激光隱身涂料的研究與應用

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

隱身技術包括材料隱身技術、特種煙火技術、外形隱身技術、等離子體隱身技術、仿生隱身等。作為提高武器系統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50年代開始發展以來，隨著技術的發展，從簡單的偽裝到現代反聲、光、電、磁等探測的隱身技術。現代隱身技術主要包括反雷達探測、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，近年來激光制導武器的快速發展，使得反激光探測技術(即激光隱身技術)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用進展。

　1.激光隱身技術

　激光作為一種主動探測信號有許多優點，它具有亮度高、方向性好、單色性好、相干性好等優點。作為雷達使用時，與普通微波雷達相比，它又具有分辨力高、抗干擾能力強、隱蔽性好、體積小、質量輕等優勢。因此，近年來隨著激光技術的發展，激光測距機、激光制導武器、激光雷達等已研制成功并裝備部隊。激光制導導彈或炸彈的投擲精度、應戰能力達到了驚人的地步，以致可做到被發現就會被擊中，被擊中就會被摧毀，嚴重地威脅地面武器的生存，因此，現代戰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的測距方程。由脈沖激光測距機的測距方程可知，對于漫反射大目標，激光測距機的最大測程與目標反射率的二分之一次方成正比；對于漫反射小目標，激光測距機的最大測程與目標反射率的四分之一次方成正比。因此，要實現激光隱身，消弱激光測距機的測距能力縮短其最大測程，必須降低目標對激光的反射率。當前，利用激光隱身除了要對抗各種軍用激光測距機以外，最主要的是要對抗激光制導武器，主要是半主動激光制導武器，包括激光半主動制導導彈、激光半主動制導炸彈和激光半主動制導炮彈等，目標實施激光隱身以后可使目標指示器照射到目標上的激光產生弱的回波，不能被彈上的激光接收器所接收，從而不能實現對目標的攻擊。

除了激光半主動制導武器以外，激光隱身還要對抗的就是激光成像雷達，這時激光隱身的目的將是使目標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手段主要有兩種：隱身外形技術和隱身材料技術。其中隱身外形技術主要是設計和改變目標的幾何外形，使目標的激光散射截面盡量減小；隱身材料技術則主要是設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、性能優越等特點而一直是隱身技術的研究重點。

　　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，其化學穩定性、熱穩定性和力學性能等綜合性能優良，所以其應用范圍很廣。然而，值得注意的是，對某種探測、制導手段具有單一隱身作用的材料，也可能對另一探測、制導手段毫無作用，甚至反而具有“顯形”作用。激光隱身涂料應用還必須要考慮的一點是和其他隱身技術兼容的問題，如激光隱身涂料與可見光、紅外以及雷達波隱身技術的兼容問題，需要通過復合技術將不同波段的吸波劑及低紅外發射材料有效耦合在一起，將其做成涂料等，以實現對多種探測手段的復合隱身。

　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，它的作用是使目標與背景的顏色協調一致，使敵方難以辨識，故選用適當的迷彩顏料進行配色是可見光隱身涂料的關鍵。激光隱身涂料主要是以降低激光反射率為目標，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行適當的配色處理，以使得其同時實現可見光隱身的兼容。

　2.2激光隱身與雷達波隱身的兼容

　雷達波長范圍很寬，從100MHz～3000GHz都是雷達波的范疇，其中2～18GHz的雷達應用比較廣泛，然而由于30～300GHz的毫米波雷達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用正越來越受到重視。雷達波隱身技術主要有兩個方面，一是外形技術，二是雷達隱身材料，目標通過合理的外觀設計，并應用雷達波隱身材料便可達到目標對雷達波隱身的目的。就雷達波隱身涂料來說，其目的就是降低目標表面的雷達波反射率。激光隱身涂料的目的是降低目標在1.06μm以及10.6μm處的反射率，因此激光隱身涂料與雷達波隱身涂料并不矛盾。可采用多頻段吸收劑應用于涂料中解決，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，其熱成像技術在軍事領域已經得到廣泛的應用。隨著紅外偵察、探測、制導和熱成像處理技術的發展，反紅外探測隱身技術也越來越重要，它是通過抑制目標的紅外輻射，或改變目標的熱形狀，從而達到目標與背景的紅外輻射不可區分的一門技術。目前，反紅外探測隱身技術的主要技術措施有：一是改變紅外輻射特征，二是降低紅外輻射強度。主要是通過降低輻射體的溫度和目標的輻射功率，除目標的設計因素外，使用紅外隱身涂料是應用最為廣泛的紅外隱身技術手段。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，降低其被發現和識別的概率。紅外隱身涂料根據其隱身機理可大致分為兩個類別，一類是通過隔熱的方式，使目標體表面溫度降低以達到降低紅外信號的目的；另一類，也是應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表面的涂覆，使得目標體的紅外輻射信號減弱從而達到紅外隱身的目的。根據平衡態輻射理論，對于非透明材料，相同波段范圍內的發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，故兩者協調很重要。而且，采用多頻譜隱身材料是無法協調此矛盾的。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附近出現較窄的低反射率帶，而其他波段均為低輻射，以此來達到對激光的隱身，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。

理想狀態的激光/紅外隱身涂層應在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，摻雜半導體成為激光隱身涂料的研究熱點，摻雜半導體可作為涂料體系中的非著色顏料，經過適當選配半導體載流子參數可使涂料的紅外和激光隱身性能都達到令人滿意的結果，同時也不會防礙涂層滿足可見光偽裝的要求。摻雜半導體一般選用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處具有強吸收低反射，在熱紅外波段具有低吸收高反射，從而達到兩者隱身兼容。

圖1理想狀態下的激光/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納米材料應用于隱身涂料的優點

　納米材料是物理學上的理想黑體，如納米氧化鋅粉、羥基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉以及Y-(re，Ni)合金粉等是優良的電磁波吸收材料，不僅能吸收雷達波，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、坦克、艦艇、導彈、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、表面與界面效應、量子效應、宏觀量子隧道效應，因而有常規材料所沒有的光、電、磁等特殊性能，在隱身材料方面具有如寬頻吸波性能、高吸收以及優良的力學性能等。將納米粉體應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可以躲避雷達波的偵察，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，可以顯著改善目標的隱身性能。而且納米粉體一般在涂料中的添加量較傳統粉體少，易于實現高吸收、涂層薄、質量輕、吸收頻帶寬、紅外微波吸收兼容等要求，是一種極具發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

　納米材料能夠實現隱身的主要原因有兩個：一是由于納米粒子尺寸遠小于紅外及雷達波波長，因此納米材料對這些范圍的波的透過率比常規材料要強得多，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接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的效果；二是由于納米粒子的比表面積比常規粉體大3～4個數量級，因此對紅外光和電磁波的吸收率也比常規材料大得多。這樣入射到涂料內部的電磁波與隱身涂料相互發生電導損耗、高頻介質損耗、磁滯損耗，并將電磁能轉化成熱能導致電磁波能量衰減，這就使得探測器得到的信號強度大大降低，因此很難被探測器發現，起到了隱身作用。把納米材料應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、宏觀量子隧道效應、小尺寸和界面效應，使它對各種波長的吸收帶有寬化現象。利用量子尺寸效應，使納米粒子的電子能級發生分裂，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，從而導致新的吸波通道產生。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烈自團聚的傾向，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，溶膠經蒸發干燥轉變為凝膠進而得到涂層。該方法反應條件溫和，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，使材料內部產生收縮應力容易導致材料脆裂，因此很難獲得大面積或較厚的納米復合涂層。插層制備法是利用許多無機物(如硅酸鹽類粘土、磷酸鹽類等)具有的層狀結構，在層間嵌入有機物。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左右的片層結構基體單元剝離，使其均勻分散于聚合物中，從而實現聚合物與無機層狀材料在納米尺度上的復合。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，充分攪拌得到納米復合涂料。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構，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方法相結合的手段，運用獨特的分散方法，合適的分散劑已經制備出了一些應用于納米隱身涂料的摻雜半導體的分散液，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用于納米隱身涂料而充分發揮其納米效應。

圖2某種納米摻雜型半導體粉末的分散液粒徑分布

　 3.4納米隱身涂料的現狀

　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，據報道，美國研制的“超黑粉”納米吸波材料對雷達波的吸收率達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成。這類多層結構具有很好的磁導率和紅外輻射率，對50MHz～50GHz的電磁波具有良好的吸收性能。例如，美國F117型戰斗機使用的隱身材料就含有納米粒子。法國也已經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行了廣泛的研究。一般來說，采用多相復合法制出的復合粉體具有優良的吸波性能，其吸收頻帶寬，當吸收率大于10dB時，吸收帶寬可達3.2GHz。另外，國外對納米金屬氧化物吸收劑也進行了大量研究。具有復合結構的金屬氧化物吸收劑不僅有良好的吸收雷達波性能，同時還有抑制紅外輻射的功能。

　　?4.激光隱身涂料的應用現狀

　從20世紀90年代以來，隱身兵器幾乎應用在所有的海戰武器裝備和領域，并在實踐中嶄露頭角。隨著技術的進步，激光隱身術將在其他常規武器中得到越來廣泛的應用。目前美國的隱身兵器居世界領先地位，俄、英、法、德、日和瑞典等國也在積極發展。我國在此方面也已經開始了針對性的研究，據報道，國內激光隱身涂料對1.06μm波長的激光吸收率已高達95%以上。目前，可見光、紅外、雷達、激光波段兼容，并且均能達到良好隱身性能的多功能材料是研究的重點，紅外與激光復合隱身中紅外隱身需要低發射率的材料，激光隱身需要低反射率的材料，這兩者的復合隱身是矛盾的。據報道，通過對各種紅外透明粘合劑如酚醛樹脂、環氧樹脂、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紅外波段的復合隱身涂料。此外采用雙層乃至多層涂敷法也是復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吸波材料表面，從而實現激光與雷達復合隱身。

　5.結語

　 隨著光電探測技術的迅速發展，武裝目標將不得不同時面對激光測距與制導以及紅外、雷達、可見光成像的探測與制導的威脅，單一的激光、紅外、雷達、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、低輻射基礎上的紅外隱身材料和低反射高吸收基礎上的激光隱身材料在工作原理上發生了直接沖突，要想在8～14m紅外波段上某一點附近很窄的頻帶范圍內實現高吸收低反射，實際上是非常困難的。因此，研究紅外、雷達與激光復合隱身的工作原理及方法，已成為急待解決的關鍵性難題。由于激光探測器大多采用主動式探測方式，即依靠接收目標后向反射能量來進行工作，因此，激光隱身是以降低目標激光后向反射信號，即降低目標后向散射截面為出發點。目前，隱身涂料正向多頻譜、寬頻帶方向發展，而納米隱身涂料由于其突出的優點，可以制得綜合機械性能良好，以及多頻段、強吸收的多波段隱身涂料，必將成為激光隱身涂料的一個發展方向。