提高武器裝備戰場生存能力的‘神器’—雷達吸波材料

在現代戰爭中，隨著高精尖探測技術的發展，探測手段不斷進步，目標的辨別能力和戰場態勢感知能力也有了極大的提高。以美國為代表的西方國家，經過幾十年的發展，已經形成了全方位、全天候、多層次立體化的探測和毀傷體系，武器裝備和人員的戰場生存環境日益惡劣，戰場生存能力成為武器裝備作戰使用性能的重要指標。要避免遭到精確制導武器的打擊，提高武器裝備的戰場生存能力，除了提高武器裝備的野外機動能力，進行抗毀傷加固和對武器裝備進行防護以外，最根本的措施是提高武器裝備的偽裝能力，使敵方無法快速、準確的獲取武器裝備的位置信息和運動特性。提高偽裝能力的做法是在武器裝備上采用大量的高性能偽裝材料。雷達吸波技術作為隱身材料的重要組成部分，近年來的不斷發展和應用使得武器裝備的戰場生存能力大幅提高。

1.雷達吸波材料的測試方式及原理

雷達探測是向一定空間方向發射高頻電磁波，通過接受反射電磁波信號探測目標物的方位。如果能降低雷達接收器接收到反射波的能量或者減少反射波，達到接收到的信號弱到無法被識別，那么就達到了雷達隱身的目的。

表征雷達隱身效果的指標有很多，最常用的是電磁波反射率。假設從雷達發射器發射出來的雷達電磁波的功率為Pi，經過目標后反射回來的電磁波功率為Pr,那么功率反射率就為R_p= P_r/ P_i，很明顯雷達隱身要求反射率要小。為了便于比較，通常用以分貝(dB)為單位的反射率R來表示，其中R= 10lgRp。這樣，由于功率反射率都小于1，所以R為負值。因此，對于一定的目標物,希望其R值越小越好。如果采用雷達隱身材料，那么這種材料要能吸收或者透過雷達波，盡量減少用于探測的反射波。對于一般的目標物，通常很難透過大量雷達波，所以雷達隱身所用的材料以吸波材料為主。

測試平板反射率最常使用弓形法，其原理是在相同波長和極化條件下，同一功率的電磁波從一定角度入射到雷達吸波材料的表面和測試鋁板表面，雷達吸波材料和鋁板鏡面反射的功率之比定義為反射率。弓形法測試原理及實物如下圖所示。

2.傳統的涂覆型吸波材料

按材料成型工藝和承載能力，雷達吸波材料可分為涂敷型吸波材料和結構型吸波材料。本期主要介紹傳統的涂覆型雷達吸波材料。

1.納米吸波材料：材料在某一個方向上的尺寸是納米數量級的材料（0.1-100nm之間）的材料稱為納米材料，它處于原子和宏觀物體之間的過度區域之內，正因為納米材料具有別具一格的結構，使其具有一些特殊的性質，例如量子尺寸效應、表面與界面效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應等。納米吸波材料的雷達吸波性能優異，所以國外諸多研究機構都將其作為研究應用的重點。據稱，美國某研究機構已經研制一種稱為“超黑粉”的納米吸波材料，對雷達波的吸收率高達99％，并在B-2 隱形轟炸機上成功應用，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。現階段主要研究的納米吸波材料有納米金屬與合金吸波材料、納米鐵氧體及其復合物吸波材料、納米陶瓷吸波材料、納米石墨吸波材料、納米碳化硅吸波材料、納米導電高分子吸波材料等。

2.鐵氧體吸波材料：鐵氧體吸波材料的研究時間較早，應用時間較長。根據其結構不同，可以大致分為尖晶石型鐵氧體吸波材料和六角晶系鐵氧體吸波材料兩種類型。其中尖晶石型鐵氧體造價較低、制備工藝方法較為簡單、應用歷史最久，但是尖晶石型鐵氧體的磁導率較低，相對介電常數和相對磁導率難以匹配，所以較難達到良好吸波性能。美國的洛克希德﹒馬丁公司在研制F-117A戰斗機時，為了達到良好的雷達隱身效果，在機身表面使用了大量的鐵氧體吸波材料制成的吸波涂層。日本電氣公司對鐵氧體吸波材料進行了改進,在6-13GHz范圍內,可以達到-10dB的吸波效果,其中在8.5-12.2GHz范圍內，可以達到-20dB的吸波效果。總厚度約為4.7mm，單位面積質量8kg/m²。目前，國內研究機構對鐵氧體吸波材料的研究及應用水平比國外要低，在8-18GHz（X、Ku波段）的頻率范圍內，電磁波反射率僅能達到-10dB水平。

3.手性吸波材料：手性材料是指沒有幾何對稱性，通過平移和旋轉等手段都不能使一個物體與其鏡像完全重合的材料。早在上世紀80年代，手性吸波材料的研究逐漸成為大家關注的方向。能夠在電磁場的作用下產生交叉極化是其能夠吸收電磁波的重要原因之一，具有良好的雷達吸波性能。

與其他種類的吸波材料相比，具有兩個明顯的優勢：

（1）可以更加容易的調整手性材料的手性參數比進而調整材料的介電參數和磁導率，可以在寬頻帶上達到無反射的吸波效果；

（2）手性吸波材料具有比介電常數和磁導率更小的頻率敏感性，可以更為容易的實現寬頻帶電磁波吸收。因此手性材料在擴展吸波頻帶和低頻波段吸波方面有很大的潛能。

相對于其他類型的吸波材料，手性吸波材料能夠在一定程度上增強吸波性能，展寬現有的吸波頻帶的優點，并且可以利用手性材料的手性參數的可調節性進而制備出性能良好的雷達吸波材料。但同時它的制備工藝比較復雜，制備成本較高，限制了其應用范圍。

4.多晶鐵纖維吸波材料：多晶鐵纖維是指包括Fe、Ni、Co及其合金在內的纖維，它的吸波機理主要是渦流損耗、磁滯損耗和介電損耗。將其作為涂覆型吸波材料的吸收劑，可以使涂層的密度降低，展寬吸波頻帶，獲得較好斜入射特性等諸多優。國外研究機構對多晶鐵纖維的吸波性能研究較早，但是由于技術封鎖，相關文獻較少。據可靠消息稱，法國某研究機構已經成功研發了新型多晶鐵纖維雷達吸波材料，并且成功應用在了其國家戰略防御部隊的導彈和再入飛行器上。

5.導電高聚物吸波材料：導電高聚物是指具有π電子共扼鏈的高聚物經過化學或電化學摻雜，摻雜后的共扼鏈上的激發子躍遷運動可傳遞電荷，使導電高聚物的導電性能夠在在絕緣體、半導體和金屬體之間進行調節的一類高聚物總稱，因此也稱其“有機金屬”。導電高聚物具有結構多樣化、加工性能好、電磁參數可控等物理化學特性，經過多年研究，導電高聚物在技術應用探索和實用化等方面都取得了長足的進步。近年來，紅外探測器不斷的裝備于各類型武器裝備上，紅外隱身也成為研究熱點，所以能夠兼具紅外隱身并且具有良好的雷達吸波性能的材料逐漸成為很多研究機構探索的方向。但是從原理上，紅外隱身材料具有高反射、低比輻射率，雷達吸波材料具有低反射率、高吸收性能，兩者在工作原理上有直接的沖突。導電高聚物材料因為具有較高的導電率，并且具有一定金屬相似性能，顯示出了極其獨特的紅外吸收與紅外反射特性，其紅外反射率遠遠低于普通聚合物。因此，導電高聚物能夠在紅外吸波一體化方面有長足的發展，通過多層設計，有可能獲得質量輕、寬頻帶、多頻譜隱身的功能。

自上世紀90年代開始，美國、法國、日本等發達國家的研究機構就已經開始對導電高聚物材料進行研究，并著手將其運用在飛機、導彈等飛行器上，作為新一代的雷達吸波涂層。

雖然導電高聚物吸波材料近年來有很大的發展，但是其加工性能較差，應用溫度范圍也有一定的局限性。現在大多數的研究僅限于探索階段，對其具體的吸波機理還有待進一步的研究，距離工程應用還有很長的路要走。

本文由材料人專欄科技顧問供稿，材料人編輯整理。

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