1、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、控制、执行的能力，获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分别作了简要介绍。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到达的电磁波特性或光波特性，并作出最佳响应，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
2、能材料的感知、回馈、控制、执行能力，将极大地推动隐身材料的发展。中图分类害能黧55 文献标识码：A3 智能隐身材料中图分类号： TJ7655 。文章编号：1001973l(2005)05一0643一051 引言人类生活水平的提高，社会生产的进步，科技日新月异的发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、处理、执行的能力，获得了常规材料不具备的功能，能够达成特定的目的。目前材料的智能化已代表了材料科学发展的最新方向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代的深刻的材料革命。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
3、此得到了各国的高度重视。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变化的信息，随后进行判断、处理和作出反应，以改变自身的结构与功能，并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。或者说，智能材料是指在材料系统或结构中，可将传感、控制和驱动3种职能集于一身，通过自身对信息的感知、采集、转换、传输和处理发出指令，并执行和完成相应的动作，从而赋予材料系统或结构健康自诊断、工况自检测、过程自监控、偏差自校正、损伤自修复与环境自适应等智能功能和生物特征，以达到增强结构安全、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。普通的隐身材料功能单
4、一只能被动的抑制目标的特征信号，而智能隐身材料是20世纪80年代发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理功能，可通过自我指令对信号做出最佳响应31 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巨大威力，雷达波隐身材料的作用功不可没。虽然隐身材料取得了很大成功，然而传统的隐身材料却存在着重量较重、吸收频带窄、吸收效率不够高，特别是它们的吸收均是被动的，不具备主动功能，而且功能单一。随着高技术的快速发展以及军事竞争的日益激烈，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(dynamically adaptiveradarabsorbin
5、g materials)由于具有密度较低，电磁参数可调节得到特定频率下强吸收的优点而且切实可行41u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应，这种智能隐身材料的吸收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成本，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501引。美国制定的隐身材料研究目标中提出：2005年研制出可单独控制的辐射率反射率涂层；2010年研制出
6、能自动对背景和威胁作出反应的自适应涂层体系。世界其它军事强国对此也在积极运作中。美国奥本大学和空军怀特实验室首先提出了直升机旋翼采用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主要集中在以下*基金项目：“十五”国防预研资助项目(413l003024)收稿日期：2004一lO18 通讯作者：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，现在国防科技大学一院，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)卷几个主要方面。32 智能蒙皮西屋公司正在从事智能飞机蒙皮的研究，这种
7、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比，共形系统的优点是它可以安装在飞机上像翼尖这样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发觉。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(如雷达和通讯线路)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1 5|。光纤智能隐身是智能隐身的另一重点。美国空军于1985年首先提出了光纤智能蒙皮隐身的概
8、念和计划，目前，美国空军正致力于采用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、目标搜索和各种传感器元件，使光纤数字电路遍布飞机机翼内。这种战斗机不仅可以隐身，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起，获得在功能上与分层介质吸波涂层类似的蒙皮结构，并将各种机载电子装置、传感器等嵌入蒙皮内以取代传统的雷达天线，从而构成智能蒙皮。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
9、发射器发射出去，这样理论上该武器平台的RCS近似为 O1 川，图 l 是该主动雷达隐身装置图。_33可见光及红外智能隐身在现代电子对抗日趋激烈的背景下，可见光和红外智能隐身是为应对新探测手段而发展起来的。美国还在研制一种可见光伪装智能材料，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控制器，使用带有SiC光探测器的窄带通滤波器可以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理，并发出控制指令以改变材料的颜色和色强度，从而达到隐
10、身的效果口引。美国C1emson大学和Geongia理工学院等大学近年来正在探索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控制。美国军方认为采用光导纤维与变色染料相结合，可以实现服装颜色的自动变化1 8|。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，这种系统由红外传感器、电致变温材料和微处理器组成，该系统实现了目标热像随背景自适应变化的功能。这种红外智能隐身材料系统采用双红外传感器分别采集目标和环境的红外辐射特征信号，感知自身和环境的差异；采用微处理器对感知信号进行分析处理；再用电致变温材料作为驱动系统与光学伪装材料相互依着，从而控制伪装材料温度使其与环境
11、温度相适应。红外智能隐身材料系统是信号采集、处理以及驱动系统融为一体，并和伪装材料相结合的材料系统，当环境辐射特性变化时，材料辐射特性也跟着相应变化，使目标混杂于环境中难于分辨，从而实现各种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。35雷达波智能隐身目前探测航空目标的主要手段是各种雷达设备，因此雷达波隐身仍然是目前隐身技术发展的重点。雷达波智能隐身是雷达波隐身发展的一个重要方向。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理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，在最外层有耐腐蚀性能好的金属材料保护膜。它主要有导电性能好
12、、比重小等特点，在集成电路和电磁设备上有广泛的应用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120GHz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二极管控制主动的FSS(频率选择表面)实现了自适应的雷达吸波结构24，吸收体是建立在Salisbury screen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Fig 3 A singlelayer planar
13、 absorber(top)and transmission line equivalent circuit(bottom)其传统的电阻层被一个用PIN二极管控制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比有更宽的带宽，而且实验结果证实在913GHz频段吸收体的反射率能够动态控制，图5表明通过控制PIN二极管的栅流，可以对吸收体的反射率进行有效控制。Chambers还对集成电路以及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Fig 4 Details of the linearly
14、polarized active FSS topology反射率Fig 5 Measured absorber reflectiVity as aunction odiode bias current雷达波智能隐身的一大热点是DARAM(dynamically adaptive radar_absorbing materials)，对DARAM而言，虽然DARAM具有诸多优点且在实现智能隐身方面切实可行，然而要具有智能隐身功能还需要满足两个条件乜引：(1)足够快的反应时间；(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
15、的缺点是反应时间太慢273；(2)研究了Dallenbach RAM：通过控制外加的电场或磁场(EH)，其口可变，但此技术运用于大面积表面难度较大282叼；(3)英国谢菲尔德大学对导电聚合物进行的研究表明，其阻抗和介电常数的可控性，不论对小同轴环的测试样品还是大面积膜的测试样品都已经被证实，因此可作为DARAM261。该导电聚合物成分是PANiHBF。，PEO(poly(ethylene oxide)，银(12(质量分数)和AgBF4(12(质量分数)。对于含40PANiHBF4的导电聚合物，施加电压后，其反射率变化的时间100ms，见图631|，可见该导电聚合物满足反应时间足够快的要求。该导
16、电聚合物能够满足DARAM条件的本质在于对其施加电压后其电磁参数可以调节，其原理是一旦对导电聚合物施加电压会发生如下反应：PANiHBF4+Ag寻=兰PANiHo+AgBF4其中左边易导电，右边不易导电，施加电场后向易导电的方向发展。通过施加电压的不同，调节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。，下层厚度为d：(见图7)，每层导电聚合物的电磁参数可以调节，即其微波阻抗可以调节，这样就使该吸收体具备了宽频下强吸收的能力。图8是吸收峰可调的两层Jaumann雷达吸收体每层最佳的电阻与频率关系图。图9是用导电聚
17、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“女口gm*鹣黜，戳E目j0#，强Z￥挫澌僦挚二抽始gmund pIane图7 Jaumann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Fig 8 0ptimum sheet resistances for null tuning of atwolayer Jaumann dynamicaIly adaptive radarabsorbing material从图8和图9可见，通过调节电压，得以使Jaumann吸收体中每层导电聚合物的电阻可控调节，从而实现了反射
18、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非常强的隐身能力。从上可知导电聚合物具备了DARAM的条件，目前对导电聚合物还需做以下进一步的研究：(1)体系的丰富化和性能的进一步提高。(2)实用化研究，需要研究同导电聚合物配套的相关感应、控制系统。图9 两层可调阻抗Jaumann DARAM的不同频率下吸收峰调节特性Fig 9 Lowerfrequency null tuning characteristics fora twolayer DARAM with both resistive layerscontrollabIe36 智能隐身材料的优点和应用智能隐身材料之所以得到各国的大
19、力重视，是因为智能材料具有如下的优点和潜在应用：361隐身能力强智能隐身材料的自适应、自调整功能能够根据环境变化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效果。362威胁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，可用于敌方威胁的监视和预警。美国BMDO正在为其未来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，对威胁进行实时监视和预警。1996年美国对这种蒙皮样板进行了部分飞行实验。363健康评估和寿命预测自诊断智能
20、隐身材料和结构系统可以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，探测疲劳损伤和攻击损伤。例如用植入光纤传感器阵列或PVDF传感器可对机翼、机架以及可重复使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。364 主动结构声控(ASAC)采用智能结构可以进行主动结构声控，美国已进行这方面的研究，如采用主动声控涂层进行声信号抑制；此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；主动振动控制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，智能材料的出现，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、新概念对未来武器系统和航空航天系统的发展将会产生重要影响，为武器装备的智能化隐身化提供重要的物质基础。由于高技术的快速发展以及军事竞争的日益激烈，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表明，智能隐身材料的实现和应用指日可待。可以预见的是，随着科学的进一步快速发展，特别是材料科学的进步，更多具备智能功能的新材料将研究成功并广泛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。
