隱身技術(shù)始于第二次世界大戰。作為提高武器系統生存能力和突防能力的有效手段，已被當今世界各國視為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的軍事高新技術(shù)，尤其是隨著(zhù)雷達探測技術(shù)的發(fā)展，原有的隱身技術(shù)面臨著(zhù)很大的挑戰，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(diǎn)發(fā)展計劃。
近年來(lái)，隨著(zhù)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合，使吸波材料的性能有了更大進(jìn)展。近年來(lái)材料技術(shù)的重點(diǎn)熱門(mén)一納米技術(shù)在吸波材料制備過(guò)程中的成功應用，使吸波材料的性質(zhì)在本質(zhì)上也呈現出驚人的飛躍。而計算機輔助設計的蓬勃發(fā)展和最優(yōu)化理論的運用對于確定出介質(zhì)參量εr*(復介電系數)和μr* (相對復導磁率)隨頻率變化時(shí)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，從而做到按需要調整材料的參量都有很大地幫助，更可以起到指導實(shí)驗方向，加快研發(fā)過(guò)程的作用。本文將對這些新的熱點(diǎn)做一個(gè)介紹，分析了其中仍然存在的問(wèn)題并預測將來(lái)的進(jìn)展。
1 納米技術(shù)在吸波材料中的應用[1～3]
納米吸波材料具有極好的吸波特性，同時(shí)具備吸波頻帶寬、兼容性好、質(zhì)量輕和厚度薄等特點(diǎn)。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(diǎn)，一方面由于納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波波長(cháng)，因此納米粒子材料對這種波的透過(guò)率比常規材料要強得多，這就大大減少了波的反射率，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的目的。另外一方面，納米微粒材料的比表面積比常規粗粉大了3～4個(gè)數量級，對電磁波的吸收率也比常規材料大得多，這就使得紅外本文受?chē)�家航天�?chuàng )新基金資助探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低，因此很難發(fā)現被探測目標，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粉在細化過(guò)程中，處于表面的原子數越來(lái)越多，增加了納米粒子的活性。在微波場(chǎng)的輻射下，原子和電子運動(dòng)加劇，促使磁化，使電子能轉化為熱能，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用前景，但當前真正發(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(gè)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用十分廣泛。
納米技術(shù)在吸波材料的以下幾個(gè)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]
雷達吸波材料一般由基體材料與損耗介質(zhì)復合而成，其中損耗介質(zhì)的性能、數量及匹配選擇是影響吸波性能的重要因素。它直接制約著(zhù)材料的研制進(jìn)度與工程應用效果，已研制并成功應用于吸波材料中的損耗介質(zhì)已達幾十種之多，而且各國都在積極致力于新型損耗介質(zhì)的開(kāi)發(fā)與研制。根據吸波機理的不同，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(lèi)。其中電損耗型介質(zhì)有導電性石墨、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電性高聚物等。其主要特點(diǎn)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。
當這些粒子的尺寸進(jìn)人納米級別后，相應的多疇變成單疇，使得這些粒子的物性呈現了獨特的吸波性能。研究表明，10～25nm的鐵磁金屬微粒矯頑力比相同的宏觀(guān)材料大1000倍。對于陶瓷材料而言，當它到達納米尺寸時(shí)，表現出了高韌性，高熱強，高塑性等平時(shí)欠缺的特性。所以納米技術(shù)的應用使這些吸收劑的吸波性能有很大提高。
(2) 納米復合物[5]
各種材料具有不同的吸波特性，適應不同的波段，而目前吸波材料的一個(gè)主要研究方向就是多頻率。所以如果能復合這些材料，會(huì )使吸波材料的應用范圍大大加寬。這些材料并不是無(wú)機相與有機相的的簡(jiǎn)單加合，兩相界面間只存在較強或較弱的化學(xué)鍵。它們的復合將實(shí)現集無(wú)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(wú)機和有機的界面特性使其具有更廣闊的應用前景。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(wú)機材料的脆性；更主要的是，有機物的存在可以提供一個(gè)優(yōu)異的載體環(huán)境，提高納米極無(wú)機相的穩定性，從而實(shí)現其獨特的微觀(guān)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(wú)機納米粒子是不易分散于有機物中的，有機物與無(wú)機粒子之間常有嚴重的相分離現象。有機無(wú)機相間應存在較強的相互作用，才能較好的利用有機基質(zhì)來(lái)防止無(wú)機納米微粒的團聚，使納米微粒能長(cháng)期穩定的存在。所以制備復合吸波材料并不僅僅是無(wú)機相和有機相單獨的納米技術(shù)，更主要的是復合的納米技術(shù)。材料的分子設計十分重要。近年來(lái)發(fā)展建立起來(lái)的制備方法也多種多樣，可大致歸為四大類(lèi)：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(shí)生成。各種制備納米復合材料方法的核心思想都是要對復合體系中納米單元的自身幾何參數、空間分布參數和體積分數等進(jìn)行有效的控制，尤其是要通過(guò)對制備條件(空間限制條件、反應動(dòng)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(即控制納米單元的初級結構)，其次是考慮控制納米單元聚集體的次級結構。
下面一個(gè)例子就是納米技術(shù)在吸波材料中的應用，它表現了當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是鐵氧體與導電復合物的質(zhì)量分數為20％的納米復合物(其中納米粒子是共沉淀法制備的10nm的鐵氧體)與非納米復合物(其中的鐵氧體為江蘇宜興和橋無(wú)損探傷材料廠(chǎng)生產(chǎn)的350目粒子)在8—12GHz范圍內對電磁波的反射系數R隨頻率f變化的曲線(xiàn)。從圖中可以看出，兩者的曲線(xiàn)走勢基本相同，不同之處是整個(gè)頻段內納米復合物的吸收率均高于非納米復合物。
圖1 納米與非納米復合物反射系數隨頻率變化曲線(xiàn)
2 計算機輔助設計在吸波材料中的應用
在科研過(guò)程中，人們找到了材料參數與吸波性能之間的關(guān)系，但實(shí)際應用中對諸如材料匹配、參數控制等的復雜計算都必須借助于計算機，這就是計算機輔助設計。計算機輔助設計一般包括以下內容：由材料的電磁參數計算材料的吸波性能；由達到要求的吸波性能(帶寬、吸收率等)選擇材料(即材料的電磁參數與幾何厚度等)；限定材料參數與幾何厚度時(shí)如何復合這些材料才能達到最佳效果。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)計算機輔助設計可以做到：根據材料的電磁參數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可設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的材料參數。(3)給定最大允許反射系數與帶寬可以設計材料的電磁參數等[7]。
目前計算機輔助設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(lái)，計算程序將利用折反射出吸波材料的全部數據計算出材料的整體反射系數。
(2)優(yōu)化設計方法
在吸波材料設計中，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(shí)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(cháng)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的取值規律，從而實(shí)現優(yōu)化設計．優(yōu)化設計的目的是尋找吸波材料整體反射系數最小時(shí)，各層材料電磁參數εi εi"，μi μi'，d的取值。
下面就是一個(gè)通過(guò)計算機輔助設計很好的找出最佳配比，免去大量實(shí)驗步驟的示例。
表1是入射頻率在5—13GHz范圍內3層吸波材料取不同組合方案時(shí)的電磁參數，圖2為對應的二維吸收曲線(xiàn)，可以看出3組方案中，第一組最好。
橫標是頻帶寬度，縱標是吸收率
圖2 吸波材料取不同組合方案時(shí)的電磁參數對應的二維吸收曲線(xiàn)
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(shí)的電磁參數
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]
智能材料與結構系統是近年發(fā)展起來(lái)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，在具有傳感和驅動(dòng)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的功能(作動(dòng)器功能或執行功能)。目前這種材料已被廣泛應
用于軍事與航空領(lǐng)域。它的這些特殊功能同時(shí)也為其實(shí)現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)，在俄羅斯率先應用。而正是憑借它，俄羅斯的隱身飛機系統遠遠超過(guò)美國最先進(jìn)的隱身技術(shù)�？梢哉f(shuō)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(guò)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)涂一層放射性同位素，它的輻射劑量應確保它的α射線(xiàn)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，以確保對雷達波有最強的吸收。據報道，采用該技術(shù)的飛行器被敵方發(fā)現的概率可降低99%。等離子體隱身技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)：吸波頻帶寬、吸收率高、隱身效果好、使用簡(jiǎn)便、使用時(shí)間長(cháng)、價(jià)格便宜；無(wú)須改變飛機的外形設計，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(lái)，美國、前蘇聯(lián)等軍事強國就開(kāi)始研究等離子體吸收電磁波的性能。近年來(lái)，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。據俄羅斯前不久進(jìn)行的隱形試驗表明：應用等離子隱形技術(shù)隱形，可使米格1．44飛機雷達截面在4—14MHz頻率范圍內，雷達獲取回波信號強度減少到原來(lái)的1％。
3．3 應用仿生技術(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(shù)脂中摻和一種或多種具有不同特性參數的手征媒質(zhì)構成。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(chǎng)與磁場(chǎng)相互耦合．理論研究認為手征材料參數可調，對頻率敏感性小，可達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(kāi)始受到廣泛重視，在實(shí)際應用中主要有兩類(lèi)手征物體：本征手征和結構手征物體。本征手征物體本身的幾何形狀即具有手征，如螺旋線(xiàn)等。目前研究的雷達吸波型手征材料是在機體材料中摻雜手征結構物質(zhì)形成的手征復合材料。由于只有與入射波長(cháng)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)應具有與微波波長(cháng)同量級的特征尺寸。但從實(shí)際應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(lái)國外對吸波材料的研究十分活躍，國內也正在密切注視國外在此領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)，并積極開(kāi)展我國隱身材料的研究。納米材料由于其結構尺寸在納米量級，物質(zhì)的量子尺寸效應和界面效應等對材料性能產(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(gè)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的功能而成為隱身材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)。而最理想的吸波涂層是其化學(xué)成分能使電磁波在其內的波長(cháng)不因入射波的頻率變化而變化，但目前國內外尚未做到這一點(diǎn)。在先進(jìn)復合材料基礎上發(fā)展起來(lái)的既能隱身又能承載的結構型吸波材料具有涂覆材料無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，是當代隱身材料主要發(fā)展方向。其研制的關(guān)鍵是復合材料層板的研制與其介電性能的設計匹配，有“吸、透、散”功能的夾芯材料的研制與設計以及各個(gè)因素的優(yōu)化組合匹配等。應用計算機輔助優(yōu)化設計在有限的條件約束下為結構層吸波材料的研究提供了方便，可望近期內對結構型吸波材料及其結構型式的研究會(huì )有更大發(fā)展。
當然新的隱身機理可以給隱身材料的開(kāi)發(fā)帶來(lái)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計帶來(lái)更廣闊的空間。