海洋特種功能薄膜材料（海洋新材料之隱身材料）

2023-10-19 12:04:29 2

開發深海資源，維護主權權益，提高我國海洋技術支撐和保障能力，必須要發展重大技術裝備。而海洋工程材料則將在其中發揮關鍵性作用。本文【材料 】將從研究進展，發展方向、應用分析等多角度深度為大家解讀系列海洋新材料。

目前，隱身技術作為提高武器系統生存、突防，尤其是縱深打擊能力的有效手段，已經成為集陸、海、空、天、電、磁六維一體的立體化現代戰爭中最重要、最有效的突防戰術技術手段，並受到世界各國的高度重視。

被發現等於被消滅-是現代軍事中一條顛撲不破的真理。隨著各種新型探測儀器和攻擊武備的出現，水面艦艇在未來海戰中的生存出現了重大危機，這就使如何有效提高艦艇的隱蔽性成為各海軍大國的研究重點。隱身技術就是研究如何控制、縮減水面艦艇的特徵信號，以降低聲納、雷達、磁探儀等探測系統的發現距離、減少以特徵信號為引信的制導武器的命中概率，從而提高艦船的生存能力、突防能力及作戰效能的技術[1]。

作為海上（海面和海水中）特定環境下的目標-艦艇，它的可探測性特徵除了敵方探測雷達的散射回波和艦艇自身的紅外輻射之外，還有艦艇的噪聲等信息。因此，對艦艇的探測，主要是採用雷達、聲納和紅外信號來探索和發現目標。因此，海上艦艇的主要隱身手段也是從降低雷達，聲納和紅外信號出發的[2]。

（1）降低目標（艦艇）的雷達回波。雷達在工作時，向目標區域（空間）發射電磁波，該電磁波遇到信號後便會被反射回來，雷達接收到該反射信號，就會發現目標。①使照射到目標上的雷達波反射到其他方向，不能返回雷達處，從而使雷達接收不到目標反射的信號。例如，可通過改變艦艇的外形來實現（改變外形用曲面板代替平面板；改變各部結構設計成傾斜式側面；改變各部結構採用倒角連接；減少外露的武器裝備和設備）。②將照射到目標上的雷達波強烈地吸收掉，使返回到雷達處的信號變得極其微弱，以致於雷達檢測不到目標的反射信號，從而發現不了隱身目標。例如，藉助特殊的、能強烈吸收雷達波的材料（吸波材料、透波材料及塗料），使照射到目標上的雷達波強烈地吸收掉，而返回到雷達處的信號變得極其微弱，以致於雷達檢測不到目標的反射信號，從而發現不了隱身目標。

美國在完成一艘用來展示隱身技術的演示船「海影」號研究之後，利用其研究成果將研製隱身航母CVX的計劃提上了議程。CVX的隱身技術包括改變船體形狀、使用複合材料、雷達嵌裝於船體表面內和重新設計上層建築，其塔臺設計成具有隱身結構的扁平菱形。另外，CVX設計考慮到減輕重量、縮小體積、加快航速，為隱形創造了條件。美國計劃建造的「雙M」型隱身船設計方案是在綜合考慮了「海影」號及其他隱身戰艦的隱身技術後提出的，將成為目前隱身艦船的設計典範。

英國「海幽靈」號隱身護衛艦是繼瑞典的「斯麥傑」號、美國的「海影」號之後出現的又一「真正的隱身艦艇」。其隱身特點為：船首部分可大大減弱雷達電波的反射效應，同時也減少了海浪的阻力；艦上裝有特製的噴霧自衛系統，噴出的細密水霧能將艦艇的光反射和紅外輻射迅速遮蓋起來；此外，該艦還通過在關鍵部位敷設吸波和透波材料，使用複合材料隔熱吸音，採用低截獲概率電子設備和對電子設備進行屏蔽，以及改用低磁材料建造艦體等措施進一步提高艦艇的隱身能力。

德國MEKO型護衛艦的第三代採用了隱身技術。該艦採用了最新研製的複合材料，取消了傳統桅杆和雷達天線，使武器裝備、雷達天線等與艦體成為一體，並巧妙地將傳感器內置於一個「烏鴉窩」桅杆內，外表設計成低矮廣順的流線型，上層建築與艦體成獨特的X型。在紅外隱身方面，該艦採取了冷卻廢氣、水膜和水幕冷卻艦體結構、屏蔽空調裝置的排氣口等一系列措施。該艦是目前世界上隱身技術較好的水面艦艇，據稱現役的探測裝置基本無法探測到。

中國054A型護衛艦是中國海軍目前裝備最先進飛彈護衛艦，也是我國大型水面作戰艦船建造能力的典型代表。相比老舊的053型系列護衛艦，054A型護衛艦在054型護衛艦的基礎上有了更大的改進，採用了集成化的多功能桅杆、飛彈垂直發射裝置，尤其是在艦體的設計上，突出了隱身能力。054A型護衛艦採用長上層建築、前後橋樓的船型結構形式，外型設計威武美觀，RCS指標較以往中國海軍的水面艦船較大的改善。其自身紅外特徵、自身噪聲指標也降低到較小的範圍;自消磁系統的採用，能有效降低磁性量值，提高對抗磁性水雷的能力。

在艦用隱身材料領域，美國在多個領域都取得了進展。在聲隱身材料領域，2011年2月，美國伊利諾伊大學的科學家研製出一種水下聲學隱形外罩。水下物體在其遮擋下，甚至可以騙過聲吶和其他超聲波探測儀的探測。這種聲學隱形外罩是由特殊設計的材料製成，可以在特定空間控制聲波並將其彎曲或扭曲，能夠遮擋40KHZ-80KHZ的聲波範圍。

在當今的艦艇建造與設計中，隱身能力已經成為一項非常重要的衡量標準，而決定隱身能力強弱的，是隱身材料問題。同樣，美國在紅外隱材料領域也取得了突破。2005年7月，美國威廉斯國際公司研製的碳-碳複合材料適用於裝備的高溫部位，能夠很好地抑制紅外輻射並吸收雷達波，在發動機部位採用的緻密炭泡沫層可以吸收發動機排氣的熱輻射。在多波段隱身材料領域，美國正在積極進行研究，其水平已經達到可見光、近紅外、中遠紅外和雷達毫米波四段兼容。

除此之外，美國海軍還採用混雜紗PEEK結構隱身材料製造潛艇艇身，對吸收和屏蔽電磁波有著很好的效果。美國海軍軍械實驗室正在研究利用智能隱身材料製造發動機罩，從而減少噪聲信號，達到聲學隱身的目的。2009年3月，美國杜克大學製作的隱身材料可以引導聲波「轉向」，避開儀器探測，從而防止物體被發現。

不僅僅美國在隱身材料領域的研究獲得了成果，其他國家的發展也非常值得注意。2001年5月，俄羅斯針對中小國家的需求推出了廉價小型艦艇，即「幻影」級飛彈艇。在該型飛彈艇上，塗有大面積的對雷達波具有吸波作用的塗料，達到了很好的隱身效果。採用這種隱身技術之後，「幻影」級飛彈艇的雷達反射面積比傳統小艇少了60%。

日本在研製鐵氧體塗料方面處於世界領先地位，該國將導電玻璃纖維用於隱身材料的研究已經取得成功。法國在2007年研製成功一種寬頻納米隱身塗料，由粘合劑和納米級微填充材料構成。這種塗層具有超薄電磁吸收夾層結構，有很好的微波磁導率和紅外輻射率，吸波塗層在50MHZ-50GHZ頻率範圍內有良好的吸波性能。

「維斯比」級巡邏艦採用了許多最先進的技術，最極端、徹底的手段，隱身性能得到極大提升。

德國在2009年2月取得專利的多波段隱身材料是將半導體材料摻入熱紅外、微波、毫米波透明漆、塑料、合成樹脂等粘合劑的一種塗料。它的可見光衍射和亮度取決於半導體材料和表面粗糙度。選擇恰當的半導體材料特性參數，可使該塗料具有可見光及近紅外波段的低反射率、熱紅外波段低發射率、微波和毫米波高吸收率等特性。

瑞典最近研發成功的多波段超輕型偽裝網具有防光學、防近紅外、防中遠紅外、防雷達偵察的特性。該偽裝網由高強度基網材料加多波段吸收材料製成，是目前世界上最具開拓性的先進偽裝網。

隱身材料是實現艦船隱身的物質基礎。艦艇使用隱身材料之後，可以大大降低自身的信號特徵，從而提高生存能力。目前，隱身技術和隱身材料的研究正在朝著薄、輕、寬和強等四個方向發展。隱身材料按照形態可以劃分為隱身塗層材料和隱身結構材料，按照頻譜劃分可以分為聲隱身材料、雷達隱身材料、紅外隱身材料、可見光隱身材料、雷射隱身材料和多波段兼容性隱身材料[2-5]。

雷達隱身材料

雷達隱身材料利用材料的特殊電磁特性將入射電磁波的能量轉化成熱能等而耗損，從而降低雷達的回波強度。雷達隱身材料有多種類型，如介電型、鐵磁型、導電高聚物型、金屬顆粒型、導電纖維型等，每種類型都各有特點。下面介紹幾種研究較多的雷達隱身材料。

鐵氧體材料　

鐵氧體材料既有亞鐵磁性，又有介電性，對簡諧微波電磁場來說，其相對介電係數均呈現複數形式，一般稱為雙復介質。它既能產生磁致損耗，又能產生電致損耗，因而是一種優良的微波吸收材料。文獻報導早在70年代國外就將工業廢水中所含的Zn、Co等合成MFe2O4用作吸收材料(M代表Zn、Co)。在國內，文獻用磁選及浮選處理得到的精鐵砂在7～12GHz頻段對電磁波有較大的衰減性能;文獻利用鐵砂(磁鐵礦)尾礦研製了綜合性能優於用精鐵砂製備的吸收材料;文獻用化學共沉法製得微波吸收特性優良的(MnZnCo)2-W和(MnZnCo)2-Y型複合鐵氧體材料。鐵氧體材料的優點是吸收效率高、塗層薄、頻帶寬;不足之處是比重大，易使部件增重，影響其性能發揮。

導電高分子材料　

導電高分子材料是近十幾年發展起來的一類新型功能材料，這類材料兼具金屬和聚合物的優點。它既不像金屬那樣對微波全反射，也不同於普通高分子對微波的高透過低吸收。它還具有與金屬或半導體相當的導電性能，這類材料的電導率可以通過控制摻雜來調節。由於導電高分子的微波吸收機理類似於導電損耗機理，因此可以通過控制電導率來調節吸波性能。文獻報導用聚乙炔做成2mm厚的膜層對35GHz的微波吸收達90%;法國LaurentOlmedo的研究結果表明聚-3-辛基噻吩平均衰減8dB，最大36.5dB，頻帶寬為3.0GHz。若將它們與其它無機微波吸收劑混合，則吸波效果更佳;通過Kumada方法製備的A-1型可溶性導電高分子和B-1型導電高分子，對26.5～40GHz微波吸收較大。

吸波塗料

從概念上講,雷達波吸收塗料是最符合隱身技術要求的。不管是有限隱身或全隱身都可以應用吸波塗料來彌補缺陷,提高水平。國內各種吸波塗料有30多種,經過-35℃～ 80℃的溫度衝擊試驗,絕大多數材料出現低溫開裂或高溫脫落,再加上大多數吸波頻段在8～12GHz或8～18GHz,頻段較窄,還有的材料施工工藝十分複雜,不可能在船上大面積應用。

吸波塗層面密度的大小,直接影響艦船設計重量餘量和整船重心,它受到嚴格的限制,且面密度越小越好。因此吸波塗層正向著「薄、輕、寬、強」的方向發展,為滿足這一要求,目前世界軍事發達國家正積極開展多晶鐵纖維吸波材料和納米吸波材料、手徵吸波材料的研究。

結構吸波複合材料

結構吸波複合材料的常用結構形式有：

(1)疊層結構:由透波層、阻抗匹配層和反射背襯等組成;

(2)複合結構:先分別製成複合材料和吸波體,然後再粘合而成;

(3)夾層結構:有蜂窩夾心、波紋夾心和框架夾心等結構形式。

國外結構型吸波複合材料的研製起始於60年代,其在武器裝備上的應用是70年代末和80年代初，應用較為廣泛的是在隱身飛機上。由於採用隱身材料技術提高艦艇的生存能力遠比通過改進艦艇的硬殺傷能力防護和電子對抗措施達到同樣的水平所花的研製費用低得多等原因,使一些中小國家在海軍艦艇的隱身技術走在世界前列。法國Eltro公司研製的一種用於潛艇甲板反雷達偽裝用防彈結構材料,這種材料是由片狀塑料或合成材料加金屬導線、金屬網絡以及層狀吸收材料組成,強度與7mm鋼板相當,吸波性能在3～5.5cm波段範圍都是很好的。英國BTR材料公司生產疊層式和夾層式結構吸波材料。該公司生產的BTRP401結構吸波材料在8～18GHz時反射率衰減在20dB以下,厚度約為15mm;BTRP101為薄型材料,厚度小於2mm,其工作頻率範圍為9～13GHz,但反射衰減性能不能兼顧。該公司還把結構吸波材料與Kevlar纖維增強材料相結合,成功地生產出一種耐衝擊的吸波材料,用於上層建築。

國內有關單位雖然就吸波結構材料用基體材料樹脂和增強纖維進行了大量的篩選研究,對結構吸波材料吸波機理也進行了探索,製作了模擬體並將所研結構吸波材料在實船進行了推廣應用。但由於受當時國內吸收劑及增強纖維的條件限制,所研結構型吸波材料普遍存在吸收頻帶窄,吸波結構的吸波性能與力學性能不匹配的問題,僅僅為次承力吸波結構的研究打下了基礎,遠遠不能達到在武器裝備上推廣應用。因此,為了使我國的艦艇隱身技術能夠滿足軍事需求,急需開展適用於現代化艦艇使用的艦用吸波多層結構和吸波夾層結構材料研製及應用研究,其材料的剛性要好,適合於製造承力構件。

光電隱身材料

光電隱身材料包括可見光隱身材料、紅外隱身材料和雷射隱身材料等.

（1）可見光隱身材料

可見光偵察設備利用目標反射的可見光進行偵察,通過目標與背景間的亮度比來識別目標.目標表面材料對可見光的反射特性是影響目標與背景之間亮度及顏色對比的主要因素.同時,目標材料的粗糙狀態以及表面的受光方向也直接影響目標與背景之間的亮度及顏色差別.因此,可見光隱身材料就是要消除和減小目標在可見光波段下與背景間亮度和色度的差別.常用的可見光隱身材料是迷彩塗料.此外,針對潛艇在淺水防探測的「迷彩塗料」膠也正在研製之中.

（2）紅外隱身材料

紅外隱身材料就是降低紅外輻射強度並改變表面紅外輻射特性的材料.目前主要是反紅外表面偽裝材料,尤其是塗料,它具有散射紅外輻射的效能,敷塗在通氣管、排氣管等部位吸收自身的紅外輻射和減少自身的反射特性.在國內,已研製出了微波與紅外兼容的新型隱身材料.在國外,美國SDS(SpectralDynamicsSystems)公司研製出吸收微波與紅外能量的微陶瓷球,它在1～100GHz頻段內有較好的吸收能力.目前我國對海上艦艇熱紅外隱身材料的研究和應用才剛剛起步,因此加速研製艦艇紅外隱身材料,使之與雷達隱身材料一起實現寬頻帶、多頻段隱身是近期奮鬥目標之一.

（3）雷射隱身材料　

目前雷射探測技術是一種先進的探測技術,因此雷射隱身材料應運而生.這種材料可以縮小目標的雷射反射截面,從而達到隱身的目的.常用的雷射隱身材料有兩類:

①吸收雷射的材料:它使照射在目標上的雷射被吸收.

②光致變色材料:它使入射雷射穿透或反射後變成另一波長的雷射.

光電隱身材料的發展趨勢是研究全波段隱身材料,即兼顧可見光隱身、雷射隱身、紅外隱身,甚至包括雷達隱身.

聲隱身材料

艦艇的噪聲源主要是機械噪聲、螺旋槳噪聲、水動力噪聲等。針對艦艇噪聲特點，實現聲隱身的手段主要有兩個方面：降低噪聲源的噪聲強度、控制噪聲的傳遞過程。目前，艦艇採取的主要聲隱身技術包括低噪聲技術、隔振技術、吸振和阻振技術以及消聲瓦、吸聲塗層和有源消聲等。

低噪聲技術

低噪聲技術是指電力推進、噴水推進、磁流體推進、多葉大側斜槳、低噪聲船體外型等技術。例如俄羅斯「基洛」級常規潛艇採用水滴型艇體，封閉流水孔，儘量減少突出部位；法國的「寶石」級攻擊型潛艇採用無主泵的自然循環水堆和電力推進，從而消除主泵和減速齒輪箱的噪聲。

隔振技術

隔振技術包括雙層隔振、浮筏隔振、減震器減振和艙室懸浮等措施。國內自20世紀80年代開始開展了雙層隔振系統的理論和試驗研究，自90年代開始進行浮筏隔振系統研究。

吸振和阻振技術

在艦艇減振降噪工程中，除對主要噪聲源和振源進行治理外，傳播途徑的治理也很重要。艦艇的管路系統多，包括水管、風管、油管、氣管等，振動可通過這些管路傳向全船。管路系統減振降噪最簡單有效的方法是在管路外壁、馬腳、管路基座等部位貼敷阻尼材料。目前投入使用的主要有隔振墊和阻尼帶。

振動和噪聲是能量的一種表現形式。因此，要減振降噪，必須設法將這種機械能轉化成其他形式的能量釋放出來。艦艇聲隱身的主要材料包括吸聲材料、阻尼材料和隔聲材料。

吸聲材料

空氣聲吸聲材料在艦艇艙室內可以使用空氣聲吸聲材料來控制噪聲。使用最廣泛的是多孔吸聲材料，另外還有片膜狀材料和共鳴型吸聲結構以及漸變式吸聲結構材料。常用多孔型吸聲材料有木絲板、纖維板、玻璃棉、泡沫混凝土和泡沫塑料等。

水聲吸聲材料

最常見的水聲吸聲材料為消聲瓦，它能夠將聲轉化為熱能而被消耗。因此，敷設消聲瓦是一種較為成熟的防聲納探測方法。高性能的消聲瓦不僅具有優良的吸聲性能，而且具備優良的隔聲性能和抑振性能；也就是說使用消聲瓦不僅能吸收敵方聲納的探測聲波，也能最大

限度地隔離本艇的輻射聲波。高性能的消聲瓦還可用於聲納艙的非窗口艙壁，作為吸聲障板，消除回波幹擾和艦艇的輻射噪聲幹擾，提高聲納的探測性能。當前的艦艇聲隱身技術要求消聲瓦必須在低頻、寬帶情況下具有良好的吸聲性能，並且具備瓦的尺寸小、重量輕、抗老化和耐壓能力強等優點。

阻尼材料

目前發展的阻尼材料可分為四類：阻尼合金、防震橡膠、高聚物阻尼材料和高聚物中添加各種無機填料(如硫酸鋇、硫酸鈣、鉛鹽等)的複合材料。採用橡膠阻尼材料，不僅可以最大限度地降低機械噪聲和減輕機械振動，提高工作效率，而且十分利於提高產品質量。

隔聲材料

國內外開發和應用的隔聲材料很多，比較先進的是聚醯亞胺泡沫。目前，美國海軍已把聚醯亞胺泡沫用作所有水面戰艦和潛艇的隔熱隔聲材料。

新型隱身材料[7-10]

隨著探測技術的不斷進步，對隱身材料也提出了更高的要求。現在發展的新型隱身材料主要包括:手性材料、納米隱身材料、導電高聚物材料、多晶鐵纖維吸收劑、智能型隱身材料等。

1)手性材料(chiralmaterial)。

手性是指一種物體與其鏡像不存在幾何對稱性且不能通過任何操作使物體與鏡像相重合的現象。研究表明，具有手性特性的材料，能夠減少入射電磁波的反射並能吸收電磁波。目前研究的雷達吸波型手性材料，是在基體材料中摻雜手性結構物質形成的手性複合材料。

2)納米隱身材料。

近幾年來，對納米材料的研究不斷深入，證明納米材料具有極好的吸波特性，因而引起研究人員的極大興趣。目前，美、法、德、日、俄等國家把納米材料作為新一代隱身材料進行探索和研究。

3)導電高聚物材料。

這種材料是近幾年才發展起來的，由於其結構多樣化、高度低和獨特的物理、化學特性，因而引起科學界的廣泛重視。將導電高聚物與無機磁損耗物質或超微粒子複合，可望發展成為一種新型的輕質寬頻帶微波吸收材料。

4)多晶鐵纖維吸收劑。

歐洲伽瑪(GAMMA)公司研製出一種新型的雷達吸波塗層，系採用多晶鐵纖維作為吸收劑。這是一種輕質的磁性雷達吸收劑，可在很寬的頻帶內實現高吸收效果，且重量減輕40%～60%，克服了大多數磁性吸收劑所存在的過重的缺點。

5)智能型隱身材料。

智能型隱身材料和結構是一種具有感知功能、信息處理功能、自我指令並對信號作出最佳響應功能的材料和結構，為利用智能型材料實現隱身功能提供了可能性。

綜合考慮目前國內各項科學技術的發展與應用，我國隱身技術的發展應從以下幾個方面考慮：一是設計更為獨特的外形以達到最優隱身效果；二是研製新型推進系統以減少船體震動和噪聲；三是採用吸波效能更好的塗敷材料以減少雷達反射面積；四是學習國外較為先進的技術措施（如等離子體技術）等以提高現有技術水平。

隨著科學技術的飛速發展，各種新技術、新材料和新工藝的出現，為隱身技術展提供了更為可靠的技術保障。為了在未來海戰中立於不敗之地，為了應對各種探測技術，加快發展隱身技術已成為各軍事大國的首要任務。新型隱身艦艇的不斷出現，新隱身技術的綜合應用為隱身技術的發展奠定了良好的基礎，同時也為隱身技術的研究指明了方向。

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