智能隐身材料研究现状.docx

智能隐身材料研究现状.docx

《智能隐身材料研究现状.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能隐身材料研究现状.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能隐身材料研究现状

智能隐身材料的研究现状+

杨长胜，程海峰，李效东，唐耿平

（国防科技大学新型陶瓷纤维及复合材料国防科技重点实验室，湖南长沙410073）

摘要：

智能隐身材料由于具有传感、操纵、执行的

能力，取得了比常规隐身材料更优越的功能，本文概述

了智能隐身材料的研究现状，并对智能隐身材料的主

要研究方向为智能蒙皮、可见光及红外智能隐身、智能

声隐身和雷达波智能隐身别离作了简要介绍。

关键词：

智能蒙皮；可见光及红外智能隐身；雷达波

的功能材料。

这种材料能感知和分析不同方位抵达的

电磁波特性或光波特性，并作出最正确响应，以达到隐身

的目的。

智能隐身材料是智能材料与隐身材料的有机

结合，这种结合大大提高了隐身材料的功能，使其具有

了智能材料的感知、回馈、操纵、执行能力，将极大地推

动隐身材料的进展。

中图分类害能黧5．5文献标识码：

A

3智能隐身材料

中图分类号：

TJ765．5。

⋯⋯⋯⋯～

文章编号：

1001—973l（2005）05一0643一05

1引言

人类生活水平的提高，社会生产的进步，科技日新

月异的进展对材料的开发提出了更高的要求。

智能材

料由于具有探测、处置、执行的能力，取得了常规材料

不具有的功能，能够达到特定的目的。

目前材料的智

能化已代表了材料科学进展的最新方向Llj，智能材料

的问世标志和宣告了第5代新材料的诞生，也预示着

在即将到来的2l世纪将发生一次划时期的深刻的材

料革命。

在武器装备隐身化和新军事变革的大背景

下，智能隐身材料也因此取得了各国的高度重视。

2智能与智能隐身材料概述

智能材料是一种能从自身的表层或内部获取关于

环境条件及其转变的信息，随后进行判定、处置和作出

反映，以改变自身的结构与功能，并使之专门好地与外界

相和谐的具有自适应性的材料系统。

或说，智能材

料是指在材料系统或结构中，可将传感、操纵和驱动3

种职能集于一身，通过自身对信息的感知、搜集、转换、

传输和处置发出指令，并执行和完成相应的动作，从而

给予材料系统或结构健康自诊断、工况自检测、进程自

监控、误差自校正、损伤自修复与环境自适应等智能功

能和生物特点，以达到增强结构平安、减轻构件重量、

降低能量消耗和提高整体性能之目的的一种材料系统

与结构‘2’引。

一般的隐身材料功能单一只能被动的抑制目标的

特点信号，而智能隐身材料是20世纪80年代进展起

来并备受重视的新型高技术材料，它具有感知功能和

信息处置功能，可通过自我指令对信号做出最正确响应

3．1智能隐身材料的研究概况

隐身兵器在海湾战争、科索沃战争中表现出庞大

威力，雷达波隐身材料的作用功不可没。

尽管隐身材

料取得了专门大成功，但是传统的隐身材料却存在着重

量较重、吸收频带窄、吸生效率不够高，专门是它们的

吸收均是被动的，不具有主动功能，而且功能单一。

随着高技术的快速进展和军事竞争的日趋激

烈，电子通信业和军事行业对电磁参数可控的智能表

面产生了迫切需要。

DARAM（dynamicallyadaptive

radar—absorbingmaterials）由于具有密度较低，电磁参

数可调剂取得特定频率下强吸收的优势而且切实可

行[4~1u受到美英等国的高度重视，毫无疑问DARAM

将是智能隐身材料实现的开端。

智能隐身材料能够感应入射的电磁波，然后能作

出例如让材料的吸收峰处于该电磁频段的相应反映，

这种智能隐身材料的吸生效率比起传统的隐身材料大

大提高。

智能隐身材料的应用降低了电子系统本身的质量

和本钱，智能光纤代替传统的铜线减少至少80％的质

量。

用智能纤维增强的聚合物作隐身的结构材料，不

仅降低了雷达的散射截面，同时把飞机的质量也减轻

了50％[1引。

美国制定的隐身材料研究目标中提出：

2005年研

制出可单独操纵的辐射率／反射率涂层；2020年研制

出能自动对背景和要挟作出反映的自适应涂层体系。

世界其它军事强国对此也在踊跃运作中。

美国奥本大学和空军怀特实验室第一提出了直升

机旋翼采纳智能隐身材料的设计方案，其隐身能力可

提高20倍口3|。

目前开展的智能隐身材料的研究要紧集中在以下

*基金项目：

“十五”国防预研资助项目（413l003024）

收稿日期：

2004一lO—18通信杨长胜

作者简介：

杨长胜（1978一），男．江苏扬州人，在读博士。

2002年于国防科技大学获工学硕士学位，此刻国防科技大学一院，

师承李效东教授，从事隐身材料的研究。

万方数据

助锨曹孝料2005年第5期（36）卷

几个要紧方面。

3．2智能蒙皮

西屋公司正在从事智能飞机蒙皮的研究，这种技

术用嵌入蒙皮的共形系统来代替天线和黑箱。

与常规

的飞机雷达天线相较，共形系统的优势是它能够安装

在飞机上像翼尖如此通常难以安装的部位，通过定向

操作达到隐身的目的。

而常规飞机的雷达天线在360。

范围内操作，向外发射的电磁信号容易泄漏而被觉察。

这种飞机蒙皮具有降低飞机被电子探测的功能。

通过

将电磁发射元件（如雷达和通信线路）替换成无源且定

向性装置从而提高了飞机的作战隐身性能[1“。

宾西法尼亚大学等正在从事智能蒙皮天线技术，

这种技术用宽频、多功能的共形天线安装在飞行器的

表面以达到隐身目的，这种技术有较宽的吸收频

带‘15|。

光纤智能隐身是智能隐身的另一重点。

美国空军

于1985年第一提出了光纤智能蒙皮隐身的概念和计

划，目前，美国空军正致力于采纳光纤传感器作隐身飞

机灵巧蒙皮的研究n引。

在这种光纤灵巧蒙皮内嵌入

保型雷达、导航设备、目标搜索和各类传感器元件，使

光纤数字电路遍及飞机机翼内。

这种战斗机不仅能够

隐身，而且灵敏度高、易操纵并可自动校正飞行。

美国空军最近提出将不同导电率的多层薄膜连结

在一路，取得在功能上与分层介质吸波涂层类似的蒙

皮结构，并将各类机载电子装置、传感器等嵌入蒙皮内

以取代传统的雷达天线，从而组成智能蒙皮。

美国研究了一种主动雷达隐身装置，它是在塑料

涂层中集成微波探测器、相变换放大器和微波发射器。

探测器探测到入射波、反射波和相消电磁波的合成波，

然后相变换放大器转换探测器探测到的合成波，再通

过发射器发射出去，如此理论上该武器平台的RCS近

似为O[1川，图l是该主动雷达隐身装置图。

__

3．3可见光及红外智能隐身

在现代电子对抗日趋猛烈的背景下，可见光和红

外智能隐身是为应付新探测手腕而进展起来的。

美国还在研制一种可见光假装智能材料，是在聚

氨酯分子中嵌人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，形成具有自由电子的共轭

结构，从而改变了整个材料的颜色和光强度。

在此基

础上，在材料系统中加入传感器和操纵器，利用带有

SiC光探测器的窄带通滤波器能够识别环境的波长和

光强度，再将输出信号经模拟数字转换器传输结微处

理器进行识别和数据处置，并发出操纵指令以改变材

料的颜色和色强度，从而达到隐身的成效口引。

美国C1emson大学和Geongia理工学院等大学近

年来正在探讨光纤中掺人变色染料或改变光纤的表面

涂层材料，使纤维的颜色能够实现自动操纵。

美国军

方以为采纳光导纤维与变色染料相结合，能够实现服

装颜色的自动转变[18|。

北京理工大学的张升康等人设计了一种红外智能

隐身材料系统，这种系统由红别传感器、电致变温材料

和微处置器组成，该系统实现了目标热像随背景自适

应转变的功能。

这种红外智能隐身材料系统采纳双红

别传感器别离搜集目标和环境的红外辐射特点信号，

感知自身和环境的不同；采纳微处置器对感知信号进

行分析处置；再用电致变温材料作为驱动系统与光学

假装材料彼此依着，从而操纵假装材料温度使其与环

境温度相适应。

红外智能隐身材料系统是信号搜集、

处置和驱动系统融为一体，并和假装材料相结合的

材料系统，当环境辐射特性转变时，材料辐射特性也跟

着相应转变，使目标混杂于环境中难于分辨，从而实现

各类环境下的自适应隐身。

图2为隐身材料系统的简

化结构图n¨。

3．5雷达波智能隐身

目前探测航空目标的要紧手腕是各类雷达设备，

因此雷达波隐身仍然是目前隐身技术进展的重点。

雷

达波智能隐身是雷达波隐身进展的一个重要方向。

导电玻璃纤维是一种智能纤维，它是玻璃镀金属

技术和玻璃纤维表面处置技术相结合而开发出来的产

品。

它在纤维表面镀上镍合金，其上面包敷导电性能

良好的金属，在最外层有耐侵蚀性能好的金属材料保

护膜。

它要紧有导电性能好、比重小等特点，在集成电

路和电磁设备上有普遍的应用[1引。

日本将导电玻璃纤维用于隐身材料的研究已经取

得成功[23]。

研究人员研究出一种高频高效吸波涂料，

它具有由电阻抗变换层和低阻抗谐振层组成的两层结

构，其中谐振层是由铁氧体、导电短纤维与树脂组成的

复合材料。

该纤维可吸收1～20GHz的雷达波，吸收

带宽达50％，吸收率达20dB以上。

英国Tennat和Chambers研究了用PIN二极管

操纵主动的FSS（频率选择表面）实现了自适应的雷达

吸波结构[24‘，吸收体是成立在Salisburyscreen配置

基础上的平面结构（图3）。

图3单层平面吸波体和传输线等价网

Fig3Asingle—layerplanarabsorber（top）andtrans—

missionlineequivalentcircuit（bottom）

其传统的电阻层被一个用PIN二极管操纵的主

动频率选择表面层（图4）所替代，这种结构吸收体与

相应厚度的传统被动吸收体相较有更宽的带宽，而且

实验结果证明在9～13GHz频段吸收体的反射率能够

动态操纵，图5说明通过操纵PIN二极管的栅流，可

以对吸收体的反射率进行有效操纵。

Chambers还对集成电路和块阻抗／介质实现智

能雷达吸收体的配置进行了研究，并从理论上对此进

行了模拟∞5|。

舢酬；嘲夕···▲

图4线极化的主动频率选择表面布局

Fig4DetailsofthelinearlypolarizedactiveFSSto

pology

反射率

Fig5MeasuredabsorberreflectiVityasa{unctiono{

diodebiascurrent

雷达波智能隐身的一大热点是DARAM（dynami—

callyadaptiveradar_absorbingmaterials），对DARAM

而言，尽管DARAM具有诸多优势且在实现智能隐身

方面切实可行，但是要具有智能隐身功能还需要知足

两个条件乜引：

（1）足够快的反映时刻；

（2）能有效地整

合到电子对抗系统中。

在DARAM研究方面，国外所做的尝试有：

（1）把

高介电液体渗透人低介电的多孔基体中，它的缺点是

反映时刻太慢[273；

（2）研究了DallenbachRAM：

通过

操纵外加的电场或磁场（E．H），其￡．口可变，但此技术

运用于大面积表面难度较大[28’2叼；（3）英国谢菲尔德大

学对导电聚合物进行的研究说明，其阻抗和介电常数

的可控性，不论对小同轴环的测试样品仍是大面积膜

的测试样品都已经被证明，因此可作为DARAM[261。

该导电聚合物成份是PANi·HBF。

，PEO（poly

（ethyleneoxide），银（12％（质量分数））和AgBF4

（12％（质量分数））[∞]。

关于含40％PANi·HBF4的

导电聚合物，施加电压后，其反射率转变的时刻<

100ms，见图6[31|，可见该导电聚合物知足反映时刻足

够快的要求。

该导电聚合物能够知足DARAM条件的本质在

于对其施加电压后其电磁参数能够调剂，其原理是一

旦对导电聚合物施加电压会发生如下反映：

PANi·HBF4+Ag寻=兰PANi·Ho+AgBF4

其中左侧易导电，右边不易导电，施加电场后向易

导电的方向进展。

通过施加电压的不同，调剂了导电聚合物的电磁

参数，从而能够使电磁波在聚合物内的波长发生改变。

用两层导电聚合物配置成Jaumann雷达吸收体，上层

厚度为d。

，基层厚度为d：

（见图7），每层导电聚合物的

电磁参数能够调剂，即其微波阻抗能够调剂，如此就使

该吸收体具有了宽频下强吸收的能力。

图8是吸收峰

可调的两层Jaumann雷达吸收体每层最正确的电阻与

频率关系图。

图9是用导电聚合物配置的Jaumann

雷达吸收体在施加不同电压后，其反射率与频率的关

系。

尺，

尺2

⋯⋯⋯⋯一⋯⋯’。

‘。

7“‘⋯‘4“㈦

≈女§口g∞m^*鹣■《∞∞黜，戳{E目j0#，强Z￥挫■澌僦挚∞二抽始

gmundpIane

图7Jaumann雷达吸收体

卜卜

图8吸收峰可调的两层Jaumann雷达吸收体每层最

佳的电阻与频率关系

Fig80ptimumsheetresistancesfornulltuningofa

two—layerJaumanndynamicaIlyadaptiveradar

absorbingmaterial

从图8和图9可见，通过调剂电压，得以使Jau—

mann吸收体中每层导电聚合物的电阻可控调剂，从而

实现了反射率吸收峰不同频率下可调的目的。

这使得

在很宽的频带内具有超级强的隐身能力。

从上可知导电聚合物具有了DARAM的条件，目

前对导电聚合物还需做以下进一步的研究：

（1）体系的

丰硕化和性能的进一步提高。

（2）有效化研究，需要研

究同导电聚合物配套的相关感应、操纵系统。

图9两层可调阻抗JaumannDARAM的不同频率下

吸收峰调剂特性

Fig9Lower—frequencynulltuningcharacteristicsfor

atwo—layerDARAMwithbothresistivelayers

controllabIe

3．6智能隐身材料的优势和应用

智能隐身材料之因此取得各国的大力重视，是因

为智能材料具有如下的优势和潜在应用：

3．6．1隐身能力强

智能隐身材料的自适应、自调整功能能够依照环

境转变调整材料的相应参数，从而使其具有极强的腺

身性能和隐身成效。

3．6．2要挟预警

在航空航天器蒙皮中植人能探测射频、雷达波、激

光、核辐射等多种传感器的智能蒙皮，可用于敌方要挟

的监视和预警。

美国BMDO正在为其以后的弹道导

弹监视和预警卫星研究在复合材料蒙皮中植入核爆光

纤传感器、X射线光纤探测器、激光传感器、射频天线、

辐射场效应管等多种传感器的智能蒙皮，其可安装在

天基防御系统空间平台的表面，对要挟进行实时监视

和预警。

1996年美国对这种蒙皮样板进行了部份飞

行实验。

3．6．3健康评估和寿命预测

自诊断智能隐身材料和结构系统能够在武器的全

寿命期中实时测量结构内的应变、温度、裂纹、形变等

参数，探测疲劳损伤和解决损伤。

例如用植入光纤传

感器阵列或PVDF传感器可对机翼、机架和可重复

利用航天运载器进行全寿命期的实时监测、损伤评估

和寿命预测。

具有健康评估和寿命预测的功能使得智能隐身材

料的寿命将大大增加。

3．6．4主动结构声控（ASAC）

采纳智能结构能够进行主动结构声控，美国已进

行这方面的研究，如采纳主动声控涂层进行声信号抑

制；另外还用智能材料制造抑制发动机噪声信号向外

传播的发动机罩，从而提高潜艇及军舰的声隐身性；主

动振动操纵和声控还能提高军用车辆的性能和乘员的

舒适性。

综上所述，智能材料的显现，推动了材料科学的发

万方数据

杨长胜等：

智能隐身材料的研究现状647

展。

同时它的新原理、新概念对以后武器系统和航空

航天系统的进展将会产生重要阻碍，为武器装备的智

能化隐身化提供重要的物质基础。

由于高技术的快速

进展和军事竞争的日趋猛烈，电子通信业和军事行

业对电磁参数可控的智能表面和智能声控系统产生了

迫切需要，智能隐身材料在此背景下可谓应时而生，国

内外对智能隐身材料进行的研究说明，智能隐身材料

的实现和应用为期不远。

能够预见的是，随着科学的

进一步快速进展，专门是材料科学的进步，更多具有智

能功能的新材料将研究成功并普遍应用于社会生活的

方方面面。

智能隐身材料也将成为本世纪隐身材料发

展的最重要方向之一。