雷达与红外多频谱隐身复合材料的研究进展综述
摘 要 雷达与红外多频谱隐身复合材料作为应对多频谱探测技术的重要手段，在当前日益复杂的电磁对抗环境当中扮演着越来越重要的作用。本文在简要概述雷达与红外多频谱隐身机理的基础上，重点介绍了涂覆型和结构型两类多频谱隐身复合材料的研究进展，并对其今后的发展做了展望。
关键词 雷达与红外多频谱；隐身复合材料；涂覆型；结构型
Research Progress of Radar and Infrared Multispectral Stealth Composites
Yuan Wei1， Wu Si-bao1， Li Song-ming1，2， Lu Hai-jun1，2
1. AVIC Manufacturing Technology Institute Composite Technology Center， Beijing 101300， China；
2. National Key Laboratory of Advanced Composites， Beijing Institute of Aeronautical Materials， Beijing 100095， China
Absrtact Radar and infrared multispectral stealth composites， as the main means to deal with multispectral detection and infrared guidance， have played an increasingly important role. On the basis of a brief overview of the mechanism of radar and infrared multispectral stealth， this paper focuses on the research progress of coated and structured multispectral stealth composites， and looks forward to their future development.
Key words Radar and Infrared Multispectral； Stealth Composites； Coating； Structural
隐身技术由于能够有效提高武器装备的突防能力和生存能力，已然受到了越来越广泛的关注[1]。当前，多频谱探测技术的快速发展使得单一频谱的隐身技术很难达到武器装备的需求，发展多频谱隐身技术变得日益迫切[2-3]；另一方面，以红外制导为代表的主流制导方式对武器装备的生存能力构成了极大的威胁，发展雷达与红外多频谱隐身复合材料技术成为应对此种威胁的重要手段[4]。
雷达与红外多频谱隐身复合材料，按其结构形式主要可分为涂覆型及结构型两大类。但绝大多数研究内容仅仅关注了涂覆型而忽略了结构型多频谱隐身复合材料，本文将简要概述雷达与红外多频谱隐身机理，并在此基础上重点介绍涂覆型、结构型等几类多频谱隐身复合材料的研究进展情况。
1 雷达与红外多频谱隐身机理
1.1 红外隐身机理
在大气中的水、二氧化碳等对红外的吸收和散射综合作用下，只有3-5μm和8-14μm波段的红外辐射具有较高的透过率。因此，此两波段通常作为红外探测仪器的主要工作波段[5]。红外探测仪器通常依靠探测目标与背景之间的红外辐射能量差异，从而实现对目标进行探测、跟踪的目的。红外隐身作为反制红外探测的技术手段，其主要原理是减少目标与背景之间的红外辐射能量差异。实现此目标通常可采用改变目标的红外辐射分布或降低目标的红外辐射强度两种手段。但基于实现便宜性等方面的考虑，目前采用较多的是第二种技术手段。
物体的红外辐射能量可由斯蒂芬-玻尔兹曼定律表示[6]：
（1.1）
式中，为红外发射率，为玻尔兹曼常数，T为目标温度。由式（1.1）可知，降低目标的红外辐射强度可有降低红外发射率及温度T两种方式。但降低温度对于武器装备来说实现较难，因此目前主要采用降低目标红外发射率的方式。
1.2 雷达隐身机理
雷达的工作原理是通过探测电磁波对目标的二次散射，来实现对目标的识别和跟踪。雷达隐身主要将探测器发射出的雷达波吸收或散射到其他非可探測方向。对于雷达吸波材料，其能够吸收电磁波要满足两个特性，首先是阻抗匹配特性。吸波材料的反射率可表示为[7]：
（1.2）
式中，Z为材料的阻抗，Z0为自由空间的波阻抗。当两者相近或相等时才能够实现入射电磁波在材料与空气界面的最小反射；其次材料还必须具备良好的衰减特性，以保证入射的电磁波能够被快速吸收。材料的衰减特性通常与其本身的介电常数、磁导率、材料厚度以及工作频率等相关，通过合理调整上述参数从而能够获得具有较强吸波能力的雷达吸波材料。
1.3 雷达与红外多频谱隐身机理
实现雷达与红外多频谱隐身，总体上有两种技术途径：①设计并研制一种特殊结构的复合材料，使其同时具有雷达波段宽频强吸收和红外波段低发射功能；②分别设计低发射红外隐身功能层和雷达吸波功能层，使其通过界面复合形成整体复合材料。对于第一种技术途径，雷达吸波材料通常要求材料具有高吸收率低反射率特性，而红外低发射材料则要求材料具备高反射率低发射率特性，此两者对材料电磁特性的需求在一定程度上是相互矛盾的，因而实现起来困难较大。绝大多数针对雷达与红外多频谱兼容隐身的研究采用的是第二种技术途径，其难点在于为了实现良好的多频谱隐身效果，低发射红外隐身功能层应同时具备红外波段低发射，雷达波段高透过性能，以保证透射的雷达波能够被雷达吸波功能层吸收。
2 雷达红外隐身复合材料
雷达与红外多频谱隐身复合材料，作为同时具备雷达波段宽频强吸收、红外波段低发射性能的一类复合材料，按照其结构形式主要可分为涂覆型、结构型等几类。下面分别介绍上述几类多频谱隐身复合材料的研究情况。
2.1 涂覆型雷达与红外多频谱隐身复合材料
涂覆型雷达与红外多频谱隐身复合材料由于具有易于施工和工程化操作的优势而受到了广泛关注，是当前研究最为宽泛的一类多频谱隐身材料。针对目前雷达和红外隐身对材料电磁特性的需求相互矛盾的特点，研究者主要基于如下两种思路开展了大量的研究工作。其一是通过特殊的工艺制备同时具备雷达和红外两种隐身性能的微结构，并以此微结构为主要组分形成单层多频谱隐身涂层。如曹等[8]制备了负载有ZnO的多壁碳纳米管复合结构，利用多壁碳纳米管的半导体特性，在2-18GHz频段内实现了最大反射损耗值为-4.5dB，但该复合材料的红外发射率相对较高；周等[9]基于介孔结构复合材料能够提供丰富的多孔结构，从而提升材料的阻抗匹配能力并效衰减雷达波，制备了介孔葡萄糖基碳包覆铁氧体微结构复合材料，其红外发射率在8～14μm波段低于0.5，且具备较好的雷达兼容隐身能力；万等[10]深入研究了受制于主链结构的导电高聚物所表现出来的不同物理性质，当导电高聚物处于半导体状态时，通过主链结构、掺杂性质等调控可以获得较好的雷达吸波效果及较低的红外发射率值。
总体而言，研究者基于单层多频谱隐身涂层所开展的研究工作，受制于雷达和红外的电磁特性，在一定程度上无法做到雷达和红外两种性能的最优，因此研究者又发展了多层涂覆的思路。谢等[11]从红外涂层对雷达吸波涂层的谐振频点、吸收带宽的影响规律分析出发，通过调控红外涂层的厚度研制出了发射率为0.4左右的多频谱隐身复合材料；李等[12]以PU为树脂基体，对比了片状漂浮态的铝粉和铜粉两类填料构成的涂层的多频谱隐身性能。结果表明，以铝粉作为填料的多频谱隐身复合材料红外发射率可低至0.15左右，且对尤其是低频雷达波具有较好的兼容隐身能力；华中科技大学的龚荣洲课题组[13]基于阻抗匹配原理，设计了由红外低发射率涂层、渡阻抗匹配层及雷达高损耗涂层构成的多层涂层材料，该结构具备较好的阻抗匹配特性且在8-18GHz范围内雷达波反射率不高于-5dB。
多层涂覆型多频谱隐身复合材料相较于单层涂层材料，由于其外表面的红外功能层厚度相对较小，一般只有几十微米，能够在保证红外隐身性能的同时兼顾雷达隐身性能。该类型的多频谱隐身复合材料已在武器装备上取得了一定应用，未来将扮演更重要的角色。
2.2 结构型多频谱隐身复合材料
雷达与红外多频谱结构隐身复合材料，同时具备雷达与红外多频谱隐身和承载一体化功能，是当前此类复合材料发展研究的重点，并且受到了广泛关注。该類型的多频谱隐身复合材料目前多基于超材料等新型原理进行设计制备。李等[14]基于容性频率选择表面的选择透过特性和电阻型周期表面的高损耗特性，构建了两者复合的多频谱隐身复合材料，通过调控其结构参数获得了较宽的吸收频带。同时，由于容性频率选择表面的高金属 “占空比”实现了极低的红外发射率；何等[15]基于空腔驻波共振原理，设计了一种纯金属的梯次渐变结构，通过梯次驻波吸收峰的复合实现了吸波频带的拓宽，同时全金属结构保证了近乎完美的红外隐身效果；刘等[16]基于红外、雷达隐身性能互不干扰的设计原理，介绍了一种由透波面板、填充有相变材料的吸波蜂窝、隔热层、阻抗匹配层、衰减层、反射层等8层结构型复合材料，基于各功能层的分段隐身原理实现了雷达、红外等多波段隐身性能。
结构型多频谱隐身复合材料多采用了类似于多层复合型涂层的设计原理，但相比于涂层类的材料还具备承载能力。如将此类材料根据武器装备需求制备成为具有特定外形的构件，则更便于工程化应用。
3 结束语
雷达与红外多频谱隐身复合材料作为一类功能性复合材料，能够实现雷达和红外波段隐身性能。涂覆型多频谱隐身复合材料在国内外的研究开展较早，且取得了较大的研究进展。此类材料具有材料易获得，便于工程化应用的优点，但同时需要关注其在材料大密度、涂层厚度精确控制、多次喷涂制备周期长、成本高等方面的改善；结构型多频谱隐身复合材料是在涂覆型材料的基础上发展起来的，由其制备成的构件具有多频谱隐身与承载一体化功能，因而将成为今后的重点研究方向。
参考文献
[1] 史旭明张军许仲梓隐身材料的研究进展材料导报，2007，21 （F05）：301-305.
[2] 孟新强.国外雷达隐身和红外隐身技术的发展动向与分析（续）[J].飞航导弹，2005，（07）：34-42.
[3] 谢国华，吴瑞彬，吴伶芝，等.红外隐身材料的现状与展望[J].宇航材料工艺，2001，（04）：5-10.
[4] 龚荣洲，刘凌云.红外隐身材料及与雷达隐身材料兼容的理论与实现[J].功能材料信息，2005，（03）：12-15.
[5] 朱永安，姚兰芳，汪国庆，等.红外隐身涂料的研究进展[J].材料导报，2006，（20）：319-322.
[6] 付伟.红外隐身原理及其应用技术[J].红外与激光工程，2002， 31（1）：89.
[7] 李紫龙.雷达与红外兼容隐身复合膜材料的研究[D].重庆：重庆大学，2008.
[8] 曹小丽，葛红影，邢宏龙，等.MWCNTs与ZnO雷达-红外兼容隐身材料的制备及性能研究[J].阜阳师范学院学报（自然科学版），2015， 32（02）：46-50.
[9] 周建华.介孔碳——金属纳米复合材料的制备及雷达与红外隐身特性[D].南京：南京航空航天大学，2010.
[10] 万梅香，李素珍，李军朝，等.微波与红外兼容的新型隐身材料[J].宇航材料工艺，1991，（06）：26-29.
[11] 谢国华.红外隐身涂料与雷达波吸收材料相容性研究[J].材料工程，1993，（05）：5-7.
[12] 李凤雷，徐国跃，余慧娟，等.红外隐身涂层的制备及其与雷达吸波涂料的兼容性研究[J].红外技术，2009，31（07）：415-419.
[13] 曾裕，龚荣洲.红外-雷达隐身匹配设计及其兼容特性研究[J].功能材料，2012，43（24）：3355-3358.
[14] 李君哲，田浩，刘海韬，等.一种基于超材料的雷达红外兼容隐身材料设计与验证[J].功能材料，2017，48（05）：5137-5143.
[15] 何路.宽带极化转换与红外与雷达兼容隐身复合材料的研究[D].武汉：武汉理工大学，2014.
[16] 刘江，沈卫东，龚维佳.新型红外与雷达兼容隐身复合材料的设计[J].四川兵工学报，2009，30（06）：89-91.
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