哈恩华 ，黄大庆 ，王智勇 ，何 山 ，丁鹤雁
(北京航空材料研究院 ，北京 100095)
摘要 雷达与红外兼容隐身材料在军事领域具有广阔的应用前景 。综述了对雷达与红外兼容隐身材料的研究 状况及应用 ，详细分析了粘结剂对材料隐身性能的影响以及半导体填料对实现雷达与红外兼容隐身的可能性 。
关键词 雷达与红外兼容隐身材料 粘结剂 掺杂半导体
Devel opment in R a d ar Absorbing Material s with I nf r ared Ca mouf l age
H A En h ua , H U A N G Da qi ng , W A N G Zhiyo ng , H E S ha n , D IN G He ya n
(Beiji n g In stit u t e of Aero n a u t ical Mat erial s , Beiji n g 100095)
Abstract
Rra da r abso r b ing mat erial s wit h inf ra r ed camo u f l age will have broad app licatio n p r o s p
ect in many
milit a r y f ields. In t h i s p ap e r , t h e p r e s ent re s ea r ch sit u atio n a n d app licatio n s of t h e s e t y p e s of st ealt h material s are re 2 viewed. The eff e ct of bi n der o n ca m o u f l age p r op ertie s i s analyzed t h eo r etically. The po s sibilit y of d op e d semico n ducto r mat erial s being t ailo r ed to radar and inf r ared camo u f l age i s al so di s cussed.
K ey w ords
rada r & i n f ra r ed st ealt h mat e rial s , binder , d op e d semico n ducto r
在可见光和近红外具有较低的太阳能吸收率和一定的隔热能力 来降低目标表面的温度 ，以降低目标辐射强度 ，从而减小目标的 被探测概率 。
由于雷达吸波材料与红外隐身材料的隐身机理不同 ，使得 它们的性能要求相互制约 。雷达吸波材料要求高吸收率 ，低反 射率 ；而红外隐身材料要求低吸收率 ，高反射率 。要使同一种材 料同时满足以上两种要求 ，实现起来有相当的困难 。近年来 ，国 内外科研人员一直在致力于解决这个难题 。本文中我们对这一 领域的研究及应用状况进行了综述 ，并着重分析了粘结剂对红 外隐身性能的影响以及掺杂半导体填料满足雷达与红外兼容隐 身的可能性 。
0 前言
随着现代军事侦察技术的发展 ，对隐身技术的要求也越来 越高 ，单一频段隐身技术已远不能满足现代战争需求 ，未来隐身
材料必须具有宽频特性 。目前雷达在各种探测器中仍占主导地 位 ，而红外技术在侦察 、捕获目标和制导技术方面也已得到广泛 的应用 ，因此 ，雷达和红外隐身的兼容性将是今后研究的主要方 向之一 。
雷达隐身是通过减弱 、抑制 、吸收 、偏转雷达回波强度 ，降低 雷达散射截面积 ，使其在一定范围内难以被敌方雷达识别和发 现的技术 。根 据 雷 达 系 统 工 作 原 理 , 雷 达 最 大 探 测 距 离 R max 为[ 1 ] :
1 研究状况及应用
雷达波与红外兼容主要包括毫米波与红外兼容和厘米波与 R max = [ P t G t 2λ2洪醒华
σ/ ( 4π) 3 P mi n ]1/ 4 式中 : P t 为雷达发射功率 , G t 为发射天线的最大增益 λ, (1)
为雷达 工作波长 σ, 为被探测目标的雷达散射截面积 , P mi n 为雷达接收 红外兼容 。毫米波与红外兼
容隐身材料主要用于导弹和地面武 器装备的隐身 ；厘米波和红外兼容隐身材料主要用于军用飞行 器的隐身 。实现雷达和红外兼容目前有两条技术途径 : 一是研 制一种雷达波高吸收 、热红外低辐射的隐身材料 ；二是分别研制 高性能雷达波吸收和热红外低辐射材料 ，然后通过结构设计将 其复合起来 ，复合后其雷达波吸收性能和热红外低辐射性能仍 能保持不变或变化不大[ 3 ] 。
国内有多家单位在开展毫米波和红外兼容隐身材料的研 究 。王智勇等[ 4 ] 在毫米波吸波材料上涂覆一层红外涂料 ，在一 定的厚度范围内 ，可以同时兼顾两种性能 ，且雷达波吸收性能基 本不变 。研究表明 ，涂层的厚度对谐振点吸收率及吸收频宽的 影响是完全一致的 。只是随红外涂层厚度的增加 ，谐振峰向低 频平移 ，同时也能保证原涂层的红外辐射性能不变 , 如图 1 所
示 。谢国华等[ 5 ]
用红外低发射率涂料与吸波材料料复合制成双 层材料 , 外 层 是 红 外 低 发 射 率 涂 料 , 其 发 射 率 范 围 为 0 . 23 ～ 0 . 54 ，内层吸波材料分别用涂覆型吸波材料 (发射率为 0 . 81) 或 机最小可检测信号功率 。雷达吸波材料是雷达隐身技术中十分 关键的技术之一 。通过雷达吸波材料可以将入射电磁波能量转 换成热能或产生干涉从而吸收衰减入射电磁波来降低目标的雷 达散射截面积 。
鉴于一般情况下目标的红外辐射强度都高于环境背景 ，红 外隐身的目的主要就是降低目标红外辐射强度 。公式 ( 2) 给出 了点源红外探测系统能探测目标的最大距离 R max 与目标辐射强 度的关系[ 2 ] 。
R max = ( J τα) 1/ 2 [π/ 2 ( N A ) D 3 ]1/ 2 ×[ 1/ (ω
Δf ) 1/ 2 (V s / V n ) ]1/ 2 ( 2) 式中 :J 为目标的辐射强度 τ, α 为大气透过率 ,N A 为光学系统的
数值孔径 ,D 3 为探测器的探测率 ,ω 为瞬时视场 ,Δf 为系统带 宽 ,V s 为信号电平 ,V n 为噪声电平 。而目标的辐射强度 J 正比 于目标的辐射出射度 M ( M =εσT 4 ε, 为物体的发射率 ;
σ为玻耳 兹曼常数 ; T 为物体的绝对温度) 。因此 ，红外隐身材料一是通 过改变目标的红外辐射特性来降低目标表面发射率 ; 二是通过 哈恩华 ：男 ,1974 年生 ，硕士 ，工程师 ，主要从事隐身材料研究 Tel :010*********
E 2mail : h aenh ua @si n a . co m . cn
材料导报2006 年5 月第20 卷专辑Ⅵ·326 ·
结构型吸波材料(发射率为0 . 85) 。对这种双层材料的红外和雷达波兼容性能研究表明，只要红外低发
射率厚度达20μm ，就能使其覆盖整个内层的高辐射表面，使其法向总发射率值趋于一稳定值，外层厚度在20～100μm 之间，法向总发射率值基本不变。红外低发射率外层厚度在4μm 以内，每增加1μm 厚度, 双层材料微波吸收曲线谐振峰的位置就较原吸波材料向低频方向移动0 . 005～0 . 14 GHz ；外层的红外法向总发射率越小，谐振峰位移值越大。外层厚度小于40μm 时，外层对谐振点的吸收率和吸收带宽影响很小，这两项性能基本不随外层厚度变化，可保持内层吸波材料原性能不变。前面两项研究均采用铁磁性材料作为雷达波的吸收层，而于明讯等[ 6 ] 则采用介电材料作为毫米波吸收层开展研究。通过多层结构设计，他们研制的多功能隐身涂料在保证毫米波一定吸收率的同时，红外发射率范围可调。目前这种材料已在某些装备上得以应用。
国内对厘米波与红外兼容隐身材料的研究甚少，只有少量探索性研究工作。万梅香等[ 7 ]研制的导电聚合物涂层厚度为2 . 5～3 . 3 mm 时，面密度小于3 . 0 kg/ m2 ，在8～12 . 4 GHz 波段, 当反射率小于10d B 时，带宽为3～4 GHz 。他们认为这些导电高聚物在8～20μm 中，远红外波段时发射率可小于0 . 4 ，很有可能在厘米波与红外兼容的隐身材料研究中发挥作用。取决于粘结剂[ 9 ] 。粘结剂红外透过性越好，吸收越弱，发射率就越低。因此用于红外隐身涂层的粘结剂除需满足材料物理机械性能和施工性能等一般要求外，还应具有对热红外辐射低吸收或高透明的性能。
通常所用涂层粘结剂在8～14μm 波长内透明度低、发射率高。国外近年研制的具有优良红外透明性的k rato n树脂，在远红外波段的平均发射率也高达0 . 84 [ 10 ] 。这是由于大多数树脂中的官能团的分
子振动引起树脂在热红外波段的强烈吸收。如聚氨酯是分子链中含有氨酯基(2N HCO2) 和异氰酸酯基(2NCO2) 类的聚合物，由于这两个基团的高度不饱和，其红外吸收光谱中在热红外线波段出现了明显而尖锐的吸收峰，使得聚氨酯虽具有各方面的优异性能，但不适用于红外隐身材料。氟碳树脂与聚烯烃相比，不同之处是氟碳树脂中氟原子取代了聚烯烃上的氢原子，由于其不含有不饱和主链，避免了在热红外区域发生强烈吸收，同时也因为它具有优异的环境稳定性，适合于红外线身涂层的粘接剂。二甲基硅酮树脂具有较低的红外线发射率，已应用于低发射率涂层。热红外线透明性比较好的树脂还有烯烃树脂和氯丁橡胶、异丁烯橡胶等。董延庭等[ 11 ] 通过对聚丁二烯和三元乙丙橡胶进行改性获得了具有较低发射率、较好成膜性能的红外隐身涂层粘结剂。所制备的粘结剂发射率最低达0 . 19 ，比较稳定的在0 . 3 以内。
与有机粘结剂相比，无机粘结剂红外性能比较简单，红外吸收率也较低，但物理机械性能和施工性能较差。Calvert 等[ 12 ] 在比较了醇酸树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、松脂、无机硅酸盐、无机磷酸盐等的多种粘结剂的热红外性能后认为，最理想的是无机磷酸盐粘结剂，并研制了发射率较低的热隐身涂料，其质量分数组成分别为( %) ：磷酸24 . 2 、氧化镁4 . 3 、铬酸4 . 7 、乙醇1 . 7 、水65 . 1 。Wake 等认为，尽管磷酸盐和铬酸盐离子在热红外波段强烈吸收，但它们的混合物在高温下烧结形成一种玻璃质材料，其漫反射率高达60 % ，由此降低了涂层的发射率。
2 . 2 掺杂半导体
雷达红外隐身材料用填料的选择应符合以下要求: ①在红外波段有较低的发射率; ②在雷达波段具有较高的吸收率。实际上要到完全满足以上要求的填料非常困难。目前用于红外隐身的填料主要有：金属填料和半导体填料。根据基尔霍夫定律，材料的反射率越高，发射率就越低，因此有较高反射率的金属是红外隐身涂料最常用和最重要的填料种类。可用的有Al 、Zn 、Sn 、A u等，其中Al 最为常见。金属填料有良好的红外发射性能，但其高反射不利于雷达隐身和可见光伪装，新型半导体填料体系的出现一定程度上弥补了金属填料的缺陷，使研制兼容性能良好的宽波段隐身涂料成为可能。
掺杂半导体填料是近年来新兴的有效的红外隐身材料之一，它是由金属氧化物(主体) 和掺杂剂( 载流子给予体) 两种组分组成，如In2 O3 、SnO2 、ZnO 、In SnO3 ( I T O) 等。在半导体固体材料中，由于热激发效应，其导带上存在着一定浓度的电子，这部分电子与金属导体中的电子性质极为相似，通常称为自由载流子。因此，在半导体红外光学材料中，除了电子吸收和晶格振动吸收这两种机制外，还存在着自由载流子吸收机制。与载流子相关的系数βV 可表示为[ 13 ] :
图1 毫米雷达波吸波材料与红外隐身涂料复合前后的反射率曲线
F ig. 1 T he r eflectiv ity curv es of a kind of K a2b and RAM and this
柬埔寨语K a2b and R AM w ith infrar ed camo uflag e co ating( I CC)
国外也在广泛开发多种新型多频谱隐身涂层[ 8 ] ，比如纳米
超细金属颗粒涂层，由于涂料的纳米超细粉末在细化过程中，处
于表面的原子数越来越多，使材料具有强烈的表面效应，可用于
雷达波和红外隐身。美国已研制出由红外热隐身的面漆( 厚4
～8μm) 加雷达吸波底涂层构成的材料，比如F2117A 现在改用
一种加有改性的碳分子C60 的涂层，可以吸波，还能抑制60 %
～70 %的3～5μm 及8～12μm 红外波的发射。日本也研制出一
种包括抑制红外辐射在内的频带极宽的微波吸收材料。它是由
ZnO 、Al2 O3 、MnO2 和G a2 O3 组成的烧结体, 可用于1100 ～
1300 ℃的高温。据报道，美国、俄罗斯正加紧研究含有放射性同
位素的等离子体涂料和半导体材料，它们不但吸波频带宽、红外
辐射发射率低，而且还具有吸收声波和消除静电等优点，有很大
的发展潜力。
粘结剂与掺杂半导体
2
2 . 1 粘结剂
作为隐身涂层主要组成部分之一，粘结剂除对隐身涂层的
物理机械性能有重要影响外，还对材料隐身性能产生影响，特别
是红外隐身性能。涂层的热红外频段的吸收能力至少有60 % βV = Nλ2 e3 /μπn m2 c3( 3)
雷达与红外兼容隐身材料的研究及进展/ 哈恩华等 ·327 ·
式中 : N 为载流子浓度 λ, 为入射光的波长 ,e 为电子电荷 ,μ 为 迁移率 ,n 为材料的折射率 , m 为载流子的有效质量 ,c 为光速 。
鱼算法
βV 与波长的平方及载流子密度成正比 ，而与迁移率成反比 。可
见 ，这种吸收随波长和载流子密度的增加而迅速增加 。理论证 明[ 14 ] ：半导体材料发射率由材料的载流子密度 N 、载流子迁移率
μ和载流子碰撞频率ωt 控制 ，而 N 、μ和ωt 可以通过控制掺杂条 件加以控制调整 。这样 ，从理论上可以认为 ，通过适当选择 N 、μ 和ωt 等参数 ，可以使掺杂半导体在红外波段有较低的发射率 。
掺杂半导体的雷达波吸收机理为介电损耗 ，包括电极化和 传导损耗 ，主要是由复介电常数的虚部 (ε″) 决定的 。透明导电 氧化物半导体在雷达波作用下 ，将发生电子极化 、离子极化 、固 有偶极子的取向极化和界面极化等[ 15 ,16 ] 。
电子极化是由于在外电场的作用下电子云的分布相对于原 子核位移引起的 。离子极化是在外电场的作用下离子间的相对 位移引起的 。由于电子和离子建立电荷位移极化所需的时间都 很短 ，在 10
- 12
～10
- 15
s 之间 ，因此电子和离子极化均有较大的
恢复力和较小的阻尼 ，其共振频率较高 ，均在紫外和红外区 ，故
微波范围内的介电常数的虚部 (ε″
) 几乎为零 。所以电子和离子 极化对微波吸收的贡献可以不予考虑 。而固有偶极子极化及界 面极化的特征是恢复力小 ，阻尼较大 ，它们的共振频率出现在射 频区域以及微波区域 ，对材料在这一波段的吸收起主要作用 ，决 定
虚部 (
ε" ) 的大小 。固有偶极子极化和界面极化是弛豫型极 化 ，吸波材料的弛豫时间比较长 ，又由于材料的微观结构不均匀 性 ，使得材料弛豫时间不一致 ，而使虚部随频率变化不明显 ; 随 着掺杂量的增加 ，使得晶格空位及晶格格点上的正常价态的不
同价态离子所取代 ，从而使离子数及电偶极子数增多 。掺入相
比例增加 ，介电常数的实部 (ε′
)
增加 ; 同时由于热运动 ，不同价 态离子间会出现电子转移 ，使电导率增大 ，这相当于掺杂半导体 弥
散有高导电率的相 ，而且掺入相的电导率越大 ，浓度越高 ，介 电
损耗越 大 , 复 介 电 常 数 的 虚 部 (ε″) 越 大 。材 料 的 吸 收 系 数 为
[ 17 ] :
SnO 2 掺杂含量对 IT
O 涂料发射率的影响[ 21] 图 2 Fig. 2 E ff e ct of doping SnO 2 o n the emittance of IT O pa i nts
结语
随着现代侦察和制导技术的多元化发展及各种先进探测设
备的相继问世 ，要求吸波材料将来发展成为能兼容厘米波 、毫米 波 、红外 、激光等多种频谱的隐身材料 ，在同一目标上使用的材 料要求实现多个波段以上的多功能隐身材料一体化设计 。因 此 ，在未来的战争中 ，适合一二个相应频段的吸波介质将很难对 今后的探测系统具有实战意义 ，发展多频段高性能隐身材料技 术是未来隐身材料研究的重要方向 。
扬州寄语市长
3 参考文献
阮颖铮. 雷达截面与隐身技术 [ M ] . 北京 : 国防工业出版社 ,
2001 . 3
付伟. 飞机光电隐身技术 [J ] . 航空兵器 ,2001 , (4) :9
周馨我. 功 能 材 料 学 [ M ] . 北 京 : 北 京 理 工 大 学 出 版 社 , 2002 . 282
王智勇 ，刘俊能 ，熊克敏. 兼具红外隐身的八毫米雷达波吸 收材料的研究 [J ] . 材料工程 ,1998 , (11) :11
谢国华. 红外隐身涂料与雷达波吸收材料相容性研究 [J ] . 材料工程 ,1993 , (5) :5
于名讯 ，等. 多功能隐身涂料研究 ，内部资料
万梅香 ，李素珍 ，李军朝 ，等. 微波与红外兼容的新型隐身材 料 [J ] . 宇航材料与工艺 ,1991 , (6) :26 胡传 . 隐身涂层技术 [ M ] . 北京 : 化学工业出版社 , 2004 . 176
田乃林. 红外隐身方法与材料的发展 [J ] . 化工进展 , 2002 , 21 (4) :285
刘虹 ，王源升 ，朱金华. 高分子材料在红外隐身技术中的应 用 [J ] . 胶体与聚合物 ,2002 ,20 (2) 41
董延庭 ，张捷 ，翁小龙 ，等. 高透明红外隐身涂料粘合剂的研 制 [J ] . 中国涂料 ,2005 ,20 (3) :14
aidma
李新华 ，陈雷 ，孟晓雄 ，等. 国外涂料型红外隐身材料研制现 状和发展方向分析 [J ] . 红外技术 ,1994 ,16 (1) :5 胡传 . 隐身涂层技术 [ M ] . 北京 : 化学工业出 版社 , 2004 . 158
马东辉 ，樊祥. 红外隐身涂料及其与雷达隐身的兼容性 [J ] . 航天电子对抗 ,1999 , (3) :50
汪家春 ，叶家明 ，李晓霞 ，等. 高速飞行器用新型轻质雷达隐 身材料 [J ] . 航天电子对抗 ,2001 , (1) :62
张秀成 ，赵振声 ，冯则坤 ，等. 微波铁氧体吸收剂复介电常数 的研究 [J ] . 功能材料 ,1995 ,26 (3) ,251
张克潜 ，李德杰. 微波与光电子学中的电磁波理论 [ M ] . 北 京 ：电子工业出版社 ,2000 付伟. 飞机光电隐身技术 [J ] . 航空兵器 ,2001 , (4) :9
王自荣 ，余大斌 ，於定华. I T O 涂料在 8～14
μm 波段红外发 射率的研究 [J ] . 红外技术 ,1999 ,21 (1) :41
1 2
3 4 5 6 7 8 (ε″+ ω
) α=ω μ0ε1
9 1 +
根据 H u ga n 2Ru ben s 近似理论[ 18 ] ，材料的反射率为 :
R ≈
1 - ( 8ε0ω/σ
) 1/ 2
从以上的分析来看 ，掺杂半导体材料的红外发射率 、雷达波
的反射率均与掺杂半导体的主相 、掺杂相 、制备工艺等有关 ，通 过对它们适当的选择 ，可以获得载流子浓度 、电导率 、介电常数
的实部 (ε′) 、复介电常数的虚部 (ε″) 等的最佳值 ，从而利用掺杂
石英岩
半导体材料实现雷达波段高吸收率 、低反射率 ；红外波段可以有 高反射率 、低发射率 ，达到雷达和红外的兼容隐身 。 许多文献
提到 I T O 半导体 ，认为 I T O 有可能成为一类重要
的隐身材料 。王自荣等[ 19 ] 对 I T O 涂料在 8～14
μm 波段进行了 系统研究 。通过掺杂工艺对载流子浓度进行调制 ，使掺杂半导 体填料的涂层在热红外线波段具有较低的发射率 ，从而达到了 隐身的效果 。图 2 为 SnO 2 掺杂含量对涂层发射率的影响 。从
图中可以看出 ，随 SnO 2 掺杂含量的增加 , 其发射率先减小 , 后 增加 ，当其摩尔含量为 5 %左右时 ，涂层的发射率最低 。这是由 掺杂浓度的变化导致半导体载流子浓度改变而引起的 。
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
σ
2
ε
′
2
1
2
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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