1、飞机材料表面隐身涂层制备技术及工程引言雷达与红外隐身技术激光隐身技术测试方法总结主讲内容主讲内容 引 言引言引言 在高技术战争中，地面目标的克星是各种作战飞在高技术战争中，地面目标的克星是各种作战飞机，而作战飞机的克星则是防空导弹。与防空导弹配机，而作战飞机的克星则是防空导弹。与防空导弹配套的雷达，发射电磁波照射目标，通过接收回波，便套的雷达，发射电磁波照射目标，通过接收回波，便可以判断来袭目标的特征和位置。可以判断来袭目标的特征和位置。这种情况下，没有什么比这种情况下，没有什么比“看不见、摸不着、找看不见、摸不着、找不到、打不中不到、打不中”的隐身术更具有吸引力了。的隐身术更具有吸引力了。第
2、二次世界大战期第二次世界大战期间，一些飞机采用经试间，一些飞机采用经试验的迷彩涂料，降低飞验的迷彩涂料，降低飞机与天空背景的对比度，机与天空背景的对比度，减小飞机的目视特征。减小飞机的目视特征。这是最早、最简单的隐这是最早、最简单的隐身飞机。身飞机。2020世纪世纪6060年代年代初，美国的初，美国的U-2U-2和和SR-71SR-71侦察机开始采用雷达隐侦察机开始采用雷达隐身技术。身技术。1978 1978年，美国年，美国政府批准政府批准F-117AF-117A攻击机攻击机研制计划。研制计划。19881988年，美国先后曝光年，美国先后曝光了了F-117AF-117A隐身战斗机和隐身战斗机和
3、B-2B-2隐身战略轰炸机，揭开了鲜隐身战略轰炸机，揭开了鲜为人知的隐身奥秘。为人知的隐身奥秘。B-2隐身战略轰炸机 F22“猛禽”是一种单座、双发动机、双垂直尾翼的隐身战斗机，是第四代超音速战斗机的典型代表。在设计制造中，该机采用了一系列先进的技术。采用这些技术后，F22不仅大大减轻了体重，降低了飞行阻力，更重要的是具有了很高的隐身性能。歼20是中国第五代隐身重型歼击机，采用两台国产涡扇10B发动机、DSI两侧进气道、全动垂尾，鸭式布局。该机于2010年10月14日完成组装，2010年11月4日进行首次滑跑试验。现已成功试飞两次。隐身技术隐身技术 隐身技术是指通过降低目标的可探测信号特征，从
4、而减小目标被敌方各种探测设备发现概率的综合性技术。现代隐身技术主要分为电磁波隐身技术和声波隐身技术。隐身关键技术隐身关键技术 吸波材料吸波材料能吸收或衰减入射的电磁波，使能吸收或衰减入射的电磁波，使其其 因干涉而消失或其电磁能转换为其他形式的能因干涉而消失或其电磁能转换为其他形式的能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用。1.1.干涉作用干涉作用 干涉作用是将入射的电磁波分成两部分，一干涉作用是将入射的电磁波分成两部分，一部分从吸波层表面反射，另一部分透过吸波层后部分从吸波层表面反射，另一部分透过吸波层后经底层反射后再穿过吸波层射出来。若经底层反经底层反射后
5、再穿过吸波层射出来。若经底层反射的波与吸波层表面反射的波相位正好相反，两射的波与吸波层表面反射的波相位正好相反，两段波便可发生干涉而减弱。段波便可发生干涉而减弱。吸波基本原理：吸波基本原理：2.2.吸收作用吸收作用 材料对电磁波产生吸收作用有两个条件：材料对电磁波产生吸收作用有两个条件：(1)(1)电磁波入射到材料上时能最大限度地进入到电磁波入射到材料上时能最大限度地进入到材料内部，即电磁匹配要好材料内部，即电磁匹配要好(匹配特性匹配特性)；(2)(2)进入材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉，进入材料内部的电磁波能迅速地被衰减掉，即电磁损耗要大即电磁损耗要大(衰减特性衰减特性)。雷达与红外隐身技
6、术雷达隐身涂层制备雷达隐身涂层制备 雷达隐身材料是指能够吸收衰减入射的电磁波，并通过吸收剂的介电振荡、涡流以及磁致伸缩，将电磁能转化成热能而耗散掉或使电磁波因干扰而消失的一类材料。雷达对目标的发现和对目标参数的测量,是通过目标对雷达发射机所发射的雷达波的反射回波信号来实现的。雷达隐身涂料要求对相应波段的雷达波具有低反射的涂料。一是涂料吸收雷达波,通过在粘结剂中加入电损耗或磁损耗填料,利用电损耗物质在电磁场作用下,使进入涂层中的雷达波转换为热能损耗掉,或是借助磁损耗材料内部偶极子在电磁场下运动受限定磁导率限制,而把电磁能转换为热能损耗掉;二是利用谐振原理,当涂层厚度等于雷达波长的四分之一时,通过
7、谐振作用减少雷达波的反射。隐身涂层要求在尽量宽的频带内，用尽量隐身涂层要求在尽量宽的频带内，用尽量薄的涂层，尽量轻的材料，所得到涂层的薄的涂层，尽量轻的材料，所得到涂层的吸雷达波能力最强，即追求薄涂层、宽频、吸雷达波能力最强，即追求薄涂层、宽频、强吸收的效果。强吸收的效果。按材料损耗机理，吸波材料可分为电损耗型和磁损耗型。电损耗型包括电阻型和电介质型两种。按吸收机理，吸波材料可分为吸收型和干涉型两类。按化学成分，吸波材料可分为无机吸波材料和有机高分子吸波材料。目前国内外重点研究和主要应用的吸波材料有铁氧体吸波材料、金属粉吸波材料、多晶铁纤维吸波材料、导电高分子吸波材料等。铁氧体具有吸收强、吸收
8、频带宽、成本低廉、制备工艺简单等优点外，还因为其较好的频率特性，适合制作匹配层，在低频率拓宽频带方面，相对于金属粉末，更具有良好的应用前景。铁氧体样品的制备工艺可归纳为干法生产和湿法生产，主要包括酸盐热分解法、溶胶一凝胶法、化学共沉淀法、低温燃烧合成法、超临界流体干燥法、喷雾燃烧法等。其中溶胶-凝胶法(sol-gel)和化学共沉淀法是在铁氧体粉末制备中较常采用的方法。采用溶胶凝胶自蔓延法制备钡铁氧体粉末。溶胶凝胶自蔓延法制备钡铁氧体工艺流程图 称取一定量的硝酸铁、硝酸钡分别配制成金属离子浓度为0.4 mol/L 溶液;为保证络合反应发生完全，将硝酸铁、硝酸钡溶液滴加入柠檬酸溶液.同时加入适量浓
9、氨水，控制溶液的pH 值稳定在7.0.然后加入20 g/L 聚乙二醇(PEG)，搅拌30min形成溶胶.将形成的溶胶置于80 水浴反应2 h后，干热加热溶胶，随着溶胶脱水溶液黏度逐渐增加，形成褐色凝胶，到达一定温度后，凝胶开始自蔓延燃烧，生成蓬松的树枝状前驱体自燃粉末.将该粉末研磨、高温煅烧，即可获得目的产物。红外隐身涂层制备红外隐身涂层制备红外隐身的目的是降低或改变目标的红外辐射特征从而实现目标的低可探测性。通过改进结构设计和应用红外物理原理来衰减、吸收目标的红外辐射能量,可使红外探测设备难以探测到目标。由斯蒂芬-玻尔兹曼定律：M=T4 式中：M 为物体的总辐射强度；为玻耳兹曼常数；为物体的
10、发射率；T 为物体的绝对温度。材料的红外辐射特性决定于材料的温度和发射率。红外隐身材料也可相应分为两类：控制发射率的材料和控制温度的材料。红外隐身涂层具有低发射率，高反射率，在红外线辐射频段才有良好的隐身效果。红外隐身涂料的构成一般由填料和黏结剂两部分组成。目前用于热红外隐身涂料配方中的填料大致分为如下几类:金属填料、着色填料、半导体填料等。黏结剂分为有机和无机两大类,其中以有机黏结剂种类最多,目前可用于红外隐身涂层的黏结剂有氯化聚苯乙烯、丁基橡胶等。从发展趋势看,实用性能较大的是以聚乙烯为基本结构的改型聚合物。选用改进的AI粉做填料，粘结剂采用由无水乙醇、二甲苯组成的聚苯乙烯清漆和高氯化聚乙
11、烯树脂(HCPE)。试验器材选用：托盘天平，研磨机，高速搅拌机，超声场，刷子，空压机，喷枪，烧杯，玻璃棒等辅助设备。试验的工艺：称取一定比例的填料及粘结剂-将填料与粘结剂充分混合-用高速搅拌机搅拌-用研磨机研磨-过筛-在超声波解聚分散-刷涂(或喷涂)Al粉聚苯乙烯清漆高氯化聚乙烯树脂研磨机高速搅拌机超声波解聚激光隐身技术激光隐身技术激光技术在军事领域的发展激光技术在军事领域的发展 20世纪80年代以来，隐身技术特别是雷达和红外隐身技术的发展已经达到了一个很高的水平。如美国研制开发的低可探测飞机（Low Observable Aircraft）F-117隐身攻击机,B-2隐身轰炸机在雷达隐身和红
12、外隐身方面已经做得非常好了。但是随着激光技术的飞速发展，激光技术在武器装备等方面的应用日益增多。激光隐身技术 激光隐身过程与雷达隐身过程相类似，主要是降低目标表面的反射系数，减小激光探测器的回波功率，降低激光探测器的性能，使敌方不能或难以进行激光探测，以达到激光隐身的目的。从微观能量上看，物质对激光的吸收过程是物质与电磁波的作用过程，在此过程中，光子的能量转化为电子的动能、势能，或分子(原子)的振动能和转动能。、激光隐身材料针对的激光波长为0.69m、0.93m、1.06m、1.54m 或10.6m,其中最常用的为1.06m 和 10.6m。、好的激光隐身材料应对特定波长的激光具有高的吸收率和
13、低的反射率。此外,其它的性能如热稳定性、化学稳定性以及力学性能也要满足一定的要求。激光隐身技术采取的主要手段激光隐身技术采取的主要手段 实现激光隐身技术的途径主要有外形技术和材料技术，其中外形技术是通过目标的非常规外形设计降低其雷达散射截面（LRCS）；而材料技术是采用能吸收激光的材料或在表面上涂覆吸波涂层使其对激光的吸收率大，反射率小，以达到隐身的目的。因为外形设计只能散射30%左右的雷达波，且很难找到LRCS与气动力学俱佳的外形，因此要彻底解决隐身问题，还是要靠隐身材料来实现。激光隐身材料激光隐身材料 激光隐身材料主要包括激光吸收材料、导光材料、透射材料三大类型。其中透射材料是让激光透过目
14、标表面而无反射。从原理上，透光材料后应有激光光束终止介质，否则仍有反射或散射激光存在。导光材料是使入射到目标表面的激光能够通过某些渠道传输到其它方向去，以减少直接反射回波。这两种隐身功能材料作为激光隐身材料，实现难度较大。激光隐身吸收材料激光隐身吸收材料激光隐身涂层掺杂半导体涂层光谱转换材料有机金属络合物123掺杂半导体隐身涂层掺杂半导体隐身涂层 在半导体内等离子波长(p)大于入射光波长情况下半导体有低反射率，半导体的等离子波长(p)取决于它的载流子浓度(N)。注：m为电子有效质量，0为真空介电常数，c为光速 据此据此,通过掺杂控制其载流子浓度通过掺杂控制其载流子浓度(N),从而改变掺杂半导体
15、化合物从而改变掺杂半导体化合物等离子波长等离子波长,使其在使其在 1.06m波长附近产生强吸收。这类激光隐身功能元波长附近产生强吸收。这类激光隐身功能元通常为通常为 In2O3、SnO2 和和 ITO 等半导体材料，掺杂元素通常为过渡族元等半导体材料，掺杂元素通常为过渡族元素，如：素，如：Sb、Ni、Cu等。等。过渡元素掺杂SnO2激光隐身材料的制备 实验原料原料纯度含量细度SnO2工业纯99%10mCuOSb2O3Ni2O3ZnO工业纯工业纯工业纯工业纯99%99%99%99%10m10m10m 2)，若平面面积均为S，在出时间内通过面积S的热量Q满足下述表达式：即为导热系数导热系数测试系统
16、导热系数测试系统二 雷达波反射率测试 采用RCS后向反射法测量材料雷达波反射率；三 激光后向散射特性测试 总 结 随着多波段探测和制导技术的不断发展，隐身技术对涂料的要求除了红外与雷达外，还应包括涂料的可见光性、激光波吸收性能等。因此，探索新技术、新方法、积极开展新的隐身机理和新型多功能隐身材料的研究，特别是新型涂敷行多功能、多频谱兼容的隐身材料是新的研究热点和难点。纳米吸波涂层材料手性吸波涂料 等离子体隐身技术 多频段吸波材料 由于当前多模复合制导技术的不断发展以及由于当前多模复合制导技术的不断发展以及探测手段的日益多样性探测手段的日益多样性,战场武器装备可能同时面临战场武器装备可能同时面临
17、雷达、红外、激光以及可见光等探测手段的威胁雷达、红外、激光以及可见光等探测手段的威胁,因因此多波段复合隐身材料的发展很早就受到了专家以此多波段复合隐身材料的发展很早就受到了专家以及相关研究者的关注和重视。如何使涂层在几个波及相关研究者的关注和重视。如何使涂层在几个波段彼此兼容，将是今后主要研究方向之一。段彼此兼容，将是今后主要研究方向之一。多频段吸波材料多频段吸波材料纳米涂层材料纳米涂层材料 近年来，纳米吸波涂料成为隐身涂料新的亮点。它是一种极具发展前景的涂料，其一般由无机纳米材料与有机高分子材料复合，通过精细控制无机纳米粒子均匀分散在高聚物基体中，以制备性能更加优异的新型涂料。其机械性能好，
18、面密度低，是高效的宽频带吸波涂料，可以覆盖电磁波、微波和红外线。它能增强腐蚀防护能力，耐候性好，涂装性能优异。基于以上优点，各国竞相在此领域投入人力、物力开发研制。手性吸波材料手性吸波材料 手性是指一种物质与其镜像不存在几何对称性，且不能通过任何操作使其与镜像重合。手性吸波涂料是近年来开发的新型吸波材料。它与一般吸波涂料相比，具有吸波频率高、吸收频带宽的优点，并可以通过调节旋波参量来改善吸波特性，在提高吸波性能，扩展吸波带方面具有很大潜能。等离子隐身技术等离子隐身技术 等离子体是继固体、液体、气体之后的第四种物质形态,被称为物质第四态。等离子体之所以有隐身功能,是因为它对雷达波具有折射与吸收作
19、用。等离子体隐身技术与已广泛应用于外形和材料隐身技术，其具有很多优点：吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好、使用简便、使用时间长、价格便宜；无须改变飞机的外形设计，不影响飞行器的飞行性能；由于没有吸波材料和涂层，大大降低了维护费用。此外，俄罗斯进行的风洞试验表明，利用等离于体隐身技术还可以减少飞行器飞行阻力30以上。但是，利用等离子体技术实现兵器隐身也存在着相当的难度和问题。军事探测和制导技术的发展促使了隐身材料的发展,从最早的可见光隐身材料到现在的激光隐身材料,隐身材料的研究和发展一直没有间断过。无论哪种隐身材料,今后的发展趋势都向着质轻、带宽、高效、耐久的方向发展。而且,随着多模技术的发展,传统具有单一隐身功能的材料已经无法同时躲避多种探测手段的围攻,因此多波段兼容的隐身材料也是未来的发展趋势。总结总结谢谢 谢！谢！
