摘要：隨著各種新型探測雷達、先進紅外探測器和精確制導武器的相繼問世，紅外/雷達兼容隱身材料已經(jīng)成為了目前隱身技術(shù)研究的重點。綜述了傳統(tǒng)和新型紅外/雷達兼容隱身材料的隱身原理和研究現(xiàn)狀，并對未來紅外/雷達兼容隱身材料的發(fā)展方向進行了總結(jié)與展望。

0引言

隨著高新技術(shù)的發(fā)展以及各國軍事力量的增強，各種軍事偵察手段日新月異，現(xiàn)代電子偵察設備幾乎涵蓋了所有可利用的電磁波段，探測技術(shù)正在向復合化、智能化方向發(fā)展。在眾多探測技術(shù)中，雷達探測和紅外探測是兩種最有效和最普遍的探測技術(shù)。因此，紅外／雷達兼容隱身材料在隱身領(lǐng)域成為了學者們的重點研究對象。

雷達和紅外兩個波段的隱身對材料電磁特性的要求是相互制約的。其中，雷達隱身要求吸波材料在一定頻率范圍（如2-18GHz）內(nèi)對電磁波強烈吸收，即具有低反射、高發(fā)射特性；而紅外隱身則要求材料在紅外波段（3-5μm和8-14μm）具有高反射、低發(fā)射特性。另外，雷達吸波材料會使入射電磁波衰減進而將其轉(zhuǎn)換成熱量，造成目標溫度升高，而這又不利于紅外隱身。經(jīng)過國內(nèi)外研究人員的多年鉆研，發(fā)現(xiàn)有些材料在紅外/雷達兼容隱身方面具有一定的應用潛力。本文結(jié)合近年來國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及進展，重點闡述了幾種紅外/雷達兼容隱身材料的隱身原理和研究現(xiàn)狀。

1傳統(tǒng)紅外/雷達兼容隱身材料

1.1納米材料

納米材料具有優(yōu)異的吸波性能。一方面，納米材料的表面原子比例高、懸掛鍵多，因此具有較強的表面活性，可增加對入射電磁波的吸收；另一方面，量子尺寸效應會使分裂的電子能級處在10-2-10-4eV范圍內(nèi)，為吸收入射電磁波創(chuàng)造了新通道。另外，紅外光的波長遠大于納米顆粒的尺寸，導致納米材料對紅外光具有高透過率，使紅外探測器接收到的反射信號變得很微弱，進而實現(xiàn)紅外隱身效果。紅外/雷達兼容納米隱身材料研究主要包括納米金屬與合金吸收劑、納米磁性纖維吸收劑、碳納米管吸收劑等幾個方面。

1.1.1納米金屬與合金吸收劑

納米金屬微粉及其合金吸收劑具有較低的紅外發(fā)射率以及較大的磁導率和介電常數(shù)，在雷達波段擁有優(yōu)異的吸波性能。張靜采用固相法制備了SmFeO3納米粉末，并測試了樣品的微波電磁特性及其紅外發(fā)射率。結(jié)果表明，當樣品厚度為2mm時，它在15.8GHz處具有最大反射損耗（-10dB），且紅外發(fā)射率的最小值為0.58。武曉威等人采用均勻共沉淀法制備了包覆完整的ZnS/Al復合材料，并對其吸波性能和紅外發(fā)射率進行了測試。結(jié)果表明，該粉體在8-14μm波段的最小紅外發(fā)射率為0.4502，在12GHz處具有最大微波反射損耗（-16.73dB）。PanSJ等人采用兩步球磨法制備了片狀FeAl復合材料（見圖１），并研究了球磨時間對其紅外發(fā)射率及微波吸收的影響。結(jié)果表明，當球磨時間為30min時，該混合物表現(xiàn)出了優(yōu)異的雷達/紅外兼容特性（見圖２）。它在6.5GHz處具有最大反射損耗（-13.6dB），低于10dB的吸收寬帶為1.7GHz，在8-14μm波段的紅外發(fā)射率約為0.1。

圖1 FeAl復合材料的SEM照片

圖2 FeAl復合材料的反射損耗及紅外發(fā)射率

1.1.2納米磁性纖維吸收劑

納米磁性纖維吸收劑由于纖維形貌的各向異性而具有豐富的電磁波損耗機制。另外，纖維粒徑尺寸為納米級，長度為微米級，有較大的長徑比，會對其紅外反射特性產(chǎn)生特定影響。

于斌采用熔融紡絲法制備了一種芯層為聚丙烯與吸波劑混合物、皮層為金屬粉與聚丙烯混合物的新型纖維。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當金屬粉的含量為15％時，該纖維的微波反射損耗低于-10dB的頻寬可達2.39GHz，最小紅外發(fā)射率為0.62。

1.1.3碳納米管吸收劑

納米碳管由于特殊結(jié)構(gòu)及尺寸而具有良好的導電性能。碳管的微觀結(jié)構(gòu)為中空，這就為其管壁改性和管內(nèi)摻雜提供了可能。沈曾民等人采用化學鍍法制備了鍍鎳碳納米管復合材料。當匹配層的厚度為0.97mm時，該材料在8-18GHz范圍內(nèi)的反射損耗低于-10dB的帶寬為2.23GHz，可對提高材料的吸波性能產(chǎn)生有利影響。Zhang M等人通過表面氧化將螺旋聚硅烷（Helical Polysilane，HPS）包覆在改性的碳納米管表面周圍，制備了HPS/f-MWNTs復合材料（見圖３）。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該材料在8-14μm波段的紅外發(fā)射率為0.576，明顯低于純HPS和f-MWNTs（見表１）。這是由于HPS的特定螺旋構(gòu)象的協(xié)同效應以及有機聚合物與無機納米粒子之間得到改善的界面相互作用所致。Pan W 等人成功制備了用聚酰胺（Polyamide，PA）包覆多壁碳納米管（Multi-walled Carbon Nanotubes，MWNTs）的復合物。結(jié)果表明，PA在MWNTs表面上均勻包覆，沒有損壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見圖４）。該樣品在9.7GHz處具有最大反射損耗（-20.65dB），反射損耗小于-10 dB的有效吸收寬帶為3.2GHz，在8-14μm波段的紅外發(fā)射率為0.503，因此這種材料具有優(yōu)異的紅外/雷達兼容隱身效果（見圖５和表２）。

表1 紅外發(fā)射率數(shù)據(jù)

圖3 HPS/f-MWNTs復合材料的透射電子顯微鏡（TransmissionElectron Microscope，TEM）照片

圖4 PA/MWNTs復合材料的TEM照片

圖５ 在2-18GHz范圍內(nèi)A/MWNTs材料的反射損耗曲線

1.2導電高聚物

聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔和聚噻吩等導電高聚物因其具有結(jié)構(gòu)多樣性、復合加工簡單、分子設計性強以及電磁參數(shù)易調(diào)控等而成為研究重點。通過化學加工可使該材料的室溫電導率在金屬、半導體和絕緣體范圍內(nèi)變化，有利于調(diào)控導電性，使其表現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能。

導電高聚物的吸波機理是利用某些具有共軛π電子的高分子聚合物的線性或平面形構(gòu)型與高分子電荷轉(zhuǎn)移絡合物的作用來設計其導電結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)阻抗匹配和介電損耗，從而吸收電磁波。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當電導率σ＜10-4s/m時，導電高聚物材料沒有吸波特性；當σ＞1s/m時，材料具有金屬特性，且有較好的電磁屏蔽作用；當10-4s/m＜σ＜1s/m時，材料具有半導體性質(zhì)，可表現(xiàn)出優(yōu)異的雷達隱身性能。但是它存在吸波頻率窄、性質(zhì)不穩(wěn)定等缺點，若將其與磁性納米粒子或其他吸波材料復合，則有望發(fā)展成為一種新的輕質(zhì)、寬頻微波吸收材料。高磊等人采用化學氧化法制備了聚苯胺（Polyaniline，PANI）與還原石墨烯復合材料，研究了石墨烯摻雜量對復合材料吸波性能的影響。結(jié)果表明，當樣品厚度一定時，其吸波性能隨著石墨烯含量的增加而變得越來越優(yōu)異；當石墨烯含量為5％、匹配層厚度為3mm時，反射損耗小于等于-10dB的有效吸收帶寬為3.3GHz（7.8-11.1GHz），并在98.99GHz處具有大小為-20.56dB的最低反射損耗（見圖６）。Li Z等人采用溶膠——凝膠法制備了NiFe2O4/PANI和NiFe2O4/PPy復合材料，并對其微波吸收性能進行了測試。結(jié)果表明，該材料的吸波性能明顯優(yōu)于純NiFe2O4材料。NiFe2O4/PPy復合材料的吸收頻寬為4.5GHz，在8GHz處的最低微波反射損耗為-42dB。Wang Y等人采用水熱法和原位聚合方法成功制備了MOF（Fe）/PANI納米復合材料。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該材料可以有效提升吸波性能，其樣品在11.6GHz處具有最大反射損耗（-41.4dB），反射損耗小于-10dB的有效吸收帶寬為5.5GHz。

表2 樣品在室溫下的紅外發(fā)射率

圖6 d＝3mm時，PANI和PCG1、PCG2、PCG5、的理論反射損耗曲線

導電高聚物的電導率具有很大的可調(diào)節(jié)性，可使其具有類金屬特性，因此具有較低的紅外發(fā)射率。Yang CC等人采用原位聚合法制備了BaTiO3/PANI、BaFe12O19和（BaTiO3＋BaFe12O19）/PANI復合材料，并對樣品的吸波性能和紅外發(fā)射率進行了測試。結(jié)果表明，這三種樣品都表現(xiàn)出了優(yōu)異的紅外/雷達兼容隱身效果。周亦康采用“摻雜——脫摻雜——再摻雜”以及原位聚合的方法成功制備了樟腦磺堿摻雜的PANI材料，并研究了摻雜濃度對樣品紅外發(fā)射率以及微波性能的影響。結(jié)果顯示，當摻雜濃度為２∶２時，樣品在紅外輻射的大氣窗口（3-5μm和8-14μm）波長下的紅外發(fā)射率分別為0.46和0.29，在13.75GHz處達到最大反射損耗（-27.43dB），9.84-18GHz范圍內(nèi)的反射率均低于-10dB。

導電高聚物在雷達/紅外兼容隱身材料方面的研究及應用潛力十分巨大，但是在實用化道路上還存在一些問題。由于鏈間存在很強的相互作用，導電高聚物材料具有很差的溶解性，致使可加工性變差。盡管可溶性聚合物在一定程度上改善了加工性能，但是仍無法避免結(jié)構(gòu)缺陷對其應用性能的不利影響。此外，摻雜劑是通過擴散作用進入高聚物鏈中的，因此它們之間僅僅依靠正負電荷中和來保持平衡，不存在任何化學鍵，使得導電高聚物性能不穩(wěn)定，并且導電高聚物的室溫電導率會隨時間逐漸減小，從而影響適用范圍。為了提高導電高聚物在雷達／紅外兼容隱身方面的實用性，必須要提高導電高聚物的加工性能及穩(wěn)定性能。

1.3摻雜氧化物半導體

作為一類重要的功能材料，摻雜氧化物半導體具有優(yōu)異的光、電、磁等特性，在光降解、光催化和場效應晶體管等諸多領(lǐng)域有著廣泛應用。它主要由金屬氧化物（主體）和摻雜劑（載流子供體）組成，如SnO2、InSnO3（ITO）、In2O3等。在紅外吸收波段，由于紅外光的波長較長，光子能量小于半導體禁帶寬度，半導體材料對其不存在本征吸收。對光子吸收起主要作用的是自由載流子。根據(jù)半導體連續(xù)光譜理論，紅外光在半導體中的傳播特性與等離子頻率ωＰ有關(guān)：

或由波長表示：

式中，m為有效電子質(zhì)量；ｃ為光速；ε０為真空介電常數(shù)；ｅ為電子電荷；Ｎ為載流子濃度。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當入射電磁波的頻率發(fā)生變化時，摻雜氧化物半導體的紅外發(fā)射率也會隨之改變。當入射電磁波的頻率與等離子頻率一致時，自由載流子與入射電磁波相互作用，產(chǎn)生共振效應，使其紅外發(fā)射率增大。在提高自由載流子濃度時，共振吸收峰會向紅外波段移動，使其對紅外光產(chǎn)生高反射率（見圖7）。根據(jù)式（1）和式（2）可知，等離子體頻率主要與載流子濃度Ｎ有關(guān)，而載流子濃度則可通過控制摻雜條件進行調(diào)整。因此，經(jīng)過適當調(diào)整，可以使摻雜氧化物半導體具有良好的紅外隱身效果。

圖7 摻雜半導體材料的透射率和反射率示意圖

摻雜氧化物半導體材料的雷達波吸收機理為介電損耗，主要是傳導損耗和電極化，這取決于復介電常數(shù)虛部ε″值的大小。在入射電磁波的作用下，氧化物半導體會發(fā)生電子極化、離子極化、固有偶極子的取向極化和界面極化。其中，電子極化和離子極化具有恢復力大、阻尼小的特征，它們的共振頻率出現(xiàn)在紫外和紅外波段，因此在微波范圍內(nèi)對入射電磁波幾乎沒有任何吸收。而固有偶極子極化及界面極化屬于弛豫型極化，均有較大的阻尼和較小的恢復力，其共振頻率都在射頻區(qū)域以及微波區(qū)域，所以在微波范圍內(nèi)引起的介電損耗相對較強，由此決定虛部ε″的大小。隨著摻雜量的增加，材料中的離子數(shù)及電偶極子數(shù)增多，而不同價態(tài)離子間會出現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，導致電導率增大。根據(jù)馳豫型極化理論，復介電常數(shù)的虛部ε″值隨著電導率的增加而增大。

材料的吸收系數(shù)為：

根據(jù)Hugan-Rubens近似理論，材料的反射率為：

式中，ω為入射波的頻率；σ為電導率；ε０為真空介電常數(shù)。從式（3）和式（4）中可以看出，ε′、ε″、σ和ω等參數(shù)決定雷達吸收系數(shù)和反射率的大小。因此，可通過選取合適的氧化物半導體材料、摻雜元素以及制備工藝來獲得最優(yōu)參數(shù)，從而實現(xiàn)良好的雷達隱身效果。

Fernandes GE等人制備了摻鋁氧化鋅，發(fā)現(xiàn)樣品在中遠紅外波段具有較低的紅外發(fā)射率，并且在1-30GHz范圍內(nèi)的反射率損耗最高可達-22dB。Shu RW 等人采用化學共沉淀法制備了Ni摻雜的ZnO/Al復合納米材料。當ZnO濃度為50wt％，Ni摻雜濃度為12mol％時，復合材料具有最小紅外發(fā)射率（0.37）。當匹配層的厚度為4.5mm時，13.6GHz處的反射率達到-32.5dB，使得該材料具有優(yōu)異的紅外／雷達兼容隱身效果（見圖８）。Zhang ZY等人采用水熱法成功制備出了一種具有層狀結(jié)構(gòu)的SnO2/ZnO納米復合材料，并研究了其紅外發(fā)射率和雷達波吸收性能。結(jié)果表明，該材料在9.2GHz處具有最大反射損耗（-32.51dB），有效吸收帶寬（反射損耗小于-10dB）為3.5GHz，中紅外和遠紅外波段的平均紅外發(fā)射率分別為0.65和0.89，紅外/雷達兼容隱身性能明顯優(yōu)于ZnO或SnO2材料。

摻雜氧化物半導體材料的制備過程簡單，應用廣泛，但性能穩(wěn)定性差，限制了其進一步發(fā)展。這就需要運用多元化手段，通過復合化處理來改善其性能穩(wěn)定性，并從理論上加以創(chuàng)新。

2新型紅外／雷達兼容隱身材料

隨著物理學和化學的飛速發(fā)展，越來越多的新型材料被發(fā)現(xiàn)并制備出來，例如電磁超材料和光子晶體等。由于具有一些特殊的物理化學性能，它們在軍事戰(zhàn)爭領(lǐng)域有著巨大的應用潛力。

2.1光子晶體

光子晶體是20世紀90年代快速發(fā)展起來的一種具有周期性介電結(jié)構(gòu)的新型人工結(jié)構(gòu)材料。由于光子晶體存在光子帶隙，特定頻率的電磁波無法在光子晶體中傳播而被完全反射，因此利用禁帶位于紅外探測器工作波段的光子晶體，可以有效抑制目標紅外輻射傳播，從而實現(xiàn)紅外隱身。劉必鎏等人采用SnO2和CdSe制備的一維光子晶體在中遠紅外波段存在很強的反射禁帶。為了擴展光子帶隙，他們構(gòu)造出了一種雙周期異質(zhì)結(jié)CdSe/ SnO2光子晶體。如圖９所示，該晶體表現(xiàn)出了高反射特性。Fleming JG通過用化學氣相沉積法將鎢回填在去除Si的多晶硅SnO2結(jié)構(gòu)上，制備了在8-12μm波段表現(xiàn)出高反射特性的三維光子晶體（見圖10和圖11）。圖10中，數(shù)字表示硅棒層數(shù)，L表示硅棒之間的距離。

圖8 樣品的紅外發(fā)射率（a）及反射損耗（b）

圖9 雙周期異質(zhì)結(jié)一維光子晶體的反射光譜

圖10 三維光子晶體的掃描電子顯微鏡（ScanningElectron Microscope，SEM）照片

圖11 三維光子晶體的反射譜圖

光子晶體在微波波段具有電磁帶隙，可表現(xiàn)出不同于其他材料的電磁特性，因此在雷達波吸收方面具有很大的應用潛力。Wang Q等人成功制備出了一種具有4個異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光子晶體，且每個異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Ge/ZnS介質(zhì)層的厚度不同。結(jié)果表明，該材料在中遠紅外波段的反射率高于90％，在3-5μm和8-14μm波段的紅外輻射強度分別為0.073和0.042；而且該樣品在雷達波段具有很高的透過率（見圖12），完全可以實現(xiàn)紅外雷達兼容隱身。Wang Q等人制備了基于硒化鋅、鍺以及摻雜硅的一維光子晶體（見圖13）。結(jié)果表明，該光子晶體不但對太赫茲波具有很好的透射性，而且在中遠紅外波段也具有優(yōu)異的紅外發(fā)射率。這些新穎的光子晶體制作技術(shù)為紅外/雷達兼容隱身材料的制備提供了新思路。

光子晶體因其結(jié)構(gòu)設計性強、性能易調(diào)控而成為紅外雷達兼容隱身材料的研究熱點，但是目前該研究尚處于理論和實驗探索初期。要想實現(xiàn)在軍事裝備上的應用，還有兩個方面的問題亟待解決：（1）制造高質(zhì)量的三元光子晶體；（2）實現(xiàn)光子晶體隱身材料的規(guī)?；a(chǎn)及應用。

圖12 Ge/ZnS光子晶體的紅外反射性能和（2-18GHz）雷達波段透過性能

2.2超材料

一般來說，超材料是指人工制備的一種具有亞波長周期性結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)（如負磁導率、磁導率與介電常數(shù)雙負、負折射、亞波長超透射等）的復合材料。由于該材料具有可設計性，人們能夠設計出特定電磁參數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)單元，使其在特定頻點或頻段內(nèi)對電磁波進行有效吸收。

圖13 一維光子晶體的結(jié)構(gòu)簡圖

Landy N等人設計出了一種具有三明治結(jié)構(gòu)的超材料MPA（見圖14）。該結(jié)構(gòu)在11.65GHz處具有明顯的共振效應，可對電磁波進行有效吸收。通過理論計算可知，當超材料單元為亞波長尺寸時，MPA的工作頻率可以擴展到紅外以及可見光波段。李君哲等人通過對頻率選擇表面（FrequencySelective Surface，F(xiàn)SS）進行分析，認為選取合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)后便可獲得良好的兼容隱身效果。他們最后設計出了FSS/RPP復合超材料。結(jié)果表明，該材料可以較好地實現(xiàn)紅外/雷達兼容隱身。何路設計了一種具有全金屬結(jié)構(gòu)的超材料吸波體。該吸波體由多級金屬凹槽（Multi Level Metal Groove，MMG）組成（見圖15）。當MMG凹槽高度為9.55mm時，MMG超材料表現(xiàn)出優(yōu)異的吸波性能，反射損耗小于等于-20dB的吸收峰總共有6個（8-20GHz），8-14μm波段的紅外發(fā)射率小于0.05（相應反射率大于95％），從而實現(xiàn)了紅外／雷達兼容隱身。

隨著材料制備水平以及探測技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)材料紅外/雷達兼容隱身性能的提升將會面臨巨大挑戰(zhàn)。超材料由于具有超常的物理特性而得到科研人員的青睞，為紅外/雷達兼容隱身材料的發(fā)展提供了新方向。然而，作為一種全新的材料系統(tǒng)，超材料的相關(guān)研究目前仍以模擬仿真為主，離實際應用階段還存在一系列技術(shù)障礙。隨著科研人員的不懈探索與研究，超材料將會在紅外/雷達兼容隱身領(lǐng)域發(fā)揮更大、更關(guān)鍵的作用。

圖14 超材料MPA的結(jié)構(gòu)示意圖：（a）單元胞模型圖；（b）反射、透射和吸收強度示意圖

圖15 全金屬MMG兼容隱身超材料單元的結(jié)構(gòu)簡圖（h＝9.5mm，p＝8mm，c＝1mm，d＝0.5mm，t＝0.5mm，g＝0.5mm）

3總結(jié)

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種先進探測器的相繼問世，單一波段隱身材料難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求，因此隱身材料研究需要向多波段兼容隱身方向發(fā)展。紅外/雷達兼容隱身技術(shù)不僅是隱身材料發(fā)展的需要，而且也是國家軍事力量發(fā)展的需要。目前，紅外/雷達隱身材料的發(fā)展雖然取得了一定的研究成果，但是仍然還存在紅外/雷達兼容隱身機理研究不透徹、制備工藝不完善、材料穩(wěn)定性差等問題。隨著科技的不斷進步以及紅外/雷達兼容隱身材料研究的不斷深入，這些問題都將會迎刃而解，紅外/雷達兼容隱身材料也必將在未來隱身領(lǐng)域大放異彩。