納米隱身材料研究與現況

趙和安

摘要：兵器裝備行業中，納米隱身材料的研究逐漸趨于成熟。本文綜述了納米隱身材料的主要結構，隱身吸波機制，前沿研制的材料種類、性能及國內外隱身吸波材料的進展等。

Abstract： In weapon equipment industry， the research of nano-stealthy materials is becoming more mature. There has been some progress in all colleges and universities in China. This paper summarizes the main structure of nano-stealth materials， stealth absorbing mechanism， the type of absorbing materials previously developed， and the progress of stealth absorbing materials at home and abroad.

關鍵詞：隱身；吸波；機制；應用

Key word： stealth；absorbing；mechanism；application

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0230-02

0 引言

在軍工武器和裝置中，隱身技術有著廣泛的應用。美國U-2高空偵察機，F-117隱形戰斗機和B-2隱形轟炸機，顯示了吸波材料實際應用的價值。防雷達，防紅外，可見光，激光，聲納等隱身技術基本原理是盡量降低目標自身發出或反射外來信號的強度，使其低于探測器的門檻值；或使目標與環境反差規律混亂，造成探測儀器測量和識別上的困難。其納米隱身材料中納米尺寸粒子尺寸在10-10～10-7m范圍，遠小于雷達及紅外波波長，因此納米材料對雷達、紅外等波的透過率比常規材料要強得多，這大大減少了波的反射率，使探測儀器接受到的信號很微弱，達到隱身效果。此外納米粒子的比表面積比常規粒子體大3～4個數量級，對紅外和電磁波的吸收率也比常規尺寸材料大得多，使之入射到內部的電磁波與隱身材料之間發生電導、高頻介質、磁滯損耗，使之電磁波能量衰減，使探測器接受的信號強度大為降低。

1 納米隱身材料的分類

納米隱身材料分為納米涂層吸波材料和納米結構型隱身吸波材料兩大類。

1.1 隱身涂層吸波材料

隱身涂層由導電填料、黏結劑、溶劑及添加劑組成。按導電填料種類的不同，分為銀系、碳系、鎳系、銅系等。其中鎳系涂料吸收和散射能力強，磁矢量的衰減幅度大。鎳有優良的抗氧化性能，抗化學腐蝕性，所以鎳系涂料在使用中占有較大的比重。制作涂層工藝可采用噴涂、刷、刮涂等方法。隱身材料大約有800多種。

這類納米隱身材料主要有：納米金屬及其合金隱身吸波材料，納米金屬氧化物隱身吸波材料，過渡金屬硫化物納米隱身吸波材料，納米陶瓷隱身吸波材料，納米導電聚合物、納米金屬與絕緣介質復合隱身吸波材料等。

1.1.1 納米金屬及其合金隱身吸波材料

納米金屬及其合金隱身吸波材料以Fe、Co、Ni等金屬及合金的粉體，與介質型納米粉體及黏結劑復合制成薄膜，附著在隱身體的表面進行隱身。除上述金屬之外，金屬Al、Co、Ti、Cr、Na、Mo，不銹鋼等的納米粉體也具有很好的隱身吸波性能。

1.1.2 納米金屬氧化物隱身吸波材料

具有導電性的納米金屬氧化物隱身吸波材料分單一氧化物和復合氧化物兩類。單一氧化物納米隱身吸波材料主要有Fe2O3、Fe3O4、ZnO、Co3O4、TiO2、NiO2、MoO2、WO3等納米粉體。復合氧化物隱身吸波材料主要有LaFeO3、La1-xSrxFeO3等納米粉體。復合氧化物納米吸波材料不僅吸波性能好而且還兼有抑制紅外輻射等功能。

1.1.3 過渡金屬硫化物納米隱身吸波材料

這類隱身吸波材料包括Mn、Ni、Cu、Zn、Pb等過渡金屬的硫化物如ZnS、CuS、PbS等，這些納米粉體不僅對電磁波、紫外、可見光區有吸收作用，而且對近紅外光也有吸收作用。

1.2 結構型隱身吸波材料

結構吸波材料是使構件同時具備隱身和承載雙重功能的隱身吸波材料。以下介紹兩種結構型隱身吸波材料：納米金屬膜與絕緣介質復合吸波隱身材料、納米纖維層狀結構吸波隱身材料。

1.2.1 納米金屬膜與絕緣介質復合吸波隱身材料

將納米量級的金屬膜附著在絕緣介質球上，如3μm的玻璃球上，鍍上Ni、Al、W等薄膜（10nm左右），然后將球體層狀堆積厚度在2mm時，在GHz～18GHz頻率范圍，吸波率可達10dB。采用這種顆粒膜，可以克服金屬、鐵氧體材料密度大的缺點，充分發揮單位質量損耗作用，同時還可減輕隱身體的重量。

1.2.2 納米纖維層狀結構吸波隱身材料

碳纖維通過添加劑的配比及與玻璃纖維等混編，獲得良好的介電、磁導率的梯度分布與較高的吸波性能。它可以代替蒙皮，使構件減輕重量，簡化工藝。

2 納米隱身材料吸波機制

納米吸波材料的組分特征尺寸是在0.1～100nm的材料。當金屬、金屬氧化物顆粒尺寸在納米粒子尺度時，比表面積增大，處于顆粒表面的原子數越來越多，懸掛鍵增多，界面極化和多重散射成為重要的吸波機制，由于金屬粒子費米面附近電子能級由準連續變為離散能級，并且納米微粒存在不連續的最高被占據的分子軌道能級和最低未被占據的分子軌道能級，使能隙變寬，量子尺寸效應又使納米粒子的電子能級發生分裂，分裂的能級間隙有些正處于微波的能量范圍內（10-2eV～10-5eV），從而導致了新的吸波機制。

同時，如果納米粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導態相干長度或磁場穿透深度相等或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態納米微粒的表面層附近的原子密度減小，導致材料的光、電、磁、熱力學等特性出現異常，如對光波吸收增加，磁性能增強等，從而使電磁波吸波能力增強。

另外，金屬磁性納米粒子有較高的矯頑力，可引起較大的磁滯損耗，在電磁場的輻射下，材料的原子、電子運動加劇，促使磁化，使電磁能轉化為熱能，從而增加了對電磁波的吸收。

納米微波吸收材料中金屬磁性粒子具有很高的飽和磁化強度（一般比鐵氧體高4倍以上），所以可獲得較高的磁導率和磁損耗，且磁性能有較高的熱穩定性，因此在吸波時能力增強。

3 國內外隱身吸波材料研究進展

3.1 國內研究進展

目前國內以航空工業總公司和航天工業總公司所屬的研究所，及有關院校，近年來作了大量的研究工作，取得了一些成果，如表1所示。

3.2 國外電磁波吸波材料研究動態

相比國內而言，國外對電磁波隱身吸波技術研究時間較長，對吸波理論及計算公式，復合等效電磁參數的研究方面較為領先，并制備出一些高性能的隱身吸波材料。如：

日本Inha大學制備鐵氧體與硅橡膠混合的吸波材料。

日本Tohokcl大學研究通過控制材料復合磁導率大小，獲得寬的吸波頻帶的吸波材料。

日本Doshisha大學，將Ni-Zn鐵氧體粉與不同比例的SiO2粉體混合，研制了各種不同厚度材料配比F的納米吸波材料。

美國DSD公司生產的微陶瓷球粉末能夠吸收微波能量，同時還可以吸收雷達及紅外能量。

法國研制的金屬納米屑作填充劑吸波材料在50MHz～50GHz具有良好的吸波性能。

韓國科技研究所采用鐵氧體和介電體復合成層狀結構吸波材料。

科威特大學把磁損耗如電損耗層結構按不同尺寸配比，設計了雙層吸收電磁波材料。

本文收集了一些物質的納米粒子顯微照片如圖1所示。

4 結論

目前世界各國由于軍事工業發展的需求，對隱身吸波材料研究日益重視，國內多家單位致力于該研究，已取得了一些成果，但尚未形成相關產業。為加速我國電磁、吸波材料和武器隱身技術的發展，及時了解和掌握國內外該項技術和發展動向，并跟蹤最新技術前沿開發生產出高性能的隱身吸波材料，為國防現代化服務。

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