纳米吸波复合材料在隐身技术中的应用
纳米吸波复合材料在隐身技术中的应用
摘要:本文介绍了材料隐身的隐身机理及纳米材料的特性和吸波作用机理,对纳米吸波复合材料进行了分类,并介绍了不同类别纳米吸波复合材料的应用及复合新技术。最后对纳米吸波复合材料的未来前景进行了展望。
关键词:纳米材料、隐身机理、吸波作用机理、展望
0 引言
隐身技术作为提高武器系统生存、突防,尤其是纵深攻击能力的有效手段,已成为集陆、海、空、天、电五维一体的现代多维战争中极为重要和有效突防的战术技术手段,现正受到世界各主要军事强国的高度重视。近二十年来,隐身技术与隐身材料的研究都已经得到了大力的发展,F117隐身战斗机,第二代产品如B2隐身轰炸机已经装备美军并使用多年,而其第三代产品如F22/JSF等隐身飞机也即将装备部队。目前,隐身技术与隐身材料的研究正在朝着“薄、轻、宽、强”方向发展,纳米技术作为当今科学的前沿技术,用于隐身技术与隐身材料的研究中之后,可以制得性能优良的吸波材料,很有发展前途。纳米隐身材料的研究正在成为研制新型吸波材料的热点。
1材料隐身机理
隐身技术是指通过对目标特征的有效控制,使其处在一定的遥感探测环境中能降低目标的可探测性,在一定范围内难以被发现的技术。从广义上讲,隐身技术包括雷达隐身、红外隐身、可见光隐身及声波隐身技术等,当前重点发展的是雷达隐身以及红外隐身技术,特别是雷达隐身技术,这也是狭义上的隐身技术。目前各国探测目标的手段主要是微波雷达,它利用电磁波在传播过程中遇到介质变化时将在界面感应电磁流,并向四周辐射电磁能的原理,通过分析雷达接收天线截获的辐射电磁能, 便可判断目标的距离、方位、大小、类型等。隐身的宗旨就是避免接收天线截获到此辐射能。首先应避免的是产生感应电流,这主要靠材料设计实现,其次是避免天线接收到电磁能的辐射,它主要靠外形设计实现,因此,雷达隐身技术有外形隐身技术和材料隐身技术。
根据雷达系统工作原理,雷达最大探测距离为:
式中:Pt、Gt,为雷达发射功率和天线增益,λ为雷达工作波长,Pmin为雷达接收机最小可检测信号功率,δ为被探测目标的雷达散射截面积(RCs)。
雷达隐身就是指通过减弱、抑制、吸收、偏转雷达回波强度,降低RCS,使其在一定范围内难以被敌方雷达识别和发现的技术。雷达材料隐身技术在减小雷达散射截面方面,主要是使用雷达吸波材料。
2纳米吸波材料的吸波特性
纳米粒子对电磁波有强烈的吸收作用,主要原因有两点:一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此纳米粒子对这种波的透过率比常规材料要强得多,这就大大减少了波的反射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱。另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大 3~4 个数量级,对电磁波的吸收率也比常规材料大得多,起到隐身作用。另外,纳米磁性材料既有优良的吸波特性,又有良好的吸收和耗散红外线的性能,加之比重轻,在隐身方面的应用有明显的优越性;同时纳米磁性材料可与驾驶、
内信号控制
装置相配合,通过开关发出干扰;改变雷达波的反射信号,使波形畸变,或使波形变化不定,能有效地干扰、迷惑雷达操纵员,以达到隐身的目的。
纳米材料的小尺寸效应及隧道效应,引起周期边界条件的破坏,使声、光、电磁及热力学特性发生了显著的变化。纳米材料的吸收峰的共振频率会随着量子尺寸发生变化,并且具有特殊的电磁光性能以及单畴结构,其吸收效能远高于常规材料,有些纳米材料还具有微波红外吸收兼容和吸收频带加宽的特性。这些粒子的尺寸进入纳米级别后,相应的多畴变成单畴,使得这些粒子的物性呈现了独特的吸波性能。研究表明,10~25nm 的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大1000倍。对于陶瓷材料而言,当它到达纳米尺寸时,表现出了高韧性、高塑性等平时欠缺的特性,所以纳米技术的应用使这些吸收剂的吸波性能有很大提高。 3 纳米吸波材料的优点
纳米吸波材料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:(1)纳米粒子量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应,使它对各种波长的吸收带有宽化现象。(2)利用量子尺寸效应,使纳米粒子的电子能级发生分裂,分裂的能级间隔正处于所欲吸收的波段,如分裂的能级间隔处于微波的能量范围内(10-2~10-5eV ),从而导致新的吸波通道产生。(3) 由于纳米粒子尺寸小,比表面积大,表面原子比例高,悬挂键增多。大量悬挂键的存在使得界面极化,而高的比表面积造成多重散射,这是纳米材料具有吸波特性的主要原因。(4)由于纳米微粒具有较高的矫顽力,可引起较大的磁滞损耗,有利于将吸收的雷达波等转换成其他形式的能量(热能、电能或机械能)而消耗掉。(5) 磁性纳米粉,如 LaFeO3,LaSrFeO3等复合稀土氧化物,在细化过程中处于表面的原子数越来越多,增强了纳米材料的活性。在微波场的辐射下,原子和电子运动加剧,促进磁化,使电能转化为热能,从而增加了电磁波的吸收,并兼具透波、衰减和偏振等多种功能。不仅具有良好的电磁参数,而且可以通过调节粒度来调节电磁参数。有利于达到匹配和展宽频带的目的。
4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改击粉末,照抄原文纤维,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。以M1Suzuki等人对激光诱导
SiH4+C2H4+NH3气相合成的纳米Si/C/N粉体所提出的Si(C)N固溶体结构模型来作说明。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原子在改击晶格中Si,C原子的位置而形成带电缺陷。在正常的改击晶格中,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Si,C原子进入改击后,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。纳米复合隐身材料因为具有很高的对电磁波的吸收特性,已经引起了各国研究人员的极度重视,而与其相关的探索与研究工作也已经在多国展开。尽管目前工程化研究仍然不成熟,实际应用未见报道,但其已成为隐身材料重点研究方向之一,今后的发展前景一片光明。而其一旦应用于实际产品,也必将会对各国的政治、经济、军事等多方面产生巨大影响。
5纳米吸波复合材料的分类
5.1 结构型
吸波材料具有承载和吸收雷达波的双重功能, 一般是将吸收剂分散在层状结构材料中, 或是透波性能好、强度高的高聚物复合材料( 如玻璃钢、芳纶纤维复合材料)做面板, 夹芯采用蜂窝状、波纹体或角锥体的夹芯结构。例如:用于喷气发动机进气道的吸波栅格结构。其中,吸波带由玻璃纤维增强的并浸渍有吸收剂的树脂基复合材料制成,防护层为一般玻璃钢材料。整个栅格结构固定在进气道唇口部位,可以有效地衰减入射雷达波。
5.2 涂敷型纳米吸波复合材料通常是吸收剂与粘结剂混合后涂敷于目标表面形成吸波复合涂层。将这种涂层涂敷于目标表面即可制成涂敷型纳米吸波复合材料,目前研究较多的多层涂敷型吸波材料是由电损耗和磁损耗材料复合而成的 2层和 3 层吸波涂层。为应对不同雷达的不同工作方式,现在的隐身飞机已经开始有选择地用纳米吸波材料,即将纳米粉体均匀分散到飞机表面涂料当中,以增强吸收雷达电磁波的效率。一些发达国家正在进行主动抵消技术的研究,即利用吸波材料先吸收大部分雷达波,剩下少量的反射波再利用主动抵消技术 将其全部抵消,这样雷达就会完全失去作用。美国已研制出一系列薄层状铁氧体吸波复合材料,并成功应用于 F-117A 隐身战斗机的机身、机翼和 V 形垂尾外表面,获得很好的隐身效果,在 1991 年的海湾战争 中,F-117A 出 动 1000 多 架次无一受损,最大限度地达到使隐身飞机杀伤敌方人员并保护自身安全的目的。
6纳米复合隐身材料的复合新技术
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改击粉末,照抄原文纤维,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。运用复合技术对这些材料进行纳米尺度上的复合便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的很迅速,这些新的复合技术主要包括一下几种:
(1)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。
(2)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。
(3)以组分,结构及性能渐变为特点的梯度复合技术。
(4)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。
(5)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
7纳米复合隐身材料研究的前景展望
1)宽频化。目前的反雷达探测隐身技术主要是针对厘米波段雷达,覆盖的频率段有限。例如,谐振型吸波材料只能吸收一种或几种频率的雷达波,介电型吸波材料与磁性吸波材料主要覆盖范围大致分别在厘米波段的低端和高端。而近年来随着先进红外/紫外探测器,米波段雷达,毫米波段雷达等新型先进探测器的相继问世,以及随之而来的装备部队使用,给原有的隐身手段提出了新的严峻挑战。这就要求隐身材料具备宽频带吸波特性,即用同一种隐身材料对抗
多种波段的电磁波源的探测。
2)复合化。根据目前吸波材料的发展状况,一种类型的材料很难满足日益提高的隐身技术所提出的/薄,轻,宽,强0的综合要求,因此需要将多种吸波材料进行多种形式的复合来获得最佳隐身效果,如铁磁性Mn)Zn, Ni)Zn铁氧体与铁电性BaTiO3复合,能够极大的提高吸波性能;也可以采用有机-无机纳米材料复合技术,这种方法能很方便的调节复合物的电磁参数以达到阻抗匹配的要求,而且可以大大减轻质量,可望成为今后吸波材料研究与发展的重点方向。
3)低维化。人们为探索新的吸收机理和进一步提高吸波性能,已经日益重视研究纳米颗粒、纤维、薄膜等低维材料。研究对象集中在磁性纳米粒子、纳米纤维、颗粒膜与多层膜等方面,这些低维材料具有吸收频带宽、兼容性好、吸收率高、比重轻等多方面优点,是隐身材料发展中极具潜力的一个方向。
4)智能化。所谓智能型材料是指具有感知功能、信息处理功能、自我指令并能对信号作出最佳响应功能的材料与结构。目前在航空航天领域内,这种材料正得到越来越广泛的应用,如现在正处于实验室研究阶段的飞行器自适应蒙皮技术,就要求蒙皮材料对气流的流态做出响应,以自身形变调整与气流接触面的形状,达到最适应当前气流流态的效果。此类的材料潜在价值不可估量,其已经成为材料科学研究中一个主要方向。
8结语
综上所述, 纳米吸波材料具有质量轻、频带宽和性能好等特点, 能满足于不同环境和应用场合的需求。目前, 单一的吸波材料难以达到多波段、宽频带的吸收效果, 而拓宽频带、增加频段的方法就是材料的复合。较窄的吸收频宽无法对抗宽频段雷达波的综合侦察, 吸波效率低, 达不到吸波要求。利用复合技术开发能同时兼容米波、厘米波、毫米波、红外和激光等多波段的吸波复合材料。另外, 在先进纳米复合材料基础上发展既能隐身又能承载的结构型吸波复合材料也是当今吸波复合材料研究的重点。
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