隱身涂料的研究方向
多波段、多功能兼容隱身涂料的研制具有廣闊的應用前景，必須采用新型的吸波材料并改進傳統(tǒng)的吸波材料，如鐵氧體、羰基鐵等。國內(nèi)外進行了卓有成效的新材料的探索，目前有望成為研究熱點的吸波材料主要是納米吸波材料。多波段、多功能兼容隱身涂料能同時吸收和衰減電磁波和聲波，減少反射和散射，從而達到電磁隱身和聲隱身的作用。自20世紀90年代初以來，納米材料和納米技術的興起和發(fā)展，給隱身涂料帶來了突破性進展，已成為當前隱身技術領域研究的熱點之一。
1.納米材料和納米隱身涂料
納米材料是指三維尺寸中至少有一維為納米尺寸的材料，如薄膜、纖維、超細粒子、多層膜、粒子膜及納米微晶材料等，由尺寸在10-10～10-7m的物質(zhì)組成的微粉體系。由于它具有小尺寸效應、表面與界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應，因而出現(xiàn)常規(guī)材料所沒有的一些特別性能。如高強度和高韌性、高熱膨脹系數(shù)、高比熱和低熔點、奇特的磁性和極強的吸波性能等，從而使納米材料獲得廣泛的應用。因為納米超細粉末具有很大的比表面積，能吸收電磁波，同時納米粒子尺寸遠小于紅外及雷達波波長，對波的透過率很大，因此由它制成的涂層在很寬的頻帶范圍內(nèi)可以躲避雷達波的偵察，同時能很好地吸收可見光、紅外線，具有紅外隱身作用，可以顯著改善飛機的隱身性能。目前納米材料作為隱身技術的關鍵技術之一，易于實現(xiàn)高吸收、涂層薄、重量輕、吸收頻帶寬、紅外微波吸收兼容等要求，是一種極具發(fā)展前景的高性能、多功能材料。
綜合防雷達、防紅外、可見光、激光、聲納等隱身涂料的基本原理是降低目標自身發(fā)出的或反射外來的信號強度，或減小目標與環(huán)境的信號反差，使其低于探測器的門檻值；或者使目標與環(huán)境反差規(guī)律混亂，造成目標幾何形狀識別上的困難。納米隱身涂料隱身的原因：（1）由于納米粒子尺寸遠小于紅外及雷達波波長，因此納米材料對這些范圍的波的透過率比常規(guī)材料要強得多，這大大減少了波的反射率，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的效果；（2）納米粒子的比表面積比常規(guī)粉體大3～4個數(shù)量級，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這樣入射到涂料內(nèi)部的電磁波與隱身涂料相互發(fā)生電導損耗、高頻介質(zhì)損耗、磁滯損耗，并將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能導致電磁波能量衰減，這就使得探測器得到的信號強度大大降低，因此很難被探測器發(fā)現(xiàn)，起到了隱身作用。由于納米材料的結(jié)構尺寸在納米量級、物質(zhì)的量子效應和表面效應等對材料性能有重要影響，因此在微波場的輻射下，原子、電子運動加劇，促使磁化，使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，從而增加了對電磁波的吸收性能。一般認為，納米吸波材料對電磁波能量的吸收由晶格缺陷引起的電子散射以及電子與電子之間的相互作用三種效應決定。
納米材料復合涂料一般都是由納米材料與有機涂料復合而成的，已有無機納米材料與有機高分子樹脂復合的納米涂料，它是通過精細控制無機納米粒子使其均勻分散在高聚物基體中的性能更加優(yōu)異的新型涂料。納米材料復合涂料必須滿足以下兩個條件：一是其中至少有一相的尺寸在1～100nm；二是納米相的存在使涂料性能得到顯著提高或有新功能。廣義地講納米材料復合涂料還包括金屬納米涂層材料和無機納米涂層材料。金屬納米涂層材料主要是指材料中含有納米晶相；無機納米涂層材料則是由納米粒子之間的熔融、燒結(jié)復合而成。通常所說的納米涂料均為有機納米復合涂料。目前用于涂料的納米粒子有三類：一是金屬氧化物，如TiO2、ZnO2、Al2O3、Fe2O3等；二是納米金屬粉末，如Al、Tl、Cr、Nd、Mo等；三是無機鹽類，如CaCO3和層狀硅酸鹽等。
利用納米粒子的表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等特殊性質(zhì)可以制備紫外屏蔽涂料、吸波涂料、導電涂料、隔熱涂料等，從而為提高涂料的性能和賦予涂料新的功能開辟了一條新的途徑。當這種涂料用于隱身時，就成為納米隱身涂料?？墒雇扛材繕四軌?qū)梢姽?、雷達、紅外等現(xiàn)代探測儀器有隱身作用。
雷達和紅外隱身技術是隱身領域中研究的重點。傳統(tǒng)的隱身涂料往往以特定的波段為對象，有些兼顧型隱身涂料則往往犧牲主要隱身方向的優(yōu)越性能，或降低裝備的戰(zhàn)斗能力。而納米材料與有機涂料結(jié)合后，有如下特點：機械性能如粘結(jié)性、耐磨性等大大提高，可以減少其他助劑及填料的使用；高效的寬頻帶吸波性能可以覆蓋電磁波、微波、紅外等波段；能夠增強基體的防腐蝕能力；耐候性好；涂裝性能優(yōu)良，施工性大為改善。
2.國內(nèi)外納米隱身涂料的現(xiàn)狀
納米材料具有極好的吸波特性，同時具有兼容好、質(zhì)量小和厚度薄等特點，由它制成的涂料在很寬的頻帶范圍內(nèi)可以降低探測器的探測距離，同時也有可見光、紅外和聲隱身作用。因此，一些西方國家都在加速發(fā)展納米隱身涂料，把納米隱身涂料作為新型隱身手段進行研究和探索。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，隱身涂料已不僅僅用于飛航導彈等飛行器上，幾個主要工業(yè)化國家和軍事強國已開始將隱身涂料技術應用于各種技術裝備上。
美國在隱身技術基礎理論和實際應用研究方面始終居于前列。其F-117A機身表面包覆了紅外與微波隱身材料，這種隱身材料中含有多種超微粒子特別是納米粒子，其對不同波段的電磁波有強烈的吸收能力，可以逃避雷達的監(jiān)視。美國花費巨資研制的納米雷達波吸波涂料技術，可以使每輛坦克花5000多美元，就可獲得涂層薄、吸收率高、吸收波帶寬的隱身涂層，它采用金屬、鐵氧體等納米微粒與聚合物形成的復合涂層和采用多層結(jié)構的復合涂層，能吸收和衰減電磁波和聲波，達到電磁隱身和聲隱身，有很高的軍事價值。法國研制成功的一種寬頻納米隱身涂料，由粘合劑和納米級微填充材料（含Co、Ni合金和SiC納米顆粒）構成。這種涂層具有超薄電磁吸收夾層結(jié)構，有很好的微波磁導率和紅外輻射率，吸波涂層在50M～50GHz頻率范圍內(nèi)有良好的吸波性能。
我國納米科技研究始于20世紀80年代末，目前的研究主要集中在納米材料的合成和制備、掃描探針顯微學、分子電子學以及極少數(shù)納米技術的應用方面。國內(nèi)一些研究機構，在隱身方面取得了一定的突破，在某些方面達到了較高水平。由于科研條件的限制，我國與一些工業(yè)發(fā)達國家仍然存在很大差距。縱觀國內(nèi)外納米隱身涂料的應用研究，可以認為納米科技的發(fā)展程度及納米材料的制備技術制約和影響著納米隱身涂料在軍事上的應用，隨著納米科技的快速發(fā)展，納米材料將為納米隱身涂料提供更堅實的物質(zhì)基礎，促使納米隱身涂料向更高層次發(fā)展。目前，一些發(fā)達國家已實現(xiàn)納米隱身涂料在裝備上的應用，國內(nèi)一些企業(yè)和研究機構利用納米技術在民用涂料的生產(chǎn)和研制方面取得了可喜的進展，其研制和開發(fā)思路對我國納米隱身涂料的發(fā)展有很大的參考價值。
3.納米隱身涂料的發(fā)展趨勢
從國內(nèi)外隱身技術發(fā)展的現(xiàn)狀看，“薄、寬、輕、強”是隱身技術的發(fā)展方向。因此，研制和發(fā)展寬頻帶兼容性好、成本低廉、多功能的納米隱身涂料是必然趨勢。首先，軍事偵察的斗爭越來越需要性能更好的隱身材料；其次，納米科技的發(fā)展為納米隱身涂料提供了技術基礎與物質(zhì)儲備，這兩種因素將促使納米隱身涂料向更高的水平發(fā)展。隨著各國對隱身技術的日益重視，對納米隱身涂料的研究將更加深入，各種軍事裝備大量應用納米隱身涂料必然成為可能。隨著科學研究的不斷深入，新的隱身涂料將不斷問世。由于高度的軍事敏感性和技術保密性，使得隱身涂料的發(fā)展與應用處于迷霧中，同時，各種反隱身技術和手段正在積極發(fā)展之中。隱身和反隱身技術的競爭必將成為新世紀軍事斗爭的亮點。
多波段、多功能兼容隱身涂料的研制具有廣闊的應用前景，必須采用新型的吸波材料并改進傳統(tǒng)的吸波材料，如鐵氧體、羰基鐵等。國內(nèi)外進行了卓有成效的新材料的探索，目前有望成為研究熱點的吸波材料主要是納米吸波材料。多波段、多功能兼容隱身涂料能同時吸收和衰減電磁波和聲波，減少反射和散射，從而達到電磁隱身和聲隱身的作用。自20世紀90年代初以來，納米材料和納米技術的興起和發(fā)展，給隱身涂料帶來了突破性進展，已成為當前隱身技術領域研究的熱點之一。
1.納米材料和納米隱身涂料
納米材料是指三維尺寸中至少有一維為納米尺寸的材料，如薄膜、纖維、超細粒子、多層膜、粒子膜及納米微晶材料等，由尺寸在10-10～10-7m的物質(zhì)組成的微粉體系。由于它具有小尺寸效應、表面與界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應，因而出現(xiàn)常規(guī)材料所沒有的一些特別性能。如高強度和高韌性、高熱膨脹系數(shù)、高比熱和低熔點、奇特的磁性和極強的吸波性能等，從而使納米材料獲得廣泛的應用。因為納米超細粉末具有很大的比表面積，能吸收電磁波，同時納米粒子尺寸遠小于紅外及雷達波波長，對波的透過率很大，因此由它制成的涂層在很寬的頻帶范圍內(nèi)可以躲避雷達波的偵察，同時能很好地吸收可見光、紅外線，具有紅外隱身作用，可以顯著改善飛機的隱身性能。目前納米材料作為隱身技術的關鍵技術之一，易于實現(xiàn)高吸收、涂層薄、重量輕、吸收頻帶寬、紅外微波吸收兼容等要求，是一種極具發(fā)展前景的高性能、多功能材料。
綜合防雷達、防紅外、可見光、激光、聲納等隱身涂料的基本原理是降低目標自身發(fā)出的或反射外來的信號強度，或減小目標與環(huán)境的信號反差，使其低于探測器的門檻值；或者使目標與環(huán)境反差規(guī)律混亂，造成目標幾何形狀識別上的困難。納米隱身涂料隱身的原因：（1）由于納米粒子尺寸遠小于紅外及雷達波波長，因此納米材料對這些范圍的波的透過率比常規(guī)材料要強得多，這大大減少了波的反射率，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的效果；（2）納米粒子的比表面積比常規(guī)粉體大3～4個數(shù)量級，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這樣入射到涂料內(nèi)部的電磁波與隱身涂料相互發(fā)生電導損耗、高頻介質(zhì)損耗、磁滯損耗，并將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能導致電磁波能量衰減，這就使得探測器得到的信號強度大大降低，因此很難被探測器發(fā)現(xiàn)，起到了隱身作用。由于納米材料的結(jié)構尺寸在納米量級、物質(zhì)的量子效應和表面效應等對材料性能有重要影響，因此在微波場的輻射下，原子、電子運動加劇，促使磁化，使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，從而增加了對電磁波的吸收性能。一般認為，納米吸波材料對電磁波能量的吸收由晶格缺陷引起的電子散射以及電子與電子之間的相互作用三種效應決定。
納米材料復合涂料一般都是由納米材料與有機涂料復合而成的，已有無機納米材料與有機高分子樹脂復合的納米涂料，它是通過精細控制無機納米粒子使其均勻分散在高聚物基體中的性能更加優(yōu)異的新型涂料。納米材料復合涂料必須滿足以下兩個條件：一是其中至少有一相的尺寸在1～100nm；二是納米相的存在使涂料性能得到顯著提高或有新功能。廣義地講納米材料復合涂料還包括金屬納米涂層材料和無機納米涂層材料。金屬納米涂層材料主要是指材料中含有納米晶相；無機納米涂層材料則是由納米粒子之間的熔融、燒結(jié)復合而成。通常所說的納米涂料均為有機納米復合涂料。目前用于涂料的納米粒子有三類：一是金屬氧化物，如TiO2、ZnO2、Al2O3、Fe2O3等；二是納米金屬粉末，如Al、Tl、Cr、Nd、Mo等；三是無機鹽類，如CaCO3和層狀硅酸鹽等。
利用納米粒子的表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等特殊性質(zhì)可以制備紫外屏蔽涂料、吸波涂料、導電涂料、隔熱涂料等，從而為提高涂料的性能和賦予涂料新的功能開辟了一條新的途徑。當這種涂料用于隱身時，就成為納米隱身涂料?？墒雇扛材繕四軌?qū)梢姽?、雷達、紅外等現(xiàn)代探測儀器有隱身作用。
雷達和紅外隱身技術是隱身領域中研究的重點。傳統(tǒng)的隱身涂料往往以特定的波段為對象，有些兼顧型隱身涂料則往往犧牲主要隱身方向的優(yōu)越性能，或降低裝備的戰(zhàn)斗能力。而納米材料與有機涂料結(jié)合后，有如下特點：機械性能如粘結(jié)性、耐磨性等大大提高，可以減少其他助劑及填料的使用；高效的寬頻帶吸波性能可以覆蓋電磁波、微波、紅外等波段；能夠增強基體的防腐蝕能力；耐候性好；涂裝性能優(yōu)良，施工性大為改善。
2.國內(nèi)外納米隱身涂料的現(xiàn)狀
納米材料具有極好的吸波特性，同時具有兼容好、質(zhì)量小和厚度薄等特點，由它制成的涂料在很寬的頻帶范圍內(nèi)可以降低探測器的探測距離，同時也有可見光、紅外和聲隱身作用。因此，一些西方國家都在加速發(fā)展納米隱身涂料，把納米隱身涂料作為新型隱身手段進行研究和探索。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，隱身涂料已不僅僅用于飛航導彈等飛行器上，幾個主要工業(yè)化國家和軍事強國已開始將隱身涂料技術應用于各種技術裝備上。
美國在隱身技術基礎理論和實際應用研究方面始終居于前列。其F-117A機身表面包覆了紅外與微波隱身材料，這種隱身材料中含有多種超微粒子特別是納米粒子，其對不同波段的電磁波有強烈的吸收能力，可以逃避雷達的監(jiān)視。美國花費巨資研制的納米雷達波吸波涂料技術，可以使每輛坦克花5000多美元，就可獲得涂層薄、吸收率高、吸收波帶寬的隱身涂層，它采用金屬、鐵氧體等納米微粒與聚合物形成的復合涂層和采用多層結(jié)構的復合涂層，能吸收和衰減電磁波和聲波，達到電磁隱身和聲隱身，有很高的軍事價值。法國研制成功的一種寬頻納米隱身涂料，由粘合劑和納米級微填充材料（含Co、Ni合金和SiC納米顆粒）構成。這種涂層具有超薄電磁吸收夾層結(jié)構，有很好的微波磁導率和紅外輻射率，吸波涂層在50M～50GHz頻率范圍內(nèi)有良好的吸波性能。
我國納米科技研究始于20世紀80年代末，目前的研究主要集中在納米材料的合成和制備、掃描探針顯微學、分子電子學以及極少數(shù)納米技術的應用方面。國內(nèi)一些研究機構，在隱身方面取得了一定的突破，在某些方面達到了較高水平。由于科研條件的限制，我國與一些工業(yè)發(fā)達國家仍然存在很大差距。縱觀國內(nèi)外納米隱身涂料的應用研究，可以認為納米科技的發(fā)展程度及納米材料的制備技術制約和影響著納米隱身涂料在軍事上的應用，隨著納米科技的快速發(fā)展，納米材料將為納米隱身涂料提供更堅實的物質(zhì)基礎，促使納米隱身涂料向更高層次發(fā)展。目前，一些發(fā)達國家已實現(xiàn)納米隱身涂料在裝備上的應用，國內(nèi)一些企業(yè)和研究機構利用納米技術在民用涂料的生產(chǎn)和研制方面取得了可喜的進展，其研制和開發(fā)思路對我國納米隱身涂料的發(fā)展有很大的參考價值。
3.納米隱身涂料的發(fā)展趨勢
從國內(nèi)外隱身技術發(fā)展的現(xiàn)狀看，“薄、寬、輕、強”是隱身技術的發(fā)展方向。因此，研制和發(fā)展寬頻帶兼容性好、成本低廉、多功能的納米隱身涂料是必然趨勢。首先，軍事偵察的斗爭越來越需要性能更好的隱身材料；其次，納米科技的發(fā)展為納米隱身涂料提供了技術基礎與物質(zhì)儲備，這兩種因素將促使納米隱身涂料向更高的水平發(fā)展。隨著各國對隱身技術的日益重視，對納米隱身涂料的研究將更加深入，各種軍事裝備大量應用納米隱身涂料必然成為可能。隨著科學研究的不斷深入，新的隱身涂料將不斷問世。由于高度的軍事敏感性和技術保密性，使得隱身涂料的發(fā)展與應用處于迷霧中，同時，各種反隱身技術和手段正在積極發(fā)展之中。隱身和反隱身技術的競爭必將成為新世紀軍事斗爭的亮點。