1、导电高分子材料在隐导电高分子材料在隐 身技术中的应用身技术中的应用化041肖怀博3040821018 1概述. 隐身技术是一项跨学科的综合技术, 它涉及到电磁、材料、能量转换、信息处理等学科和技术。本文简单介绍了材料隐身的隐身机理及材料隐身技术对材料的要求, 说明了导电高分子材料是隐身材料的 优选材料之一, 综述了导电高分子材料在雷达隐身、红外隐身技术中的应用。 隐身技术是一项跨学科的综合技术, 是一门多学科的系统工程, 它涉及到电磁、材料、能量转换、信息处理学科和技术。它包括外形设计, 电子对抗技术和使用隐身材料作为武器表面结构三个重要方面, 多年来的研究表明, 只有将上述三个方面有机地结合
2、起来, 才能获得更好的隐身效果。 隐身材料是隐身技术的关键。目前, 世界军事大国正在开发的几种新型隐身材料有: 手性材料、纳米隐身材料、导电高分子材料、陶瓷类吸收剂、盐类吸收剂、多晶铁纤维吸收剂、等离子体吸收剂等, 由于导电高分子材料的结构多样化、密度小和独特物理化学性质, 引起科学界的广泛重视。 许多新科学、新技术, 一旦被发现, 很快就被用于军事上。导电高分子材料也是如此, 自从问世以来, 就被军事技术专家看好, 到目前为止, 导电高分子材料正逐步被作为隐身材料应用于航空航天技术, 本文就导电高分子材料在隐身技术中的应用进行介绍。2.材料隐身的隐身机理 隐身技术是航空航天领域内出现的新技术
3、,它是指在一定的范围内降低需隐身目标的信号反射特征或者减少自身特征信号的泄漏,使其难以被信号探测器发现的技术, 包括雷达波隐身、红外隐身及其它隐身技术。 材料隐身技术的关键是它必须能够减弱、吸收、耗散和散射各种类型的电磁辐射。通过设计合理的材料性能和结构, 使电磁波穿过材料时被吸收, 转换成热能而散失掉, 以至电磁波尽可能少地被反射到雷达或者各类探测器; 或者改变电磁波的频率, 使反射电磁波的中心频率远离探测器的接受频率; 或者减小武器装备自身电磁波的泄露, 以达到隐身的目的。因此对材料隐身技术的研究就是对吸波材料、屏蔽材料和透波材料的研究。 按照吸波机理, 吸波材料分为电阻型吸波材料、电介质
4、型吸波材料和磁介质型吸波材料。电阻型吸波材料主要靠材料在电磁场中的导电或漏电损耗能量, 材料的体积电阻率越小, 吸波效果越佳, 但材料的电阻率的降低却增加了材料的反射能力, 以至自由空间的电磁波难以进入材料的内部, 不能达到吸波的目的。电介质型吸波材料主要是靠其在电磁场中的反复极化损耗能量, 电介质材料的介电常数增加或损耗角正切增加都会提高吸波率, 但介电常数的增加将导致材料表面反射能力的增强, 不利于电磁波进入材料内部而被吸收, 为了提高吸收效果,只有设法提高材料的介电损耗角正切。磁介质型吸波材料对电磁场的损耗主 主是磁滞损耗、涡流损耗、畴壁位移损耗、剩磁损耗以及共振损耗等多种损耗共同作用的
5、结果, 磁性吸波材料中所用的吸波剂大多是铁氧体、羰基铁粉、金属钴粉等磁性材料, 通过它们与粘合剂以不同的比例、复合方式等途径来调整吸波材料的参数,达到吸波的目的。 屏蔽材料的电磁屏蔽原理是采用低电阻的导体材料对电磁能流具有反射和引导作用, 在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化, 从而减少源电磁场的辐射。一般设备用的磁屏蔽材料大多为金属材料, 但在武器装备上,使用金属屏蔽材料要产生较大的反射面, 不易作为屏蔽材料使用, 故一般使用非金属材料, 主要为导电高分子材料3 材料隐身技术对材料的要求 隐身材料用的吸波材料根据用途可分为涂层吸波材料和结构型吸波材料, 其关键是选择和调整材料的复介
6、电参数(u, ), 以满足吸波材料的电性能要求。为了增强实用性, 满足各种飞行器的特殊要求, 吸波材料必须具有质轻、宽带、吸波强、稳定性好、可设计性强等特点，而导电高分子材料由于具有结构的多样化、独特的物理化学性质, 同时具有较强的可设计性, 因此导电高分子材料正是满足要求的材料之一。4导电高分子材料在隐身技术中的应用 导电高分子材料按其组成和导电机理可以分为本征型导电高分子材料和复合型导电高分子材料。本征型导电高分子材料是指聚合物本身具有导电性或经掺杂处理后才具有导电功能的聚合物材料。主要有共轭型, 如聚乙炔、线性聚苯、面型高聚物等; 金属型螯合物, 如聚铜酞氰等; 电子转移络合物, 如聚阳
7、离子Co 络合物等。由于此类导电聚合物加工合成困难、成本高, 仍处于研究阶段, 应用受到限制。 复合型导电高分子材料, 即导电聚合物复合材料, 是指以通用聚合物为基体, 通过加入各种导电性物质, 采用物理化学方法复合后而得到的既具有一定导电功能又具有良好力学性能的多相复合材料。此种导电高分子材料由于加工方便, 成本相对较低, 可设计性强, 得到了相对广泛的应用。 获得复合型导电高分子材料的方法有两种, 一种是在基体聚合物中填充各种导电填料;另一种则是将结构型导电聚合物或亲水性聚合 物与基体聚合物共混。导电高分子复合材料的导电机理比较复杂, 通常包括导电通道、隧道效应和场致发射三种, 导电性能是
8、这三种导电机理作用的结果。 通过在高分子材料中添加不同的组分、相来改变调整导电高分子材料的不同的介电参数, 以达到隐身材料所需的要求。 导电高分子材料不论在结构型隐身材料还是在隐身涂料材料中均有应用。4. 1在雷达隐身技术中的应用 英国Plessey 公司采用聚氨酯泡沫基材料浸泽碳墨或者石墨, 研制成LA 1 型泡沫导电高分子吸波材料, 在 2 GHz 18 GHz 宽频带内, 吸波性能较好, 已用于隐身飞机的机身和机翼上。 王国强等人用导电聚合物与纳米级磁性材料进行复合得到了具有很好吸波效果的材料,试验表明纳米复合比非纳米复合效果更好, 表现出特有的性质, 其结构一方面有利于电磁波的吸收,
9、另一方面, 密度小, 超薄的厚度更能满足航空航天的需要。 为了减少机体内金属材料制造的发动机导线和电子设备等的电磁泄漏, 透波材料在减少雷达散射截面积方面作用并不太大, 主要是用大量的雷达吸波材料(RAM ), 使用的雷达吸波材料部分为导电高分子材料如石墨2环氧树脂、Kevlar 等。 导电高分子材料作为吸收剂被应用。导电聚合物主要有聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺 等, 这些导电聚合物的纳米微粉具有良好的吸 波效果, 与纳米金属吸收剂复合后吸波效果更佳。 聚苯胺由于其结构的多样化, 环境稳定性好、易加工、价格低廉以及特殊的掺杂机制而成为导电高分子的研究热点。其已被应用于吸波材料和电磁屏蔽材料。
10、在美国用聚苯胺制成的导电高分子屏蔽材料的屏蔽效果已达到40 dB。以上。我国华因科技有限公司研制的屏蔽系列涂料, 在80 m 时, 屏蔽效能达到了40 dB 60dB 。 利用掺杂态导电高分子的导电性和半导体性, 反射或吸收电磁波, 已经用导电聚吡咯纤维编制成迷彩盖布, 可以干扰敌方的电子侦察。 在电子仪器的壳体内部或孔壁涂上导电高分子涂层, 可将其导电能力提高到10-1 S /cm 以上, 以实现仪器壳体内外的电磁屏蔽作用。 利用导电高分子在掺杂前后导电能力的巨大变化, 实现防护层从反射电磁波到透过电磁波的切换, 实现智能隐身的功能。4. 2在红外激光隐身技术中的应用 用于热隐身的材料应具备
11、以下基本特征:具有符合要求的热红外发射率或较强的控温能力; 具有合理的表面结构; 具有较低的太阳能吸收率; 能与其它频段的隐身要求兼容。国外研究得较多的是涂料型红外隐身材料, 其次是薄膜材料。红外粘合剂及红外涂层用树脂有以下特点: 必须保护好填料, 并在涂层的整个使用期保持它们的红外特性不变; 其次, 树脂必须在所选光谱范围红外特性的透明, 导电高分子比较符合要求, 因此在红外隐身技术中得到广泛应用。 下面列出几种导电高分子材料的组成及红外隐身效果 。第一种材料基本成分为A l (10 20)、Co (2 15)、CoO (2 5)、TiO2(723)、有机硅醇酸树脂(65 75),其它材料，
12、具有可见光伪装好的特点。第二种材料基本成分为A l(10 20)、ZnS(5 9)、Sb2S (8 14)、 A l2O 3 3 7)、有机硅醇酸树脂(40 60)、有机颜料(1. 3 1. 8)、其它材料, 具有可见光伪装好的特点。第三种材料基本成分为A l箔片、商业无色聚氨酯漆、炭黑。 随着热红外技术的不断发展, 用于热伪装的具有低辐射的彩色涂料正在加紧研究。据报道, 聚乙烯、乙烯和醋酸乙烯共聚物、氮化聚丙烯等热透明粘合剂和金属颜料制成的低辐射涂料在3 um 5 um、8 um 14 um 两个大气窗口的辐射率约为0. 6左右 目前国内外兼容雷达隐身的热红外隐身导电高分子材料主要有两层结构
13、组成, 一般面层含有3 um 5 um、8 um 14 um 波长范围内的具有低发射率的颜料; 底层有炭化硼、导电石墨、导电 聚酚醛等雷达波吸收剂(75% 85% ), Sb2O3阻燃剂 (6% 8%)和橡胶粘合(7%18% )。为了保证复合涂层的雷达隐身性能, 必须调整好面层的电磁参数, 以达到最佳的阻抗匹配。此外, 由于采用了碳化硼, 该材料还具有防热中子的功能。此种涂料一般用于活动目标(如飞机、导弹、车辆) 等的表面。 宽波段能量吸收伪装地毯的应用。伪装毯底层为支撑层, 中间为金属反射膜, 表面为聚乙烯材料。在聚乙烯层中植有镀金属的纤维弯成 的小圈。材料对雷达的吸波性能由小圈的大小决定;
14、 小圈的疏密、高低决定材料表面对可见光的反射能力, 聚乙烯层中含有雷达吸波剂。该种材料一般较厚(约2. 5 mm 左右), 可覆盖在被保护的军用设备上, 也可用于制造多波段假目标。 在导电高分子隐身材料的应用中, 美国研制出了“超黑粉”纳米材料, 对雷达波段的吸收率高达99% , 这种“超黑粉”纳米吸波材料实质上就是用纳米石墨做吸收剂制成的石墨2热塑性复合材料和石墨环氧树脂复合材料, 不仅吸波性能好, 而且在低温下仍保持良好的韧性。 青岛化工学院纳米材料研究所, 用纳米金属做催化剂通过聚合反应制备出导电螺旋手征吸收剂, 这是一种集纳米、导电高聚物与螺旋手征于一体的新型轻质、宽带吸收剂。由于螺旋
15、的作用, 该种吸收剂不但对吸波层具有增强作用,而且具有工艺性好、使用方便的优点。 导电高分子材料在智能隐身材料中的应用。智能隐身材料的应用降低了电子系统本身的质量和成本, 用智能纤维增强的聚合物做隐身的结构材料, 不仅降低了雷达散射的截面, 同时把飞机的质量减轻了50% , 并对声波也具有良好的隐身效果。 已经研制成功的是在聚氨酯分子中嵌入高活性的丁二炔链段, 在适当的条件下, 丁二炔聚合成聚丁二炔, 从而改变整个材料的颜色和光强度; 在此基础上美军已将与其它技术结合, 应用于隐身技术。5结束语 未来战争是高技术条件下的战争, 战场环境变得更加恶劣复杂。各种类型的雷达、先进探测器以及精确制导武
16、器的问世, 对各类武器构成了严重的威胁, 为了提高武器的生存能力和战斗力, 提高作战效能, 世界各军事大国都在发展隐身技术。从20 世纪50 年代起, 美国开展隐身技术研究, 20 世纪 70 年代开始研制隐身飞机, 80 年代隐身飞机装备部队。现役飞机F117A 隐身轰炸机, B-2 战略轰炸机以及新问世的F-22 先进隐身战斗机均采用了不同的隐 身材料。我国在隐身技术的研究方面起步较晚,随着对导电高分子材料导电机理研究的不断深入, 由于导电高分子复合材料具有极强的可设计性, 在隐身技术中会得到更加充分的应用, 国内一定要在此方面有所作为, 发展自己的隐身技术和材料。 F117隐形战斗机 B-2幽灵隐身战略轰炸机 F-22”猛禽”战斗机谢谢!2007.5.4
