提高武器装备战场生存能力的‘神器’—雷达吸波材料

在现代战争中，随着高精尖探测技术的发展，探测手段不断进步，目标的辨别能力和战场态势感知能力也有了极大的提高。以美国为代表的西方国家，经过几十年的发展，已经形成了全方位、全天候、多层次立体化的探测和毁伤体系，武器装备和人员的战场生存环境日益恶劣，战场生存能力成为武器装备作战使用性能的重要指标。要避免遭到精确制导武器的打击，提高武器装备的战场生存能力，除了提高武器装备的野外机动能力，进行抗毁伤加固和对武器装备进行防护以外，最根本的措施是提高武器装备的伪装能力，使敌方无法快速、准确的获取武器装备的位置信息和运动特性。提高伪装能力的做法是在武器装备上采用大量的高性能伪装材料。雷达吸波技术作为隐身材料的重要组成部分，近年来的不断发展和应用使得武器装备的战场生存能力大幅提高。

1.雷达吸波材料的测试方式及原理

雷达探测是向一定空间方向发射高频电磁波，通过接受反射电磁波信号探测目标物的方位。如果能降低雷达接收器接收到反射波的能量或者减少反射波，达到接收到的信号弱到无法被识别，那么就达到了雷达隐身的目的。

表征雷达隐身效果的指标有很多，最常用的是电磁波反射率。假设从雷达发射器发射出来的雷达电磁波的功率为Pi，经过目标后反射回来的电磁波功率为Pr,那么功率反射率就为R_p= P_r/ P_i，很明显雷达隐身要求反射率要小。为了便于比较，通常用以分贝(dB)为单位的反射率R来表示，其中R= 10lgRp。这样，由于功率反射率都小于1，所以R为负值。因此，对于一定的目标物,希望其R值越小越好。如果采用雷达隐身材料，那么这种材料要能吸收或者透过雷达波，尽量减少用于探测的反射波。对于一般的目标物，通常很难透过大量雷达波，所以雷达隐身所用的材料以吸波材料为主。

测试平板反射率最常使用弓形法，其原理是在相同波长和极化条件下，同一功率的电磁波从一定角度入射到雷达吸波材料的表面和测试铝板表面，雷达吸波材料和铝板镜面反射的功率之比定义为反射率。弓形法测试原理及实物如下图所示。

2.传统的涂覆型吸波材料

按材料成型工艺和承载能力，雷达吸波材料可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料。本期主要介绍传统的涂覆型雷达吸波材料。

1.纳米吸波材料：材料在某一个方向上的尺寸是纳米数量级的材料（0.1-100nm之间）的材料称为纳米材料，它处于原子和宏观物体之间的过度区域之内，正因为纳米材料具有别具一格的结构，使其具有一些特殊的性质，例如量子尺寸效应、表面与界面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等。纳米吸波材料的雷达吸波性能优异，所以国外诸多研究机构都将其作为研究应用的重点。据称，美国某研究机构已经研制一种称为“超黑粉”的纳米吸波材料，对雷达波的吸收率高达99％，并在B-2 隐形轰炸机上成功应用，目前正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料。现阶段主要研究的纳米吸波材料有纳米金属与合金吸波材料、纳米铁氧体及其复合物吸波材料、纳米陶瓷吸波材料、纳米石墨吸波材料、纳米碳化硅吸波材料、纳米导电高分子吸波材料等。

2.铁氧体吸波材料：铁氧体吸波材料的研究时间较早，应用时间较长。根据其结构不同，可以大致分为尖晶石型铁氧体吸波材料和六角晶系铁氧体吸波材料两种类型。其中尖晶石型铁氧体造价较低、制备工艺方法较为简单、应用历史最久，但是尖晶石型铁氧体的磁导率较低，相对介电常数和相对磁导率难以匹配，所以较难达到良好吸波性能。美国的洛克希德﹒马丁公司在研制F-117A战斗机时，为了达到良好的雷达隐身效果，在机身表面使用了大量的铁氧体吸波材料制成的吸波涂层。日本电气公司对铁氧体吸波材料进行了改进,在6-13GHz范围内,可以达到-10dB的吸波效果,其中在8.5-12.2GHz范围内，可以达到-20dB的吸波效果。总厚度约为4.7mm，单位面积质量8kg/m²。目前，国内研究机构对铁氧体吸波材料的研究及应用水平比国外要低，在8-18GHz（X、Ku波段）的频率范围内，电磁波反射率仅能达到-10dB水平。

3.手性吸波材料：手性材料是指没有几何对称性，通过平移和旋转等手段都不能使一个物体与其镜像完全重合的材料。早在上世纪80年代，手性吸波材料的研究逐渐成为大家关注的方向。能够在电磁场的作用下产生交叉极化是其能够吸收电磁波的重要原因之一，具有良好的雷达吸波性能。

与其他种类的吸波材料相比，具有两个明显的优势：

（1）可以更加容易的调整手性材料的手性参数比进而调整材料的介电参数和磁导率，可以在宽频带上达到无反射的吸波效果；

（2）手性吸波材料具有比介电常数和磁导率更小的频率敏感性，可以更为容易的实现宽频带电磁波吸收。因此手性材料在扩展吸波频带和低频波段吸波方面有很大的潜能。

相对于其他类型的吸波材料，手性吸波材料能够在一定程度上增强吸波性能，展宽现有的吸波频带的优点，并且可以利用手性材料的手性参数的可调节性进而制备出性能良好的雷达吸波材料。但同时它的制备工艺比较复杂，制备成本较高，限制了其应用范围。

4.多晶铁纤维吸波材料：多晶铁纤维是指包括Fe、Ni、Co及其合金在内的纤维，它的吸波机理主要是涡流损耗、磁滞损耗和介电损耗。将其作为涂覆型吸波材料的吸收剂，可以使涂层的密度降低，展宽吸波频带，获得较好斜入射特性等诸多优。国外研究机构对多晶铁纤维的吸波性能研究较早，但是由于技术封锁，相关文献较少。据可靠消息称，法国某研究机构已经成功研发了新型多晶铁纤维雷达吸波材料，并且成功应用在了其国家战略防御部队的导弹和再入飞行器上。

5.导电高聚物吸波材料：导电高聚物是指具有π电子共扼链的高聚物经过化学或电化学掺杂，掺杂后的共扼链上的激发子跃迁运动可传递电荷，使导电高聚物的导电性能够在在绝缘体、半导体和金属体之间进行调节的一类高聚物总称，因此也称其“有机金属”。导电高聚物具有结构多样化、加工性能好、电磁参数可控等物理化学特性，经过多年研究，导电高聚物在技术应用探索和实用化等方面都取得了长足的进步。近年来，红外探测器不断的装备于各类型武器装备上，红外隐身也成为研究热点，所以能够兼具红外隐身并且具有良好的雷达吸波性能的材料逐渐成为很多研究机构探索的方向。但是从原理上，红外隐身材料具有高反射、低比辐射率，雷达吸波材料具有低反射率、高吸收性能，两者在工作原理上有直接的冲突。导电高聚物材料因为具有较高的导电率，并且具有一定金属相似性能，显示出了极其独特的红外吸收与红外反射特性，其红外反射率远远低于普通聚合物。因此，导电高聚物能够在红外吸波一体化方面有长足的发展，通过多层设计，有可能获得质量轻、宽频带、多频谱隐身的功能。

自上世纪90年代开始，美国、法国、日本等发达国家的研究机构就已经开始对导电高聚物材料进行研究，并着手将其运用在飞机、导弹等飞行器上，作为新一代的雷达吸波涂层。

虽然导电高聚物吸波材料近年来有很大的发展，但是其加工性能较差，应用温度范围也有一定的局限性。现在大多数的研究仅限于探索阶段，对其具体的吸波机理还有待进一步的研究，距离工程应用还有很长的路要走。

本文由材料人专栏科技顾问供稿，材料人编辑整理。

材料人建有吸波材料微信群，欢迎添加客服微信（微信号cailiaokefu，或扫以下二维码）申请入群。