受到許多國家的高度重視，成為集陸、海、空、天四位一體的立體化現(xiàn)代 戰(zhàn)爭中最重要、最有效的突防戰(zhàn)術技術手段，成為現(xiàn)代軍事研究的關鍵技術。隨著電子對抗技術的不斷發(fā)展，未來戰(zhàn)爭的各種武器將面臨巨大的威脅，提高武器系統(tǒng)的生存能力及突防能力是現(xiàn)代武器研制的重點。隱身技術作為提高武器作戰(zhàn)效能的一種有效手段，與激光、巡航導彈并稱為當今軍事技術的三

2、大革命。隱身技術自從問世以來，在戰(zhàn)斗機、導彈和艦船等主要作戰(zhàn)武器系統(tǒng)上的應用都得到了較大的發(fā)展。短短幾年的時間，隱身技術的研究及其應用又獲得了突破性進展。它的應用范圍又得到很大擴展，已波及到水雷、機車、工事、戰(zhàn)車等領域。美國的飛機隱身技術處于世界領先地位，其杰出代表是F-117A隱身攻擊戰(zhàn)斗機、B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機和 F-22先進戰(zhàn)術戰(zhàn)斗機。其中F-117A隱身攻擊戰(zhàn)斗機是美國空軍第1種服役的隱身戰(zhàn)斗機。在海灣戰(zhàn)爭中，F(xiàn)-117A隱身戰(zhàn)斗攻擊機的出色表現(xiàn)和令人吃驚的戰(zhàn)果，使得隱身技術更進一步受到世界軍事強國的重視，成為引人注目的高技術武器系統(tǒng)。F-117A曾被稱為“黑色噴氣機”，原因是機體表面

3、幾乎全部涂覆了黑色的雷達吸波材料。B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機外表面涂覆有一種具有不同厚度的韌性隱身涂層。這種涂層是導電的，每5年要更換一次，在B-2轟炸機的整個壽命期內，將這種涂層剝除并重新涂覆大約要進行4次，以保證它的隱身特性。B-2轟炸機大量采用了吸波復合材料，如機身表面的大部分由吸波的碳纖維蜂窩夾層結構制成。外翼的蒙皮及梁大多采用碳纖維/環(huán)氧復合材料。F-22是是美國洛克希德馬丁與波音公司為美國空軍研制的 21世紀初主力重型戰(zhàn)斗機， 在美國空軍武器裝備發(fā)展中占有最優(yōu)先的地位。F-22的隱身性能是 采用了更先進、更成熟的隱身材料技術：大量采用了復合材料結構，復合材料占整個結構重量的26%。在當前

4、戰(zhàn)爭中，雷達仍是探測目標的最可靠方法之一。目前，針對雷達的隱身技術途徑主要是利用雷達吸波材料對雷達波進行吸收或是減少對它的反射。所以各國普遍重視對吸波材料的研究與開發(fā)，它的發(fā)展及使用對未來戰(zhàn)爭的勝敗將具有很大的意義。二、吸波原理雷達吸波材料簡稱為吸波材料，吸波材料是指能吸收投射到它表面的電磁波能量，并通過材料的介質損耗使電磁波能量轉化為熱能或其它形式的能量而耗散掉的一類材料。它的工作原理與材料的電磁特性有關。良好的吸波材料必須具備兩個條件，一是雷達波射入到吸波材料內，其能量損耗盡可能大：二是吸波材料的阻抗與雷達波的阻抗相匹配，此時滿足無反射。實用上常要求吸波材料在一定頻寬范圍內(如818GHz

5、)對電磁波強烈地吸收，理想的情況是全吸收，即反射系數(shù)為零。要想對電磁波進行有效的吸收：(1) 使電磁波最大限度進入到材料內部，以減少電磁波的直接反射。介質對電磁波的反射系數(shù)為：Z和Z0分別是介質的特性阻抗和自由空間的波阻抗。(2) 電磁波進入材料內部后，要設法對入射的電磁波進行有效的吸收和衰減。能量損耗：tanD= tanDE + tanDM = Ed/Ec+ Ld/LcDL為感應電場D相對于外加電場的滯后相位；DM為感應磁場B相對于外加磁場的滯后相位 ；Ed為在外加電場下，材料的電偶極矩產生重拍引起的損耗的量度；Ld為在外加磁場下，材料的磁偶極矩產生重拍引起的損耗量度；Ec和Lc分別為材料在

6、電場和磁場作用下產生極化和磁化的程度。三、研究現(xiàn)狀與分類吸波材料的種類發(fā)展至今已有十多種。它有多種分類方法，主要有下列幾種：按類型可分為功能吸波材料和結構吸波材料；（2）按材料成型工藝和承載能力，可分為涂敷型吸波材料和結構型吸波材料，前者是將吸收劑與粘結劑混合后涂敷于目標表面形成吸波涂層。后者具有承載和吸收雷達波的雙重功能，通常是將吸收劑分散在層狀結構材料中， 或是透波性能好、強度高的高聚物復合材料（如玻璃鋼，芳綸纖維復合材料）作面板，夾芯采用蜂窩狀、波紋體或角錐體的夾芯結構；（3）按材料損耗機制，吸波材料可分為電阻型、電介質型和磁介質型三大類。 碳化硅、石墨等屬于電阻型吸波材料，電磁能主要衰

7、減在材料電阻上。鈦酸鋇之類屬于電介質型吸波材料，其機制為介質極化馳豫損耗。磁介質型吸波材料的損耗機制，主要歸結為鐵磁共振吸收，這類材料有鐵氧體、羰基鐵等；（4）按吸收原理，吸波材料又可分為吸收型和干涉型兩類。吸收型吸波材料主要是材料本身對雷達波損耗吸收，干涉型是利用吸波層表面反射波和底層反射波的振幅相等相位相反進行干涉抵消，它的缺點是吸收頻帶很窄。吸波材料的吸波性能取決于吸收劑的損耗吸收能力，因此吸收劑的研究一直是吸波材料研究的重點。鐵氧體、金屬微粉、鈦酸鋇、碳化硅、石墨、導電纖維等均為傳統(tǒng)吸波材料，它們通常 都存在吸收頻帶窄、密度大等缺點。新型吸波材料包括納米材料、多晶鐵纖維、“手征”材料、

8、導電高聚物及電路模擬吸波材料等，它們具有不同于傳統(tǒng)吸波材料的新型吸波機制。傳統(tǒng)吸波材料以強吸收為主要目標，新型吸波材料則要求滿足“薄、寬、輕、強”。即1）在工作頻帶中，使入射到材料內部的電磁波在盡量薄的厚度被快速損耗吸收。2）在足夠寬的工作頻帶中，要求材料與空氣有良好的匹配，使空氣與材料界面間的總反射很小，這就要求材料有較好的頻率特性，再通過合理的設計，充分利用材料的性能。3）要求吸波涂層材料的面密度小、重量輕其中對隱身飛行器尤為關鍵。4）有高的力學性能及良好的環(huán)境適應性和理化性能，就是要求材料具有粘結強度高，耐一定的溫度和不同環(huán)境變化的要求在傳統(tǒng)吸波材料中，鐵氧體吸波材料和金屬微粉吸波材料是

9、兩種研究得最多并已得到較廣泛應用的吸波材 料。而納米材料和多晶鐵纖維則是目前眾多新型吸波材料中性能最好的兩種。而未來的吸波材料則應滿足多頻譜隱身、環(huán)境自適應、耐高溫、耐海洋氣候、抗核輻射等更高要求，以適 應日趨惡劣的未來戰(zhàn)場。1鐵氧體吸波材料鐵氧體系列吸波材料，包括鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體和鋇系鐵氧體等。由于強烈的鐵磁共振吸收和磁導率的頻散效應，鐵氧體是一種較好的材料。這種材料的優(yōu)點是涂層厚度薄、 重量輕、穩(wěn)定性好，具有吸收強、頻帶較寬及成本低的特點。因而被廣泛應用于隱身領域。自然共振是鐵氧體吸收電磁波的主要機制。按微觀結構的不同， 鐵氧體可分為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型，它們均可作吸波材料。

10、研究表明，3種鐵氧體中六角晶系磁鉛石型吸波材料的性能最好，具有較高的自然共振頻率。鐵氧體吸波材料已廣泛應用于隱身技術，如B-2隱身轟炸機的機身和機翼蒙皮最外層涂敷有鎳鈷鐵氧體吸波材料，TR-I高空偵察機上也使用了鐵氧體吸波涂層。當面密度約5kg/m2、厚度約2 mm時，鐵氧體吸波材料在 818 GHz頻帶內吸收率可低于-10dB。但鐵氧 體吸波材料存在密度大、高溫性能差等缺點。研究表明，當溫度由25 C變化至100 C時，鐵氧體吸波材料的吸波性能呈明顯下降趨勢。而高速飛行器（如米格25），要求吸波材料在600 C以上工作，這必將無法滿足未來武器系統(tǒng)需要。2金屬微粉吸波材料金屬微粉吸波材料主要以

11、磁性金屬微粉為主，包括羰基鐵粉、羰基鎳粉、鈷鎳合金粉等。金屬微粉不僅具有良好的電磁參數(shù)，而且可以通過調節(jié)微粉粒度來調節(jié)電磁參數(shù)，這個特點有利于達到匹配和展寬頻帶。金屬微粉吸收劑對雷達波具有強損耗吸收，其損耗機制主要歸于鐵磁共振吸收和渦流損耗。其中羰基鐵微粉是最為常用的一種，如美國F/A-18C/D “大黃蜂”隱身飛機使用了這種吸波材料。金屬微粉吸波材料具有微波磁導率較高、溫度穩(wěn)定性好（居里溫度高達 770K）等特點，它通過磁滯損耗、渦流損耗等吸收損耗電磁波。它們的電 磁參數(shù)與組分和粒度密切相關。目前，雖然金屬微粉吸波材料已廣泛應用于隱身技術，但金屬微粉抗氧化、 耐酸堿能力差，遠不如鐵氧體；介電

12、常數(shù)較大且頻譜特性差，低頻段吸收性能較差 ；密度大，其吸收劑體 積占空比一般大于 50%。3多晶鐵纖維吸波材料多晶鐵纖維吸波材料的研究始于20世紀80年代中期，是一種新型輕質的磁性雷達波吸收劑。這種多晶鐵纖維包括：羰基鐵、鎳纖維、鈷纖維及其合金纖維。由于纖維密度低，結 構為各向同性或各向異性。最新研究表明，纖維狀（或針狀）吸波材料的吸波能力明顯優(yōu)于球狀吸波材料，多晶鐵纖維不僅具有纖維形狀特別而且具有復合損耗（磁損耗和介電損耗）能力，因而具有重量輕的優(yōu)點。因此，這種吸收劑可在很寬的頻帶內實現(xiàn)高吸收率，質量減輕40%60%，克服了大多數(shù)磁性吸收劑存在的嚴重缺點。據(jù)報道，吸收劑體積占空比為25%，厚

13、度為1 mm的多晶鐵纖維吸波涂層在25 GHz頻率范圍內吸收率大于 5 dB,在520 GHz寬頻帶內吸收率可達 10 dB。通過改變纖維的長 度、直徑、含量及排列方式，可調節(jié)吸波材料的電磁參數(shù)。1992年，美國3M公司研制出微米級多晶鐵纖維吸波涂層，長徑比約為25,吸波涂層厚度為10 mm。涂層中多晶鐵纖維的體積占空比為 35%時，涂層在46GHz頻帶內反射率低于-5 dB，在620 GHz頻帶內反 射率低于-10 dB，在10.513.5 GHz頻帶內反射率低于-20 dB;涂層中多晶鐵纖維的體積占空 比為25%時，涂層在45 GHz頻帶內反射率低于-5 dB，在516 GHz頻帶內反射率

14、低于-10 dB,在912.5 GHz頻帶內反射率可低于-30dB。歐洲GAMMA 公司采用羰基鐵纖維作吸收 劑，絲徑15卩m,長度50500卩m，纖維密度低，結構呈各向同性或各向異性。該公司 稱，這種纖維是通過磁損耗和渦流損耗的雙重作用來吸收電磁波能量，因而可以在很寬的頻帶內實現(xiàn)高吸收效果，且質量可減輕40%60%。該技術已用于法國國家戰(zhàn)略防御部隊服役 的導彈和載人飛行器，同時正驗證用于法國下一代戰(zhàn)略導彈彈頭的可能性。多晶鐵纖維的形狀特征決定了多晶鐵纖維具有較高的磁導率，而電阻率卻較小，在外界交變電場的作用下，纖維內的自由電子發(fā)生振蕩運動，產生振蕩電流，將電磁波的能量部分地轉變?yōu)闊崮?，因而?/p>

15、有很強的渦流損耗。此外，多晶鐵纖維還具有較強的介電損耗吸收。4納米吸波材料納米材料是指材料特征尺寸在0.1100 nm的材料。納米材料的研究處于現(xiàn)代材料科學的前沿。由于納米材料的特殊結構引起的表面效應、粒子尺寸效應及隧道效應等，導致它產生許多不同于常規(guī)材料的特異性能。因此，它具有常規(guī)材料所不具有的特殊電磁波耗散機制， 有望制成具有頻帶寬、兼容性好、質量小和厚度薄等特點的吸波材料，是一種非常有發(fā)展前途的雷達吸波材料。磁性納米顆粒、納米顆粒膜和多層膜是納米材料用作隱身材料的主要形 式。納米磁性粒子在10100 nm時，多磁疇結構轉變?yōu)閱未女牻Y構，具有極大的矯頑力， 可引起較大的磁滯損耗。又由于納米

16、粒子尺寸小， 表面原子比例高，懸掛鍵增多，從而引起界面極化和多重散射 。目前，納米雷達波吸收劑主要有：納米金屬和合金、納米鐵氧體、納米碳化硅、納米金屬膜、納米氮化鐵等。對于磁性納米粉，其粒徑與吸波性能有密切關系，因1025 nm的鐵磁性金屬比常規(guī)材料的矯頑力大1000倍，磁化率大約20倍，此時具有良好的吸波性能。而當尺寸小于10 nm時，表現(xiàn)為超順磁性而失去優(yōu)異的吸收性。美、俄、法、德、日等國都把納米材料作為新一代雷達吸波材 料進行探索、研究。美國已研制出一種稱作“超黑粉”的納米吸波材料，該材料對雷達波的 吸收率高達 99%，目前正在研究覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復合材 料。法國最近研制 成功一種寬頻吸波調制周期納米薄膜涂層，該納米涂層磁導率的實部和 虛部在0.110 GHz寬頻帶內均大于 6。與粘結劑復合制備的吸波涂層在50 MHz50GHz頻率范圍內具有良好的吸波性能。納米薄