隐身材料.docx

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隐身材料

隐身材料

1前言

2雷达隐身材料

2.1涂敷型吸波材料

2.2结构型吸波材料

3红外隐身材料

3.1控制比辐射率

3.2控制温度

4激光隐身材料

4.1激光隐身原理

4.2激光隐身材料技术

4.3激光隐身材料的发展

5多波段复合兼容隐身材料

5.1雷达/红外兼容隐身材料

5.2红外/激光兼容隐身材料

5.3雷达/激光兼容隐身材料

5.4雷达/红外/激光兼容隐身材料

6隐身材料发展前沿

6.1纳米隐身材料

6.1.1纳米材料的特性

6.1.2纳米复合隐身材料的隐身机理

6.1.3纳米复合隐身材料的复合新技术

6.2智能隐身材料

6.2.1可见光智能隐身材料

6.2.2红外智能隐身材料

6.2.3智能蒙皮

6.2.4智能隐身材料的发展趋势

7展望

1前言

2011年1月11日，中国歼20隐形战斗机进行首次升空试飞，受到世界关注，也引起了人们对隐身技术的兴趣。

随着现代各种光电磁探测技术的迅猛发展,传统的作战武器所受到的威胁越来越严重。

绝大多数重型武器（飞机、坦克、火炮、军舰、导弹、航天器）主要是金属装置，最易被各种光电磁热探测，隐身技术作

为提高武器系统生存、突防,尤其是纵深打击能力的有效手段,已经成为海、陆、空立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段,材料的隐身手段显得尤为重要，并受到世界各国的高度重视。

世界各军事强国都在积极发展隐身技术,隐身兵器发展计划推陈出新,新一代隐身兵器不断涌现。

美国的隐身技术发展较快,目前居世界领先地位,其中F-117A、B-2、F-22等隐身飞机代表着当今世界隐身兵器先进水平;正在研制的一大批隐身武器,如联合攻击战斗机（JSF）、M计划（旨在提高海军舰艇隐身性能的秘密计划）、AGM-137三军防区外隐身攻击导弹等都将具备良好的隐身性能。

俄罗斯早在1984年开始研制的米格1.42多用途隐身战斗机（MFI）可与美国的F-22相媲美,1.44隐身战斗机优于F-22,LFI和S-54与美国的联合攻击战斗机（JSF）相当。

另外,法国、德国、日本、意大利等都有各自研制隐身武器的秘密计划,武器种类包括攻击机、装甲战车、军舰、高超音速攻击导弹、无人航天器等。

印度也应用隐身涂料改进现役战斗机,制出一种隐身靶机。

隐身化已成为武

器装备发展的重要特征,也是信息化战争的必然选择,各军事领域全面隐身化和隐身武器系列化是今后的必然趋势。

我国在这方面起步较晚,与发达国家相比还存在较大差距。

今年1月，J20隐身机的试飞成功，标志着我国隐身材料的研制步入了应用阶段。

隐身技术（又称为目标特征信号控制技术）是通过控制武器系统的信号特征,使其难以被发现、识别和跟踪打击的技术。

按照使用的探测波来分,隐身技术可分为可见光隐身技术、雷达波隐身技术、红外隐身技术、激光隐身技术等。

可见光隐身材料是研究最早的,在早期的战争中已经得到大量应用,目前已发展得相当成熟,因此几乎没有太大的发展空间。

其主要的应用是一些伪装材料,比如迷彩服就被做成与周围环境具有相似的色彩和图案,效果很好,如今专门的研究已经很少。

因此,本专题主要针对雷达、红外、激光探测波的隐身材料以及多波段兼容

隐身材料作简单的综述。

另外，作为本世纪隐身材料发展的重要方向之一的智能隐身材料和纳米隐身材料可谓应时而生。

它们的新原理、新概念对未来武器系统和航空航天系统的发展将会产生重要影响。

2雷达隐身材料

雷达很早就成为军事上普遍使用的探测手段,因此作为雷达探测目标物的隐身一直以来就受到广泛的关注,而且相关专家对它的研究也从未停止。

雷达探测主要是向一定空间方向发射高频雷达波（1～20GHZ）,当该波碰到目标物时就会反射一部分波回去,通过接收反射的雷达波信号就能探测到目标物的方位。

如果能使反射回波的能量降低到一定程度,以至于接收到的信号弱得无法被雷达接收器所识别,那么目标物就达到了雷达隐身的目的。

表征目标雷达隐身效果的指标很多,而最常用的就是雷达波反射率R，R值越小越好。

因此，如果采用雷达隐

身材料,那么这种材料要能吸收或者透过雷达波,尽量减少用于探测的反射波。

对

于一般的目标物,通常很难透过大量雷达波,所以雷达隐身所用的材料以吸波材料为主。

由于高频雷达波频率通常在1～20GHZ频段，因此吸波材料通常在此波段。

按材料成型工艺和承载能力,雷达吸波材料可分为涂敷型吸波材料和结构型吸波材料两类。

由于大面积使用吸波涂料存在很多弊端，例如增加飞机重量、粘附不牢而脱落等，而结构型吸波材料具有承力、重量轻、可设计性能强等特点，所以后者得到大力开发。

1.1涂敷型吸波材料

由于涂敷型吸波材料只是在目标表面涂覆了一层或多层吸波材料,因此对它的承载性没有特殊要求。

这种材料使用起来方便快捷,在军用飞机、坦克、军舰上都有很广泛的应用。

按照吸波材料的吸收机理可以分为干涉型和吸收型。

干涉型是利用吸波层表面反射波和底层反射波的振幅相等而相位相反进行干涉抵消,但是它的缺点是吸收频带很窄。

相比而言,吸收型对雷达波具有相对较宽的吸

收频带,因此用得最多。

无论是吸波涂料还是吸波涂层,一般都是由基体材料、吸

波剂以及其它一些助剂组成。

其中,吸波剂对整个吸波材料的吸波性能起着关键性的作用,通常按照吸波剂的化学成分可分为无机吸波剂和有机高分子吸波剂。

■无机吸波剂

无机吸波剂主要有铁氧体、金属以及陶瓷,而且已经向着超细化、纳米化的方向发展。

国内科技工作者在这方面作了不少研究，焦桓等对纳米的Si/C/N粉体的吸波特性进行研究,得到了单层和双层的吸波涂层,厚度为2.7mm的单层吸波涂层在8～15GHz内微波反射率<-5dB,厚度为2.8mm的双层吸波涂层在8～18GHz的范围内微波反射率也在-5dB以下,且峰值反射率达到-40.5dB。

曹莹等研究的纳米雷达波吸收涂料效果更好，将β2Ni（OH）2等纳米材料掺入到聚氨酯涂料或环氧涂料中,使涂料在1～18GHz的宽频范围内反射率都在-15dB以下,且吸收峰值也达到了-40dB。

在国外，Bregar从理论模型出发,证实了纳米铁磁吸波材料具有普通粒子所无法比拟的吸波特性，显示了吸波剂纳米化的发展方向。

■有机吸波剂

有机吸波剂主要有导电高聚物和由美国卡耐基-梅隆大学研制的视黄基席夫碱,它们都是发展得相对较晚的吸波剂。

导电高分子吸波材料具有较低的微波反射率,很好的吸波性能，以及独特的物理、化学特性,并具有密度小、分子设计、

结构多样化、电磁参量可调、易复合加工等特点,受到了广泛的重视,应用前景广

阔。

国外科技者研究了以导电聚吡咯（PPy）为主体的复合材料对不同入射角微波的吸收特性,入射角从10°变化到80°,在5～18GHz的宽频范围内的反射率始终都在-10dB以下。

视黄基席夫碱的吸波材料,由于密度低、吸收频带宽也受到了极大的关注。

国内王少敏等对视黄基席夫碱进行了研究,先后合成了小分子和

大分子的视黄基席夫碱,并对它们的微波吸收性能进行了测试,结果表明,材料对微波有一定的吸收性能,特别是10GHz左右处都有低于-10dB的强吸收峰。

然而视黄基席夫碱作为微波吸收剂的发展尚未成熟,效果暂时还无法与其它吸收剂相比，还有待进一步研究。

■其它吸波剂

主要是手性吸波剂和智能吸波剂。

手性吸波剂可以通过调节手性参数来做到宽频带低反射,而传统的吸波材料通过调节介电常数和磁导率很难同时满足宽频带和低反射的要求,因此对于手性吸波剂的研究近年来也有不少。

但由于手性吸波剂尚处于研究初始阶段,缺乏足够的理论和实验数据,有很多技术难点有待突破,目前还不能很快应用于实际。

智能吸波剂的研究为吸波材料的发展提供了一种新的思路,与其它吸波剂不同,智能吸波剂不是单一的一种材料,它一般跟电路联合在一起,需要有外部传感器以及反馈系统等智能部件。

1.2结构型吸波材料

结构型吸波材料是一种多功能复合材料,具有承载和雷达隐身的双重功能,是非常有发展前途的吸波材料。

由于需要承载,因此对这种材料的要求非常高。

按照结构形式其可分为混杂纤维增强复合材料、多层吸波复合材料以及夹芯结构复合材料。

它主要是由承载的基体材料和吸波剂复合而成。

基体材料主要是高分子类的一些材料,而吸波剂可以是由上述的无机、有机吸波剂或者是它们的混合物

组成。

梁勇等研制的多功能纳米复合薄膜材料使用的是无机吸波剂,复合材料的吸波性能优良,在8～12GHz的微波段内的反射率低于-10dB,而且具有耐磨、耐

腐蚀以及阻燃等多种性能。

而毛卫民等的发明使用了无机的软磁金属粉和导电高聚物的混合吸波剂,并且采用了多层的设计结构,制成的复合材料在2～18GHz

的宽频范围内反射率低于-4～-16dB。

在国外,做得最好的还是日本的Hayashi等,他们用Ni2Zn类型的多孔铁氧体吸波剂制成的轻质、阻燃、耐用的复合材料具有很好的吸波性能,在1～20GHz波段范围内的反射率都低于-20dB。

实际应用中,洛克威尔国际公司用石墨/环氧复合材料和由玻璃布蒙皮、石墨、炭黑、橡胶等组成的吸收层和蜂窝结构制造了F2117飞机的整套罩和进气口唇部等,事实证明效果很好。

总之,尽管某些吸波材料在一些方面具有优势,但还没有同时满足各种要求的雷达吸波材料。

无论是涂敷型还是结构型雷达吸波材料,是向着吸收能力高、吸收频带宽、力学性能和耐候性好、厚度薄而质量轻的方向发展。

在结构吸波材

料领域，西方国家中以美国和日本的技术最为先进，尤其在复合材料、碳

纤维、陶瓷纤维等研究领域，日本显示出强大的技术实力。

英国的Plesey

公司也是该领域的主要研究机构。

3红外隐身材料

红外探测是仅次于雷达探测用得较多的探测手段之一，它在现代战争中将占有越来越重要的地位,如海湾战争中美国击落的飞机,有40%是由红外制导的空—空导弹击中的。

因此,红外隐身材料的研究已成为继雷达吸波材料之后未来吸波材料研究中的一个重要内容。

它通常是以被动式进行,利用目标发出的红外线来发现、识别和跟踪目标。

由于空气中的水分和二氧化碳会不同程度地吸收红外线,因此能透过大气的红外波长范围是有限的,通常把相对大气透明的红外波长

范围称为大气窗口,共有3个大气窗口:

窗口Ⅰ（0.79～2.60μm）、窗口Ⅱ（3～5μm）、窗口Ⅲ（8～14μm）。

窗口Ⅰ属于近红外波段,它的特点与可见光相似,但穿透力比可见光强。

一般近红外隐身都与可见光隐身一起考虑,它要求目标与背景的反射率差要小,只要差别小到一定程度就可以达到近红外隐身,目前近红外隐身材料一般都为涂敷型,且以涂料居多。

Kumar等曾对印度西部拉贾斯坦邦地区的植物叶子在400～900nm可见和近红外光谱波段的反射作过调查,目的就是为了指导设计涂料的颜色用于军事目标在该波段的隐身。

Sliwinski等研制出了可以调节近红外波段反射曲线进而与背景反射曲线一致的彩色颜料,可用于制备近红外隐身涂料。

近红外隐身一般通过与可见光类似的伪装都能达到很好的效果。

通常红外隐身更多考虑的还是中远红外波段,即窗口Ⅱ和窗口Ⅲ,该波段红外又称为热红外。

使用该波段的红外探测系统通常是依靠目标自身和背景的辐射差别来发现和识别目标。

而根据波尔兹曼定律:

E=4εσT4,其中σ为玻尔兹曼常数,

E为目标自身的辐射能量,它主要与发射率ε和温度T有关。

通常背景的温度较低,

辐射能量较小。

因此要使目标与背景的辐射差减小,就得降低目标的辐射能量。

热红外隐身材料主要是根据这样的基本原理,通过降低目标的发射率或温度来达到红外隐身目的。

因此,按作用机理红外隐身材料可分为控制比辐射率和控制温度两类。

3.1控制比辐射率

控制比辐射率主要是针对红外隐身涂料。

国内在红外隐身涂料研究方面的历史较短,基本上处于探索阶段。

国家在“863”项目中专门设立了红外伪装的研究课题。

虽然有报道说涂料红外发射率达到0.5以下,但都没有进入实用阶段。

目前

研究的涂料材料有无机和有机或兼而有之。

和金属有关的有二氧化硅的铝片、掺锡氧化铟、氧化锡、掺铝氧化锌等。

此外国内也对复合型双层隐身材料进行了研究,其低红外发射率面层材料的法向发射率介于0.23和0.54之间。

3.2控制温度

鉴于波尔兹曼定律中辐射能量与温度的四次方成正比,温度成为红外隐身非常重要的因素。

有研究表明,通过洒水蒸发或通入冷却流体吸热来控制温度,可实现热红外隐身。

而从材料的角度出发,一般热红外隐身所用的材料主要有两类:

相变材料和隔热材料。

■相变材料

相变材料（PCM）可以利用材料达到相变温度时由于相变潜热而吸收热量,从而控制目标温度。

David等发明了一种用于减少红外辐射的材料,该材料使用了一种微胶囊粒子,这种微胶囊粒子由外壳材料和相变材料组成,根据不同场合相变材料可以使用不同碳原子数目的直链烷烃,把该微胶囊植入泡沫材料、用胶粘剂粘合起来或制成涂料就成为一种热红外隐身材料,实验结果表明红外雷达已经探测不到。

国内孙浩等用石蜡和脲醛树脂制备了微胶囊相变材料,并制成涂料涂敷于高温的测试表面,测试了其红外隐身性能以及其耐热耐酸碱性能,测试结果显示所遮盖的目标物经过材料的相变过程,红外热成像仪已观察不到目标的热特征,由于该材料还具有优良的耐热性、耐候性和热循环性能,因而应用前景广阔。

■隔热材料

由于冬天环境温度比较低,目标与背景的温度差很大,热红外隐身困难,因此只有设法让目标的热辐射不能轻易传出外表面,才有可能躲过热红外探测。

为此,Pusch等发明了一种可用于冬天的隐身材料，使用高分子纤维材料为基材,然后

在材料两面涂上软质塑料,当然外面还加了几层用于雷达和可见光隐身的材料,该材料在大气窗口Ⅱ和窗口Ⅲ中显示了较好的隐身效果。

大多数颜料通常都是高发射率材料,如果在一般的彩色涂料上加入大热惯量隔热材料,一方面它不会增加涂料的发射率,另一方面也具有显著的降温效果。

据报道,在某些很难降低发射率的彩色涂料中,如果加入聚合物微球,它不仅具有明显的降温效果（最多可降温9～11℃）,而且对涂料的发射率没有影响,更可降低涂层发射率至0.1左右。

因此,聚合物微球也可用于热红外隐身。

由于目前还没有发现相关人员的具体研究工作和研究成果的文献,因此这类材料用于红外隐身还有待进一步确认。

4激光隐身材料

4.1激光隐身原理

激光隐身是通过减少目标对激光的反射信号,使目标具有低可探测性。

其主要出发点是减少目标的激光雷达散射截面（LRCS）和激光反射率。

LRCS综合反映了激光波长、目标表面材料及其粗糙度、目标几何结构形状等各种因素对目标激光散射特性的影响,是用于表征目标激光散射特性的主要指标,也是最重要的目标光学特性指标之一。

反射率是指当材料的厚度达到其反射比不受厚度的增加而变化时的反射比。

由于在一般情况下,激光隐身材料都有一定的厚度,其厚度的变化不影响反射比,因此,评价激光隐身材料性能的参数可以称为光谱反射率或光谱漫反射率。

4.2激光隐身材料技术

按激光隐身材料的隐身机理来分主要有吸收材料、导光材料、透射材料,其中吸收材料应用最为普遍。

3.2.1吸收材料

激光吸收材料（LAM）的作用在于强烈吸收激光从而减小激光反射信号或改

变激光频率。

按材料的成型工艺和承载能力，吸收材料分为涂覆型和结构型。

现在各国采用的激光材料隐身技术主要有:

■“涂覆型”。

降低目标对激光的后向散射。

如利用涂料降低目标表面的光洁度,或在目标表面涂覆吸收材料,使目标反射信号强度减弱;或采用激光伪装隐身网,可在网上涂覆吸收激光的涂料;因为伪装隐身网价格低廉、使用方便、工艺稳定、易于批量生产且可实现多频谱隐身功能,国际上正大力发展此种材料。

德国的PuschGunter发明了一种伪装网,在雷达波段、可见光隐身及红外波段处可产生逼近环境（树木）的辐射。

对于涂覆型吸收材料,主要从两方面降低目标材料的漫反射:

①研究对激光具有高吸收的材料;②研究涂层的表面形态,以构造漫反射表面,使入射的激光能量以散射的形式传输到其它方向上,同时进行多层结构设计,波长匹配层导入激光信号,吸收层消耗激光能量。

■“结构型”将。

结构设计成吸收型的多层夹芯,或把复合材料制成蜂窝状,在蜂窝另一端返回,这样既降低了反射激光信号的强度,又延长了反射光的到达时间。

结构型吸波材料的研制起始于20世纪60年代,其在武器装备上的应用是20世纪70年代末和80年代初,应用较为广泛的是在隐身飞机上。

结构型吸波材料具有轻质、高强和吸波等特点,是一种多功能复合材料,受到国内外高度重视。

目前结构吸波材料正积极地朝着宽频吸收的方向发展。

3.2.2其它激光隐身功能材料

透射材料是让激光透过目标表面而无反射。

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。

4.3激光隐身材料的发展

在国外,激光隐身技术在外形技术和材料技术上已有了较快的发展。

近年来,国内也展开了激光隐身的研究,并取得了初步的研究成果。

但随着激光武器向多波段、可调谐的方向发展,现有的激光吸收材料工作波段固定、且对气候有一定的依赖性,已不能满足实际应用的要求,因此开展新型的多功能、多频谱兼容的激光隐身材料体系的研究,已成为今后的研究趋势和发展方向之一。

另外,探索激光隐身的新技术、新方法,积极开展新的隐身机理,也是今后的一个研究方向和热点。

5多波段复合兼容隐身材料

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,战场武器装备可能同时面临雷达、红外、激光以及可见光等探测手段的威胁,因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。

下面针对当前最常用的探测手段,即雷达、红外以及激光的复合隐身材料作简单概述。

5.1雷达/红外兼容隐身材料

高效率的雷达隐身材料以提高电磁波的吸收率为前提,往往同时也提高了材料的发射率,材料红外发射率的降低与雷达吸波能力的提高存在着矛盾。

尽管如此,由于红外和雷达的波长相差很大,红外波是微米级的,雷达是厘米或毫米级的,

因此从理论上来说,研究和开发红外/雷达兼容隐身的材料是可能的。

金属材料是

红外隐身材料中应用较多的一类材料,它具有低的红外发射率,但由于高的反射率不利于雷达隐身，通过复合有可能解决这一问题。

有研究发现,一些金属氧化物、半导体材料等与片状铝粉混合使用时,红外反射、辐射及与雷达波的兼容性能较好。

此外,研究表明导电聚合物在3cm附近波段有很好的微波吸收特性，且具有电磁和光学参量可调节、密度小、易于复合和成型等优点,因此作为雷达/红外兼容的隐身材料也很有前景。

然而,国外最多的是采用多层结构。

如美国专利很早就研制了一种同时具有

雷达和红外隐身效果的材料,这种材料具有3层结构。

底层为基层,可以使用表面涂有聚乙烯膜或增塑聚氯乙烯的尼龙或聚酯纤维编织材料，能很好地反射和吸收来自目标的热红外辐射;中间层是沉积金属层,一般为气相层积而成的纯金属铝，特殊表面电阻设计使其具有与环境相似的雷达反射性质；最上面是涂料层,主要内含氧化铬、氧化铁、二氧化钛等金属氧化物高分子涂料，对近红外和可见光都具有良好隐身性能,能在热红外波段具有更好的隐身效果，涂料中含有对中远红外光透明的黏合剂。

这种多层结构具有较好的雷达/红外复合隐身效果。

5.2红外/激光兼容隐身材料

通常所说的激光/红外兼容隐身材料是指对热红外波段和1～6μm激光能兼容的隐身材料。

对于同一目标要同时达到红外与激光的隐身,就必须同时降低材料的发射率和反射率,这是一对矛盾。

因为根据经典的热辐射理论,即基尔霍夫定律,物体在热平衡状态时有:

α（λ,T）=ε（λ,T）,即物体的发射率等于吸收率。

对于不透明的涂料（透射率接近0）,根据能量守衡定律有:

ρ（λ,T）+ε（λ,T）=1，所以,在同一波段范围同时降低材料的反射率ρ和发射率ε从而达到红外与激光的兼容

隐身是热平衡理论所面临的难题。

增加材料反射率、降低发射率能达到红外隐身目的,但这也往往提高了材料对这一波长的激光反射率,使得目标对激光“显形”,而如果降低材料的反射率以求激光隐身则又增加了红外的发射率。

要达到红外和激光的隐身兼容,就必须克服两者对材料的这对矛盾要求。

虽然有研究能做到1～6μm处激光低反射和8～14μm范围内目标外形红外热图能分割,但还不能使目标完全融合在背景之中,且对1～6μm激光和3～5μm波段的红外隐身也没有考虑,因此要制得完全意义上的激光与红外复合隐身材料,还有很多地方需要突破。

不过,有报道称,研究动态热辐射理论,建立起非平衡状态下的隐身机理将有

助于同一波段内红外与激光复合隐身的研究。

相信随着有机高分子和纳米材料的发展,今后可能会制得具有特殊官能团和表面结构的材料,它能在1～6μm等特定激光波长处具有强激光吸收,而在其它热红外波段范围内具有高反射,从而实现激光/红外的兼容隐身。

5.3雷达/激光兼容隐身材料

尽管激光隐身与雷达隐身都要求有低的反射率。

但激光隐身主要是通过分子共振和特殊的表面微粒微孔结构来吸收激光,而雷达隐身则是通过电损耗或磁损耗材料的作用,使进入材料的雷达波转换为热能损耗掉。

有文献报道了一种涂料,达到了一定程度的多波段复合隐身。

测试结果表明,在微米波段，激光隐身反射率约小于0.5%,在8毫米波段雷达反射率达-10dB,并具备可见光伪装性能。

此外,国内科技工作者谢国华等的实验也给雷达/激光兼容隐身材料的研究提供了新的思路,通过对传统雷达吸波材料的表面状态和结构进行改进,比如制成较为粗糙的表面或通过致孔剂形成多孔结构,粗糙表面利于激光散射,多孔结构使得入射

的激光通过孔洞的多次吸收、折射及反复震荡而削弱,从而使材料具备雷达/激光隐身的兼容。

5.4雷达/红外/激光兼容隐身材料

从当前的形式来看,在上述的3种兼容隐身材料中,红外/激光兼容的隐身是目前复合隐身的重点,这是由它们的内在矛盾性所决定的。

但是从长远的发展来看,研制具有雷达/红外/激光（包括可见光）兼容的多波段复合隐身材料是最终的目标。

尽管有人指出,目前采用由反红外探测的面漆加反雷达探测的底漆,通过发挥烟幕弹来降低对激光的反射。

但这毕竟不是长久之计,烟幕弹只能暂时维持一段时间,要想获得较为长期有效的隐身材料,还得研制出一种同时具备很好的雷达

/红外/激光兼容隐身性能且耐久的材料,而目前还未发现此类材料。

6隐身材料发展前沿