激光隱身涂料的研究與應(yīng)用

激光隱身涂料的研究與應(yīng)用

?隨著現(xiàn)代科學(xué)的突飛猛進(jìn)，聲、光、電、等技術(shù)的迅猛發(fā)展，極大地豐富了信息的獲取手段，而這些技術(shù)也正在改變著世界各國的軍事探測和防御體系。隱身技術(shù)便是在探測與反探測技術(shù)進(jìn)步中發(fā)展起來的一種軍用技術(shù)，隱身技術(shù)是指減小目標(biāo)的各種可探測特征，使敵方探測設(shè)備難以發(fā)現(xiàn)或使其探測能力降低的綜合性技術(shù)。它又被稱為隱形技術(shù)，是綜合流體動力學(xué)、材料科學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科技術(shù)的交叉應(yīng)用技術(shù)，通過改變武器裝備等目標(biāo)的可探測信息特征，使敵方探測系統(tǒng)不易發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)距離縮短的綜合技術(shù)。是傳統(tǒng)偽裝技術(shù)走向高技術(shù)化的發(fā)展和延伸。

隱身技術(shù)包括材料隱身技術(shù)、特種煙火技術(shù)、外形隱身技術(shù)、等離子體隱身技術(shù)、仿生隱身等。作為提高武器系統(tǒng)生存能力和突防能力的有效手段，它受到世界各主要軍事國家的高度重視，從20世紀(jì)50年代開始發(fā)展以來，隨著技術(shù)的發(fā)展，從簡單的偽裝到現(xiàn)代反聲、光、電、磁等探測的隱身技術(shù)。現(xiàn)代隱身技術(shù)主要包括反雷達(dá)探測、反紅外探測、反電子探測、反可見光探測和反聲波探測等隱身技術(shù)，近年來激光制導(dǎo)武器的快速發(fā)展，使得反激光探測技術(shù)(即激光隱身技術(shù))也成為了各國競相研究的對象。本文將重點介紹激光隱身材料特別是激光隱身涂料的研究與應(yīng)用進(jìn)展。

　1.激光隱身技術(shù)

　激光作為一種主動探測信號有許多優(yōu)點，它具有亮度高、方向性好、單色性好、相干性好等優(yōu)點。作為雷達(dá)使用時，與普通微波雷達(dá)相比，它又具有分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢。因此，近年來隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光測距機(jī)、激光制導(dǎo)武器、激光雷達(dá)等已研制成功并裝備部隊。激光制導(dǎo)導(dǎo)彈或炸彈的投擲精度、應(yīng)戰(zhàn)能力達(dá)到了驚人的地步，以致可做到被發(fā)現(xiàn)就會被擊中，被擊中就會被摧毀，嚴(yán)重地威脅地面武器的生存，因此，現(xiàn)代戰(zhàn)場上地面武器的激光隱身是必不可少的。激光隱身的原理主要是基于激光測距機(jī)的測距方程。由脈沖激光測距機(jī)的測距方程可知，對于漫反射大目標(biāo)，激光測距機(jī)的最大測程與目標(biāo)反射率的二分之一次方成正比；對于漫反射小目標(biāo)，激光測距機(jī)的最大測程與目標(biāo)反射率的四分之一次方成正比。因此，要實現(xiàn)激光隱身，消弱激光測距機(jī)的測距能力縮短其最大測程，必須降低目標(biāo)對激光的反射率。當(dāng)前，利用激光隱身除了要對抗各種軍用激光測距機(jī)以外，最主要的是要對抗激光制導(dǎo)武器，主要是半主動激光制導(dǎo)武器，包括激光半主動制導(dǎo)導(dǎo)彈、激光半主動制導(dǎo)炸彈和激光半主動制導(dǎo)炮彈等，目標(biāo)實施激光隱身以后可使目標(biāo)指示器照射到目標(biāo)上的激光產(chǎn)生弱的回波，不能被彈上的激光接收器所接收，從而不能實現(xiàn)對目標(biāo)的攻擊。

除了激光半主動制導(dǎo)武器以外，激光隱身還要對抗的就是激光成像雷達(dá)，這時激光隱身的目的將是使目標(biāo)的激光反射特性與背景一致，但目前還未考慮這種情況。通常使用的激光隱身技術(shù)手段主要有兩種：隱身外形技術(shù)和隱身材料技術(shù)。其中隱身外形技術(shù)主要是設(shè)計和改變目標(biāo)的幾何外形，使目標(biāo)的激光散射截面盡量減??；隱身材料技術(shù)則主要是設(shè)計和采用對激光低反射率的材料。而在諸多的隱身材料中，涂料隱身以其施工方便、成本低廉、性能優(yōu)越等特點而一直是隱身技術(shù)的研究重點。

　　2.激光隱身涂料

　目前，常用激光探測器的探測頻率主要集中在1.06μm和10.6μm兩個頻段。在此頻段激光隱身涂料具有高的摩爾吸收率，其化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能等綜合性能優(yōu)良，所以其應(yīng)用范圍很廣。然而，值得注意的是，對某種探測、制導(dǎo)手段具有單一隱身作用的材料，也可能對另一探測、制導(dǎo)手段毫無作用，甚至反而具有“顯形”作用。激光隱身涂料應(yīng)用還必須要考慮的一點是和其他隱身技術(shù)兼容的問題，如激光隱身涂料與可見光、紅外以及雷達(dá)波隱身技術(shù)的兼容問題，需要通過復(fù)合技術(shù)將不同波段的吸波劑及低紅外發(fā)射材料有效耦合在一起，將其做成涂料等，以實現(xiàn)對多種探測手段的復(fù)合隱身。

　2.1激光隱身涂料與可見光隱身的兼容

　可見光一般指波長為0.4～0.78μm的光線，可見光隱身涂料也稱為迷彩涂料，它的作用是使目標(biāo)與背景的顏色協(xié)調(diào)一致，使敵方難以辨識，故選用適當(dāng)?shù)拿圆暑伭线M(jìn)行配色是可見光隱身涂料的關(guān)鍵。激光隱身涂料主要是以降低激光反射率為目標(biāo)，其對光的作用范圍和可見光隱身涂料不同，因此需要對激光隱身涂料進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渖幚?，以使得其同時實現(xiàn)可見光隱身的兼容。

　2.2激光隱身與雷達(dá)波隱身的兼容

　雷達(dá)波長范圍很寬，從100MHz～3000GHz都是雷達(dá)波的范疇，其中2～18GHz的雷達(dá)應(yīng)用比較廣泛，然而由于30～300GHz的毫米波雷達(dá)在大氣中存在幾個損耗較小的“窗口(35GHz、94GHz、140GHz、220GHz)”，所以其在軍事上的應(yīng)用正越來越受到重視。雷達(dá)波隱身技術(shù)主要有兩個方面，一是外形技術(shù)，二是雷達(dá)隱身材料，目標(biāo)通過合理的外觀設(shè)計，并應(yīng)用雷達(dá)波隱身材料便可達(dá)到目標(biāo)對雷達(dá)波隱身的目的。就雷達(dá)波隱身涂料來說，其目的就是降低目標(biāo)表面的雷達(dá)波反射率。激光隱身涂料的目的是降低目標(biāo)在1.06μm以及10.6μm處的反射率，因此激光隱身涂料與雷達(dá)波隱身涂料并不矛盾?？刹捎枚囝l段吸收劑應(yīng)用于涂料中解決，其難點在于尋求具有寬頻帶吸收的涂料用吸收劑，如能制得寬頻帶吸收劑，激光隱身與雷達(dá)隱身的問題就可迎刃而解。對于近紅外激光隱身涂料，可利用近紅外激光隱身涂料對毫米波的透明性，將激光隱身涂料涂敷到毫米波隱身涂層表面，制備毫米波與激光復(fù)合隱身涂層。

　　2.3激光隱身與紅外隱身的兼容

　紅外探測指的是利用波長在3～15μm的紅外輻射特征進(jìn)行探測的方法，考慮到大氣層對紅外線的吸收，紅外探測器的實際工作波段為3～5μm和8～14μm，其熱成像技術(shù)在軍事領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。隨著紅外偵察、探測、制導(dǎo)和熱成像處理技術(shù)的發(fā)展，反紅外探測隱身技術(shù)也越來越重要，它是通過抑制目標(biāo)的紅外輻射，或改變目標(biāo)的熱形狀，從而達(dá)到目標(biāo)與背景的紅外輻射不可區(qū)分的一門技術(shù)。目前，反紅外探測隱身技術(shù)的主要技術(shù)措施有：一是改變紅外輻射特征，二是降低紅外輻射強(qiáng)度。主要是通過降低輻射體的溫度和目標(biāo)的輻射功率，除目標(biāo)的設(shè)計因素外，使用紅外隱身涂料是應(yīng)用最為廣泛的紅外隱身技術(shù)手段。紅外隱身涂料主要是針對紅外熱像儀的偵察，旨在降低武器在紅外波段的亮度，掩蓋或變形武器在紅外熱像儀中的形狀，降低其被發(fā)現(xiàn)和識別的概率。紅外隱身涂料根據(jù)其隱身機(jī)理可大致分為兩個類別，一類是通過隔熱的方式，使目標(biāo)體表面溫度降低以達(dá)到降低紅外信號的目的；另一類，也是應(yīng)用范圍最廣的是紅外低輻射隱身涂料，即通過隱身涂料在目標(biāo)表面的涂覆，使得目標(biāo)體的紅外輻射信號減弱從而達(dá)到紅外隱身的目的。根據(jù)平衡態(tài)輻射理論，對于非透明材料，相同波段范圍內(nèi)的發(fā)射率與反射率之和等于1。

由于目前激光探測器工作波長絕大部分為1.06μm和10.6μm，正好處于紅外波段，激光隱身要求材料要有盡可能低的反射率，而同時紅外隱身要求材料要有盡可能的低的發(fā)射率，這樣激光隱身和紅外隱身就不可避免地成為了一對矛盾體，故兩者協(xié)調(diào)很重要。而且，采用多頻譜隱身材料是無法協(xié)調(diào)此矛盾的。通常是在涂敷紅外隱身涂料或多波段兼容隱身涂料的基礎(chǔ)上對激光反射采取一些補救措施。如采用對抗激光的方法，如發(fā)射煙幕彈等；還有一種方法是犧牲局部范圍的紅外隱身，就是使涂料在1.06μm/10.6μm附近出現(xiàn)較窄的低反射率帶，而其他波段均為低輻射，以此來達(dá)到對激光的隱身，同時又要對紅外隱身的影響不大。這一方法要求低反射帶盡可能窄，因而也成了該方法的難點。

理想狀態(tài)的激光/紅外隱身涂層應(yīng)在1.06μm和10.6μm具有極低的反射率，而在其他紅外波段則具有盡可能高的反射率，如圖1所示。然而這種材料實際上很難獲取。近來，摻雜半導(dǎo)體成為激光隱身涂料的研究熱點，摻雜半導(dǎo)體可作為涂料體系中的非著色顏料，經(jīng)過適當(dāng)選配半導(dǎo)體載流子參數(shù)可使涂料的紅外和激光隱身性能都達(dá)到令人滿意的結(jié)果，同時也不會防礙涂層滿足可見光偽裝的要求。摻雜半導(dǎo)體一般選用InO3或者In2O3和SnO2。通過摻雜使得等離子波長處于合適的范圍，使材料在1.06μm處具有強(qiáng)吸收低反射，在熱紅外波段具有低吸收高反射，從而達(dá)到兩者隱身兼容。

圖1理想狀態(tài)下的激光/紅外隱身兼容涂層示意圖

3.納米激光隱身涂料 　

納米材料是指材料組分特征尺寸在0.1～100nm的材料。它具有極好的吸波特性，具有頻帶寬、兼容性好、質(zhì)量小和厚度薄等特點，對電磁波的透射率及吸收率比微米粉要大得多。

3.1納米材料應(yīng)用于隱身涂料的優(yōu)點

　納米材料是物理學(xué)上的理想黑體，如納米氧化鋅粉、羥基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉以及Y-(re，Ni)合金粉等是優(yōu)良的電磁波吸收材料，不僅能吸收雷達(dá)波，而且能很好地吸收可見光和紅外線，用此配制吸波涂料，可以顯著改善飛機(jī)、坦克、艦艇、導(dǎo)彈、魚雷等武器裝備的隱身性能。由于納米材料具有的小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，因而有常規(guī)材料所沒有的光、電、磁等特殊性能，在隱身材料方面具有如寬頻吸波性能、高吸收以及優(yōu)良的力學(xué)性能等。將納米粉體應(yīng)用于涂料制成納米隱身涂料，由此制得的涂層在很寬的頻帶范圍內(nèi)可以躲避雷達(dá)波的偵察，同時能很好地吸收可見光、紅外線，包括激光探測常用波段的吸收，使其具有紅外隱身和激光隱身作用，可以顯著改善目標(biāo)的隱身性能。而且納米粉體一般在涂料中的添加量較傳統(tǒng)粉體少，易于實現(xiàn)高吸收、涂層薄、質(zhì)量輕、吸收頻帶寬、紅外微波吸收兼容等要求，是一種極具發(fā)展前景的隱身涂層材料。

??　? 3.2納米隱身涂料能夠隱身的原因

　納米材料能夠?qū)崿F(xiàn)隱身的主要原因有兩個：一是由于納米粒子尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長，因此納米材料對這些范圍的波的透過率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，這就很大程度上減小了對波的反射率，使得紅外探測器和雷達(dá)接收到的反射信號變得很微弱，從而達(dá)到隱身的效果；二是由于納米粒子的比表面積比常規(guī)粉體大3～4個數(shù)量級，因此對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多。這樣入射到涂料內(nèi)部的電磁波與隱身涂料相互發(fā)生電導(dǎo)損耗、高頻介質(zhì)損耗、磁滯損耗，并將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能導(dǎo)致電磁波能量衰減，這就使得探測器得到的信號強(qiáng)度大大降低，因此很難被探測器發(fā)現(xiàn)，起到了隱身作用。把納米材料應(yīng)用于涂料可以制得多波段隱身的納米隱身涂料，這是因為：納米粒子具有量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、小尺寸和界面效應(yīng)，使它對各種波長的吸收帶有寬化現(xiàn)象。利用量子尺寸效應(yīng)，使納米粒子的電子能級發(fā)生分裂，分裂的能級間隔正處于欲吸收的波段，如分裂的能級間隔處于微波的能量范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致新的吸波通道產(chǎn)生。另外，由于納米粒子尺寸小比表面積大，表面原子比例高，懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使得界面極化，而高的比表面積造成多重散射，使得納米材料制成的隱身涂料吸波性能良好。

?　　3.3納米隱身涂料的制備特點

　 納米粒子由于其具有大的比表面積等特性，使得其制備的材料有很獨特的性能，在隱身涂料方面的應(yīng)用也逐漸成為一個熱點。然而也正是因為納米粒子的大比表面積有強(qiáng)烈自團(tuán)聚的傾向，這就使得以它作為功能填料制備隱身涂料時和普通的涂料制備方法不同。目前，制備納米涂料的方法主要有：溶膠凝膠法、插層法、原位聚合法以及共混法。溶膠凝膠法制備納米涂料一般是使用烷氧基金屬或其金屬鹽等母體和有機(jī)聚合物的共溶劑，在聚合物存在的情況下，在共溶劑體系中使母體水解或縮合生成納米級的粒子并形成溶膠，溶膠經(jīng)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z進(jìn)而得到涂層。該方法反應(yīng)條件溫和，分散均勻。其缺點是母體大多是硅酸烷基酯，價格昂貴，有毒，而且在干燥過程中，由于溶劑及小分子的揮發(fā)，使材料內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力容易導(dǎo)致材料脆裂，因此很難獲得大面積或較厚的納米復(fù)合涂層。插層制備法是利用許多無機(jī)物(如硅酸鹽類粘土、磷酸鹽類等)具有的層狀結(jié)構(gòu)，在層間嵌入有機(jī)物。通過合適的方法將單體或聚合物插入片層之間，再將厚1nm，寬100nm左右的片層結(jié)構(gòu)基體單元剝離，使其均勻分散于聚合物中，從而實現(xiàn)聚合物與無機(jī)層狀材料在納米尺度上的復(fù)合。原位聚合法是首先將納米粒子分散在單體溶液中，然后使單體進(jìn)行聚合，最后得到含有納米粒子的涂層。共混法的一般制備過程是把基料樹脂熔融或溶解于適宜的溶劑中，然后加入納米粒子的分散液以及其他助劑，充分?jǐn)嚢璧玫郊{米復(fù)合涂料。綜上所述四種納米涂料的常用制備方法，溶膠凝膠法難以制得大面積涂層，插層法則受限于所用納米材料必須有層狀結(jié)構(gòu)，而原位聚合法和共混法制備納米涂料最大的難點在于納米粒子在溶劑或單體中的分散問題。納米粒子在溶劑或單體中的分散是制備納米涂料包括納米隱身涂料的關(guān)鍵所在。我們在制備納米隱身涂料方面做了一些嘗試，特別是在納米粉體的分散方面取得重要突破，通過物理方法和化學(xué)方法相結(jié)合的手段，運用獨特的分散方法，合適的分散劑已經(jīng)制備出了一些應(yīng)用于納米隱身涂料的摻雜半導(dǎo)體的分散液，其粒徑分布圖見圖2所示。這種摻雜型的納米半導(dǎo)體粉末分散液其平均粒徑小于30nm，可以通過共混法或原位聚合法應(yīng)用于納米隱身涂料而充分發(fā)揮其納米效應(yīng)。

圖2某種納米摻雜型半導(dǎo)體粉末的分散液粒徑分布

　 3.4納米隱身涂料的現(xiàn)狀

　近年來，美、俄、法、德、日等國都把納米材料作為新一代隱身材料加以研究和探索。美國在此方面的研究一直處于世界前列，據(jù)報道，美國研制的“超黑粉”納米吸波材料對雷達(dá)波的吸收率達(dá)99%；美國研制的寬頻微波吸波涂層材料是由膠粘劑和納米級微粉填料構(gòu)成。這類多層結(jié)構(gòu)具有很好的磁導(dǎo)率和紅外輻射率，對50MHz～50GHz的電磁波具有良好的吸收性能。例如，美國F117型戰(zhàn)斗機(jī)使用的隱身材料就含有納米粒子。法國也已經(jīng)研制出一種寬頻隱身涂層，這種涂層由粘合劑和納米級微填充材料(由Co、Ni合金和SiC納米顆粒成)。對50MHz～50GHz范圍內(nèi)的電磁波具有良好的吸收性能。此外，國外對Fe、Co、Ni等納米金屬及合金吸收劑進(jìn)行了廣泛的研究。一般來說，采用多相復(fù)合法制出的復(fù)合粉體具有優(yōu)良的吸波性能，其吸收頻帶寬，當(dāng)吸收率大于10dB時，吸收帶寬可達(dá)3.2GHz。另外，國外對納米金屬氧化物吸收劑也進(jìn)行了大量研究。具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬氧化物吸收劑不僅有良好的吸收雷達(dá)波性能，同時還有抑制紅外輻射的功能。

　　?4.激光隱身涂料的應(yīng)用現(xiàn)狀

　從20世紀(jì)90年代以來，隱身兵器幾乎應(yīng)用在所有的海戰(zhàn)武器裝備和領(lǐng)域，并在實踐中嶄露頭角。隨著技術(shù)的進(jìn)步，激光隱身術(shù)將在其他常規(guī)武器中得到越來廣泛的應(yīng)用。目前美國的隱身兵器居世界領(lǐng)先地位，俄、英、法、德、日和瑞典等國也在積極發(fā)展。我國在此方面也已經(jīng)開始了針對性的研究，據(jù)報道，國內(nèi)激光隱身涂料對1.06μm波長的激光吸收率已高達(dá)95%以上。目前，可見光、紅外、雷達(dá)、激光波段兼容，并且均能達(dá)到良好隱身性能的多功能材料是研究的重點，紅外與激光復(fù)合隱身中紅外隱身需要低發(fā)射率的材料，激光隱身需要低反射率的材料，這兩者的復(fù)合隱身是矛盾的。據(jù)報道，通過對各種紅外透明粘合劑如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、醇酸樹脂、Kiaton樹脂、改性乙丙橡膠的研究，以及一些金屬顏料、半導(dǎo)體顏料如ITO的研究，已基本上研制出1.06μm激光與8～14μm紅外波段的復(fù)合隱身涂料。此外采用雙層乃至多層涂敷法也是復(fù)合隱身研究的一種比較容易的方法。由實驗分析可知，激光隱身涂料對雷達(dá)波的透波性能良好，并且厚度很小約為0.1mm，可以將其涂敷于雷達(dá)吸波材料表面，從而實現(xiàn)激光與雷達(dá)復(fù)合隱身。

　5.結(jié)語

　 隨著光電探測技術(shù)的迅速發(fā)展，武裝目標(biāo)將不得不同時面對激光測距與制導(dǎo)以及紅外、雷達(dá)、可見光成像的探測與制導(dǎo)的威脅，單一的激光、紅外、雷達(dá)、可見光隱身材料都已很難起到真正的對抗作用。特別是軍用激光波今后將逐步由10.6μm激光取代，建立在高反射、低輻射基礎(chǔ)上的紅外隱身材料和低反射高吸收基礎(chǔ)上的激光隱身材料在工作原理上發(fā)生了直接沖突，要想在8～14m紅外波段上某一點附近很窄的頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)高吸收低反射，實際上是非常困難的。因此，研究紅外、雷達(dá)與激光復(fù)合隱身的工作原理及方法，已成為急待解決的關(guān)鍵性難題。由于激光探測器大多采用主動式探測方式，即依靠接收目標(biāo)后向反射能量來進(jìn)行工作，因此，激光隱身是以降低目標(biāo)激光后向反射信號，即降低目標(biāo)后向散射截面為出發(fā)點。目前，隱身涂料正向多頻譜、寬頻帶方向發(fā)展，而納米隱身涂料由于其突出的優(yōu)點，可以制得綜合機(jī)械性能良好，以及多頻段、強(qiáng)吸收的多波段隱身涂料，必將成為激光隱身涂料的一個發(fā)展方向?！?/P>