簡介
隱身材料是隱身技術的重要組成部分，在裝備外形不能改變的前提下，隱身材料（stealth material）是實現隱身技術的物質基礎。武器系統採用隱身材料可以降低被探測率，提高自身的生存率，增加攻擊性，獲得最直接的軍事效益。因此隱身材料的發展及其在飛機、主戰坦克、艦船、箭彈上套用，將成為國防高技術的重要組成部分。對於地面武器裝備，主要防止空中雷達或紅外設備探測、雷達制導武器和雷射制導炸彈的攻擊 ；對於作戰飛機，主要防止空中預警機雷達、機載火控雷達和紅外設備的探測，主動和半主動雷達、空對空飛彈和紅外格鬥飛彈的攻擊。為此，常需要雷達、紅外和雷射隱身技術。分類
隱身材料按頻譜可分為聲、雷達、紅外、可見光、雷射隱身材料。按材料用途可分為隱身塗層材料和隱身結構材料。這裡便著重介紹幾類重要的隱身材料。雷達吸波材料
雷達吸波材料是最重要的隱身材料之一，它能吸收雷達波，使反射波減弱甚至不反射雷達波，從而達到隱身的目的。如日本研製的一種由電阻抗變換層和低阻抗諧振層組成的寬頻帶高效吸波塗料，其中變換層由鐵氧體和樹脂混合組成，諧振層由鐵氧體導電短纖維和樹脂組成，在1～20吉赫的雷達波段上吸收率達20分貝以上。雷達吸波材料中尤以結構型雷達吸波材料和吸波塗料最為重要，國外目前已實用的主要也是這兩類隱身材料。結構型雷達吸波材料
結構型雷達吸波材料是一種多功能複合材料，它既能承載作結構件，具備複合材料質輕、高強的優點，又能較好地吸收或透過電磁波，已成為當前隱身材料重要的發展方向。
國外的一些軍機和飛彈均採用了結構型RAM，如SRAM飛彈的水平安定面，A-12機身邊緣、機翼前緣和升降副翼，F-111飛機整流罩，B-1B和美英聯合研製的鷂-Ⅱ飛機的進氣道，以及日本三菱重工研製的空艦彈ASM-1和地艦彈SSM-1的彈翼等均採用了結構型RAM。近年來，複合材料的高速發展為結構吸波材料的研製提供了保障。新型熱塑性PEEK(聚醚醚酮)、PES(聚醚碸)、PPS(聚苯硫醚)以及熱固性的環氧樹脂、雙馬來醯亞胺、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺和異氰酸酯等都具有比較好的介電性能，由它們製成的複合材料具有較好的雷達傳輸和透射性。採用的纖維包括有良好介電透射性的石英纖維、電磁波透射率高的聚乙烯纖維、聚四氟乙烯纖維、陶瓷纖維，以及玻纖、聚醯胺纖維。碳纖維對吸波結構具有特殊意義，近年來，國外對碳纖維作了大量改良工作，如改變碳纖維的橫截面形狀和大小，對碳纖維表面進行表面處理，從而改善碳纖維的電磁特性，以用於吸波結構。
美國空軍研究發現將PEEK、PEK和PPS抽拉的單絲製成復絲分別與碳纖維、陶瓷纖維等按一定比例交替混雜成紗束，編織成各種織物後再與PEEK或PPS製成複合材料，具有優良的吸收雷達波性能，又兼具有重量輕、強度大、韌性好等特點。據稱美國先進戰術戰鬥機(ATF)結構的50%將採用這一類結構吸波材料，材料牌號為APC(HTX)。
國外典型的產品有用於B-2飛機機身和機翼蒙皮的雷達吸波結構，其使用了非圓截面(三葉形、C形)碳纖維和蜂窩夾芯複合材料結構。在該結構中，吸波物質的密度從外向內遞增，並把多層透波蒙皮作面層，多層蒙皮與蜂窩芯之間嵌入電阻片，使雷達波照射在B-2的機身和機翼時，首先由多層透波蒙皮導入，進入的雷達在蜂窩芯內被吸收。該吸波材料的密度為0.032g/cm，蜂窩芯材在6-18GHz時，衰減達20dB；其它的產品如英國Plessey公司的"泡沫LA-1型"吸波結構以及在這一基礎上發展的LA-3、LA-4、LA-1沿長度方向厚度在3.8～7.6cm變化，厚12mm時重2.8kg/m2，用輕質聚氨酯泡沫構成，在4.6～30GHz內入射波衰減大於10dB；Plessey公司的另一產品K-RAM由含磁損填料的芳醯胺纖維組成，厚5～10mm，重7～15kg/m2，在2～18GHz衰減大於7dB。美國Emerson公司的Eccosorb CR和Eccosorb MC系列有較好的吸波性，其中CR-114及CR-124已用於SRAM飛彈的水平安定面，密度為1.6～4.6kg/m2，耐熱180℃，彎曲強度1050kg/cm2，在工作頻帶內的衰減為20dB左右。日本防衛廳技術研究所與東麗株式會社研製的吸波結構，由吸波層(由碳纖維或矽化矽纖維與樹脂複合而成)、匹配層(由氧化鋯、氧化鋁、氮化矽或其它陶瓷製成)、反射層(由金屬、薄膜或碳纖維織物製成)構成，厚2mm，10GHz時復介電數為14-j24、樣品在7～17GHz內反射衰減>10dB。
在結構吸波材料領域，西方國家中以美國和日本的技術最為先進，尤其在複合材料、碳纖維、陶瓷纖維等研究領域，日本顯示出強大的技術實力。英國的Plesey公司也是該領域的主要研究機構。
雷達吸波塗料
雷達吸波塗料主要包括磁損性塗料、電損性塗料。
(1) 磁損性塗料
磁損性塗料主要由鐵氧體等磁性填料分散在介電聚合物中組成。目前國外航空器的雷達吸波塗層大都屬於這一類。這種塗層在低頻段內有較好的吸收性。美國Condictron公司的鐵氧體系列塗料，厚1mm，在2～10GHz內衰減達10～12dB，耐熱達500℃；Emerson公司的Eccosorb Coating 268E厚度1.27mm，重4.9kg/m2，在常用雷達頻段內(1～16GHz)有良好的衰減性能(10dB)。磁損型塗料的實際重量通常為8～16kg/m2，因而降低重量是亟待解決的重要問題。
(2) 電損性塗料
電損性塗料通常以各種形式的碳、SiC粉、金屬或鍍金屬纖維為吸收劑，以介電聚合物為粘接劑所組成。這種塗料重量較輕(一般可低於4kg/m2)，高頻吸收好，但厚度大，難以做到薄層寬頻吸收，尚未見純電損型塗層用於飛行器的報導。90年代美國Carnegie-Mellon大學發現了一系列非鐵氧體型高效吸收劑，主要是一些視黃基席夫鹼鹽聚合物，其線型多烯主鏈上含有連線二價基的雙鏈碳-氮結構，據稱塗層可使雷達反射降低80%，比重只有鐵氧體的1/10，有報導說這種塗層已用於B-2飛機。
紅外隱身材料
紅外隱身材料作為熱紅外隱身材料中最重要的品種，因其堅固耐用、成本低廉、製造施工方便，且不受目標幾何形狀限制等優點一直受到各國的重視，是近年來發展最快的熱隱身材料，如美國陸軍裝備研究司令部、英國BTRRLC公司材料系統部、澳大利亞國防科技組織的材料研究室、德國PUSH GUNTER和瑞典巴拉居達公司均已開發了第二代產品，有些可兼容紅外、毫米波和可見光。近年來美國等西方國家在探索新型顏料和粘接劑等領域作了大量工作。新一代的熱隱身塗料大多採用熱紅外透明度。國內外目前研製的紅外隱身材料主要有單一型和複合型兩種。單一型紅外隱身材料
導電高聚物材料重量輕、材料組成可控性好且導電率變化範圍大，因此作為單一紅外隱身材料使用的前景十分樂觀，但其加工較困難且價格相當昂貴，除聚苯胺外尚無商品生產。E. R. Stein等人研究發現, 導電聚合物聚吡咯在 1. 0～2. 0GHz 對電磁波的衰減達26dB。中科院化學所的萬梅香等人研製的導電高聚物塗層材料，當塗層厚度在 10～15μm 時，一些導電高聚物在8～20μm 的範圍內的紅外發射率可小於0. 4。
複合型紅外隱身材料
複合型紅外隱身材料主要有塗料型隱身材料、多層隱身材料和夾芯材料。
(1) 塗料型隱身材料
塗料型紅外隱身材料一般由粘合劑和填料兩部分組成。填料和粘合劑是影響紅外隱身性能的主要因素,目前的研究大多針對熱隱身。
(2) 多層隱身材料
多層隱身材料中最常見的是塗敷型雙層材料。一般有微波吸收底層和紅外吸收面層組成。德國的 Boehne研製了一種雙層材料, 底層有導電石墨、炭化硼等雷達吸收劑 ( 75%～85%) , Sb2O3 阻燃劑( 6%～8%) 和橡膠粘合劑( 7%～18%) 組成，面層含有在大氣視窗具有低發射率的顏料。國內研製出了面層為低發射率的紅外隱身材料, 內層雷達隱身材料可用結構型和塗層型兩種吸波材料的雙層隱身材料。
(3) 夾芯材料
夾芯材料一般由面板和芯組成。面板一般為透波材料, 芯為電磁損耗材料和紅外隱身材料。
納米複合隱身材料
納米材料的特性表面效應。納米微粒尺寸小，表面能高，位於表面的原子占相當大的比例，隨著粒徑的減小，表面原子數量比迅速增加。由於表面原子數量比增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩定，很容易與其他原子結合。
量子尺寸效應。粒子尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子連續能級離散化，致使納米材料具有高的光學非線性，特異的催化及光催化特性。
小尺寸效應。當超細微粒的尺寸與光波波長或德布羅意波長及超導態的相干長度等物理尺寸特徵相當或者更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞，從而產生一系列的光學、熱學、磁學和力學性質。
納米複合隱身材料的隱身機理
由於納米材料的結構尺寸在納米數量級，物質的量子尺寸效應和表面效應等方面對材料性能有重要影響。隱身材料按其吸波機制可分為電損耗型與磁損耗型。電損耗型隱身材料包括SiC粉末、SiC纖維、金屬短纖維、鈦酸鋇陶瓷體、導電高聚物以及導電石墨粉等；磁損耗型隱身材料包括鐵氧體粉、羥基鐵粉、超細金屬粉或納米相材料等。下面分別以納米金屬粉體（如Fe、Ni等）與納米Si/C/N粉體為例，具體分析磁損耗型與電損耗型納米隱身材料的吸波機理。
金屬粉體（如Fe、Ni等）隨著顆粒尺寸的減小，特別是達到納米級後，電導率很低，材料的比飽和磁化強度下降，但磁化率和矯頑力急劇上升。其在細化過程中，處於表面的原子數越來越多，增大了納米材料的活性，因此在一定波段電磁波的輻射下，原子、電子運動加劇，促進磁化，使電磁能轉化為熱能，從而增加了材料的吸波性能。一般認為，其對電磁波能量的吸收由晶格電場熱振動引起的電子散射、雜質和晶格缺陷引起的電子散射以及電子與電子之間的相互作用三種效應來決定。
納米Si/C/N粉體的吸波機理與其結構密切相關。但目前對其結構的研究並沒有得出確切結論，本文僅以M.Suzuki等人對雷射誘導SiH4+C2H4+NH3氣相合成的納米Si/C/N粉體所提出的Si（C）N固溶體結構模型來作說明。其理論認為，在納米Si/C/N粉體中固溶了N，存在Si（N）C固溶體，而這些判斷也得到了實驗的證實。固溶的N原子在SiC晶格中取代C原子的位置而形成帶電缺陷。在正常的SiC晶格中，每個碳原子與四個相鄰的矽原子以共價鍵連線，同樣每個矽原子也與周圍的四個碳原子形成共價鍵。當N原子取代C原子進入SiC後，由於N只有三價，只能與三個Si原子成鍵，而另外的一個Si原子將剩餘一個不能成鍵的價電子。由於原子的熱運動，這個電子可以在N原子周圍的四個Si原子上運動，從一個Si原子上跳躍到另一個Si原子上。在跳躍過程中要克服一定勢壘，但不能脫離這四個Si原子組成的小區域，因此，這個電子可以稱為“準自由電子”。在電磁場中，此“準自由電子”在小區域內的位置隨電磁場的方向而變化，導致電子位移。電子位移的馳豫是損耗電磁波能量的主要原因。帶電缺陷從一個平衡位置躍遷到另一個平衡位置，相當於電矩的轉向過程，在此過程中電矩因與周圍粒子發生碰撞而受阻，從而運動滯後於電場，出現強烈的極化馳豫。
納米複合隱身材料因為具有很高的對電磁波的吸收特性，已經引起了各國研究人員的極度重視，而與其相關的探索與研究工作也已經在多國展開。儘管目前工程化研究仍然不成熟，實際套用未見報導，但其已成為隱身材料重點研究方向之一，今後的發展前景一片光明。而其一旦套用於實際產品，也必將會對各國的政治、經濟、軍事等多方面產生巨大影響。
納米材料的製備方法
下面重點以兩種常用的方法來討論納米材料的製備方法。
（1）溶膠－凝膠法
溶膠－凝膠法是近年來發展的一種製備納米材料的新工藝。此法是將金屬有機或無機化合物經溶液製成溶膠，再在一定條件下（如加熱）將其脫水，則具有流動性的溶膠逐漸變粘稠，成為略顯彈性的固體凝膠，再將凝膠乾燥、焙燒得到納米級產物。燒結的方式和溫度隨物料的不同也有差異，如用微波加熱代替常規加熱，在較低的溫度和極短時間內合成了粒度小、純度高的超細粉；還比如用γ射線照射製得納米級CdSe/聚丙烯醯胺複合粉。此類方法還能製備氣孔互聯的多孔納米材料。可利用液體滲透、物理方法和化學沉積、熱解、氧化及還原反應來填充氣孔以製備複合材料。目前採用此法製備納米材料的具體技術和工藝很多，但按其產生溶膠－凝膠的機制來分主要有三種類型。
（a）傳統膠體型。通過控制溶液中金屬離子的沉澱過程，使形成的顆粒不團聚成大顆粒而沉降，得到穩定均勻的溶膠，再經蒸發溶劑（脫水）得到凝膠。Adriana S.Albuquerque等人運用傳統膠體法使Ni0.5Zn0.5Fe2O4納米顆粒向前在SiO2玻璃相中，通過改變鐵氧體的量和退火溫度來獲得需要的磁性能。
（b）無機聚合物型。通過可溶性聚合物在水或有機相中的溶膠－凝膠法過程，使金屬離子均勻分散於凝膠中。常用聚合物有聚乙烯醇、硬脂酸、聚丙烯醯胺等。王麗等人用聚乙烯醇溶膠－凝膠法製得Ni1-xZnxFe2O4（0≤x≤1）納米顆粒，此法得到的產物純度高，顆粒細，熱處理溫度低。Gang Xiong等人用硬脂酸凝膠法製得10－25nm大小的Ba4Co2Fe36O60粉末，且隨熱處理溫度提高，粉末形狀由球形轉化為立方體。
（c）絡合物型。利用絡合劑將金屬離子形成絡合物，再經溶膠－凝膠過程形成絡合物凝膠。常用絡合劑有檸檬酸等。劉常坤採用檸檬酸絡合分解的溶膠－凝膠法製得平均粒徑30nm且分散均勻的CoFe2O4超細微粒。
與其他傳統的無機材料製備方法相比，溶膠－凝膠法具有反應燒結溫度低，粒徑分布均勻等優點，但其也有反應時間過長，凝膠易開裂等缺點。這些都值得我們在套用此法時給予足夠的注意。
（2）雷射誘導化學氣相反應法
雷射誘導化學氣相反應法是利用雷射來引發、活化反應物系，從而合成高品位納米材料的一種方法。其基本原理是：利用大功率雷射器的雷射束照射於反應氣體，反應氣體通過對雷射光子的強吸收，氣體分子或原子在瞬間得到加熱、活化，在極短時間內反應氣體分子或原子獲得化學反應所需要的溫度，迅速完成反應、成核與凝聚、生長等過程，從而製得相應物質的納米微粒。因此，簡單的說，雷射法就是利用雷射光子能量加熱反應體系，從而製得納米微粒的一種方法。通常，入射雷射束垂直於反應氣流，反應氣體分子或原子吸收雷射光子後被迅速加熱，根據J S Haggerty的估算，雷射加熱的速率為106－108°C/s，加熱到反應最高溫度的時間小於10－4s。被加熱的反應氣流將在反應區域內形成穩定分布的火焰，火焰中心的溫度一般遠高於相應化學反應所需溫度，因此反應將在10－3s內完成。生成的核粒子在載氣流的吹送下迅速脫離反應區，經短暫生長過程到達收集室。
入射雷射能否引發化學反應取決於入射光的頻率——氣體分子對光能的吸收係數一般與入射光頻率有關。為保證製備過程中反應生成的核粒子快速冷凝，獲得超細微粒，需要冷壁式反應室。常用水冷式反應器壁和透明輻射式反應器壁。這樣有利於在反應室中構成較大溫度梯度分布，加速生成核粒子冷凝，抑制其過分生長。此外，為防止顆粒碰撞、粘連團聚，甚至燒結，還需要在反應器內配惰性保護氣體，使生成的納米微粒的粒徑得到保證。另外，通過對加入反應氣體成分的控制，可以製得複合納米材料。
雷射法與普通加熱法製備納米微粒有極大不同，這主要表現為：
（a）冷的反應器壁，無潛在污染。
（b）原料氣體分子直接或間接吸收光子能量後迅速進行反應。
（c）反應具有選擇性。
（d）反應區條件可以被精確的控制。
（e）雷射能量高度集中，反應區與周圍環境之間溫度梯度大，有利於生成核粒子快速凝結。
由於雷射法具有上述的技術優勢，因此，採用此法可以製得均勻、高純、超細、粒度窄分布的各類微粒。儘管存在成本較高的問題，但這種方法也已經開始走向工業化，畢竟，雷射法是一種製備納米微粒的理想方法。
納米複合隱身材料的複合新技術
隱身材料按其吸波機制可分為電損耗型與磁損耗型。電損耗型隱身材料包括SiC粉末、SiC纖維、金屬短纖維、鈦酸鋇陶瓷體、導電高聚物以及導電石墨粉等；磁損耗型隱身材料包括鐵氧體粉、羥基鐵粉、超細金屬粉或納米相材料等。運用複合技術對這些材料進行納米尺度上的複合便可得到吸波性能大為提高的納米複合隱身材料。近年來，納米複合隱身材料的製備新技術發展的很迅速，這些新的複合技術主要包括一下幾種：
（a）以在材料合成過程中於基體中產生彌散相且與母體有良好相容性、無重複污染為特點的原位複合技術。
（b）以自放熱、自潔淨和高活性、亞穩結構產物為特點的自蔓延複合技術。
（c）以組分、結構及性能漸變為特點的梯度複合技術
（d）以攜帶電荷基體通過交替的靜電引力來形成層狀高密度、納米級均勻分散材料為特點的分子自組裝技術。
（e）依靠分子識別現象進行有序堆積而形成超分子結構的超分子複合技術。
材料的性能與組織結構有密切關係。與其他類型的材料相比，複合材料的物相之間有更加明顯並成規律化的幾何排列與空間結構屬性，因此複合材料具有更加廣泛的結構可設計性。納米隱身符合材料因綜合了納米材料與複合材料兩者的優點而具有良好的對電磁波的吸收特性，已經成為目前各主要國家材料科技界人士爭相研究的熱點之一。
其它隱身材料
電路模擬隱身材料該技術是在合適的基底材料上塗敷導電的薄窄條網路、十字形或更複雜的幾何圖形, 或在複合材料內部埋入導電高分子材料形成電阻網路, 實現阻抗匹配及損耗, 從而實現高效電磁波吸收。這種材料能在給定的體積範圍內產生高於較簡單類型吸波材料的性能。但對每一種套用, 都必須運用等效電路或二維周期介質論在計算機上進 行 特定的匹配設計, 而且涉及計算比較麻煩。
手征隱身材料
所謂的手征是指一個物體不論是通過平移或鏇轉都不能與其鏡像重合的性質。研究表明, 手征材料能夠減少入射電磁波的反射並能夠吸收電磁波。目前, 用於微波波段的手征材料都是人造的。現在研究的手征吸波材料是在基體中摻雜手徵結構物質形成的手征複合材料。
紅外隱身柔性材料
這種材料是指以織物為中心開發的各種紅外隱身材料, 常常以高性能纖維織物為基礎。
紅外隱身服
美國特立屈公司( TeledyncIndustr ies Inc) 設計出一種紅外隱身效果較好的隱身服，它由多層塗層織物複合加工而成。基布採用多孔尼龍網，並在表面鍍銀，再在基布上貼上具有不同紅外發射率的布條，布條的一端可以自由飄動，同時控制布條表面塗層面積的大小和形狀。這種隱身服可以與背景保持一致，從而保證人體的紅外特性難於被紅外探測器探測到。
