飛機(jī)隱身涂層

1、飛機(jī)材料表面隱身涂層,制備技術(shù)及工程,主講內(nèi)容,引 言,引言,在高技術(shù)戰(zhàn)爭中，地面目標(biāo)的克星是各種作戰(zhàn)飛機(jī)，而作戰(zhàn)飛機(jī)的克星則是防空導(dǎo)彈。與防空導(dǎo)彈配套的雷達(dá)，發(fā)射電磁波照射目標(biāo)，通過接收回波，便可以判斷來襲目標(biāo)的特征和位置。 這種情況下，沒有什么比“看不見、摸不著、找不到、打不中”的隱身術(shù)更具有吸引力了,第二次世界大戰(zhàn)期間，一些飛機(jī)采用經(jīng)試驗的迷彩涂料，降低飛機(jī)與天空背景的對比度，減小飛機(jī)的目視特征。這是最早、最簡單的隱身飛機(jī)。20世紀(jì)60年代初，美國的U-2和SR-71偵察機(jī)開始采用雷達(dá)隱身技術(shù)。 1978年，美國政府批準(zhǔn)F-117A攻擊機(jī)研制計劃,1988年，美國先后曝光了F-117A隱

2、身戰(zhàn)斗機(jī)和B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)，揭開了鮮為人知的隱身奧秘,B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī),F22“猛禽”是一種單座、雙發(fā)動機(jī)、雙垂直尾翼的隱身戰(zhàn)斗機(jī)，是第四代超音速戰(zhàn)斗機(jī)的典型代表。在設(shè)計制造中，該機(jī)采用了一系列先進(jìn)的技術(shù)。采用這些技術(shù)后，F(xiàn)22不僅大大減輕了體重，降低了飛行阻力，更重要的是具有了很高的隱身性能,殲20是中國第五代隱身重型殲擊機(jī)，采用兩臺國產(chǎn)渦扇10B發(fā)動機(jī)、DSI兩側(cè)進(jìn)氣道、全動垂尾，鴨式布局。該機(jī)于2010年10月14日完成組裝，2010年11月4日進(jìn)行首次滑跑試驗?，F(xiàn)已成功試飛兩次,隱身技術(shù),隱身技術(shù)是指通過降低目標(biāo)的可探測信號特征，從而減小目標(biāo)被敵方各種探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)概率的綜合性技

3、術(shù)。 現(xiàn)代隱身技術(shù)主要分為電磁波隱身技術(shù)和聲波隱身技術(shù),隱身關(guān)鍵技術(shù),吸波材料能吸收或衰減入射的電磁波，使其 因干涉而消失或其電磁能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。其基本原理包括干涉作用和吸收作用,1. 干涉作用 干涉作用是將入射的電磁波分成兩部分，一部分從吸波層表面反射，另一部分透過吸波層后經(jīng)底層反射后再穿過吸波層射出來。若經(jīng)底層反射的波與吸波層表面反射的波相位正好相反，兩段波便可發(fā)生干涉而減弱,吸波基本原理,2. 吸收作用 材料對電磁波產(chǎn)生吸收作用有兩個條件： (1) 電磁波入射到材料上時能最大限度地進(jìn)入到材料內(nèi)部，即電磁匹配要好(匹配特性)； (2) 進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波能迅速地被衰減掉，即電磁損

4、耗要大(衰減特性,雷達(dá)與紅外隱身技術(shù),雷達(dá)隱身涂層制備,雷達(dá)隱身材料是指能夠吸收衰減入射的電磁波，并通過吸收劑的介電振蕩、渦流以及磁致伸縮，將電磁能轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉或使電磁波因干擾而消失的一類材料。 雷達(dá)對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)和對目標(biāo)參數(shù)的測量,是通過目標(biāo)對雷達(dá)發(fā)射機(jī)所發(fā)射的雷達(dá)波的反射回波信號來實現(xiàn)的,雷達(dá)隱身涂料要求對相應(yīng)波段的雷達(dá)波具有低反射的涂料。 一是涂料吸收雷達(dá)波,通過在粘結(jié)劑中加入電損耗或磁損耗填料,利用電損耗物質(zhì)在電磁場作用下,使進(jìn)入涂層中的雷達(dá)波轉(zhuǎn)換為熱能損耗掉,或是借助磁損耗材料內(nèi)部偶極子在電磁場下運(yùn)動受限定磁導(dǎo)率限制,而把電磁能轉(zhuǎn)換為熱能損耗掉; 二是利用諧振原理,當(dāng)涂層厚度等于

5、雷達(dá)波長的四分之一時,通過諧振作用減少雷達(dá)波的反射,隱身涂層要求在盡量寬的頻帶內(nèi)，用盡量薄的涂層，盡量輕的材料，所得到涂層的吸雷達(dá)波能力最強(qiáng)，即追求薄涂層、寬頻、強(qiáng)吸收的效果,按材料損耗機(jī)理，吸波材料可分為電損耗型和磁損耗型。電損耗型包括電阻型和電介質(zhì)型兩種。 按吸收機(jī)理，吸波材料可分為吸收型和干涉型兩類。 按化學(xué)成分，吸波材料可分為無機(jī)吸波材料和有機(jī)高分子吸波材料,目前國內(nèi)外重點研究和主要應(yīng)用的吸波材料有鐵氧體吸波材料、金屬粉吸波材料、多晶鐵纖維吸波材料、導(dǎo)電高分子吸波材料等,鐵氧體具有吸收強(qiáng)、吸收頻帶寬、成本低廉、制備工藝簡單等優(yōu)點外，還因為其較好的頻率特性，適合制作匹配層，在低頻率拓寬頻

6、帶方面，相對于金屬粉末，更具有良好的應(yīng)用前景,鐵氧體樣品的制備工藝可歸納為干法生產(chǎn)和濕法生產(chǎn)，主要包括酸鹽熱分解法、溶膠一凝膠法、化學(xué)共沉淀法、低溫燃燒合成法、超臨界流體干燥法、噴霧燃燒法等。其中溶膠-凝膠法(sol-gel)和化學(xué)共沉淀法是在鐵氧體粉末制備中較常采用的方法。 采用溶膠凝膠自蔓延法制備鋇鐵氧體粉末,溶膠凝膠自蔓延法制備鋇鐵氧體工藝流程圖,稱取一定量的硝酸鐵、硝酸鋇分別配制成金屬離子濃度為0. 4 mol /L 溶液;為保證絡(luò)合反應(yīng)發(fā)生完全，將硝酸鐵、硝酸鋇溶液滴加入檸檬酸溶液. 同時加入適量濃氨水，控制溶液的pH 值穩(wěn)定在7. 0 . 然后加入20 g /L 聚乙二醇( PEG

7、)，攪拌30min形成溶膠. 將形成的溶膠置于80 水浴反應(yīng)2 h后，干熱加熱溶膠，隨著溶膠脫水溶液黏度逐漸增加，形成褐色凝膠，到達(dá)一定溫度后，凝膠開始自蔓延燃燒，生成蓬松的樹枝狀前驅(qū)體自燃粉末. 將該粉末研磨、高溫煅燒，即可獲得目的產(chǎn)物,紅外隱身涂層制備,紅外隱身的目的是降低或改變目標(biāo)的紅外輻射特征 從而實現(xiàn)目標(biāo)的低可探測性。通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計和 應(yīng)用紅外物理原理來衰減、吸收目標(biāo)的紅外輻射能 量, 可使紅外探測設(shè)備難以探測到目標(biāo)。 由斯蒂芬-玻爾茲曼定律： M=T4 式中：M 為物體的總輻射強(qiáng)度；為玻耳茲曼常數(shù)；為物體的發(fā)射率；T 為物體的絕對溫度,材料的紅外輻射特性決定于材料的溫度和發(fā)射率。

8、紅外隱身材料也可相應(yīng)分為兩類：控制發(fā)射率的材料和控制溫度的材料。 紅外隱身涂層具有低發(fā)射率，高反射率，在紅外線輻射頻段才有良好的隱身效果,紅外隱身涂料的構(gòu)成一般由填料和黏結(jié)劑兩部分組成。 目前用于熱紅外隱身涂料配方中的填料大致分為如下幾類:金屬填料、著色填料、半導(dǎo)體填料等。 黏結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類,其中以有機(jī)黏結(jié)劑種類最多,目前可用于紅外隱身涂層的黏結(jié)劑有氯化聚苯乙烯、丁基橡膠等。從發(fā)展趨勢看,實用性能較大的是以聚乙烯為基本結(jié)構(gòu)的改型聚合物,選用改進(jìn)的AI粉做填料，粘結(jié)劑采用由無水乙醇、二甲苯組成的聚苯乙烯清漆和高氯化聚乙烯樹脂(HCPE)。 試驗器材選用：托盤天平，研磨機(jī)，高速攪拌機(jī)，超

9、聲場，刷子，空壓機(jī)，噴槍，燒杯，玻璃棒等輔助設(shè)備。 試驗的工藝：稱取一定比例的填料及粘結(jié)劑-將填料與粘結(jié)劑充分混合-用高速攪拌機(jī)攪拌-用研磨機(jī)研磨-過篩-在超聲波解聚分散-刷涂(或噴涂,Al粉,聚苯乙烯清漆,高氯化聚乙烯樹脂,研磨機(jī),高速攪拌機(jī),超聲波解聚,激光隱身技術(shù),激光技術(shù)在軍事領(lǐng)域的發(fā)展,20世紀(jì)80年代以來，隱身技術(shù)特別是雷達(dá)和紅外隱身技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了一個很高的水平。如美國研制開發(fā)的低可探測飛機(jī)（Low Observable Aircraft）F-117隱身攻擊機(jī), B-2隱身轟炸機(jī)在雷達(dá)隱身和紅外隱身方面已經(jīng)做得非常好了,但是隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展，激光技術(shù)在武器裝備等方面的應(yīng)

10、用日益增多,激光測距機(jī),激光制導(dǎo)技術(shù),激光雷達(dá),激光隱身技術(shù),激光隱身過程與雷達(dá)隱身過程相類似 ，主要是降低目標(biāo)表面的反射系數(shù) ，減小激光探測器的回波功率 ，降低激光探測器的性能 ，使敵方不能或難以進(jìn)行激光探測 ，以達(dá)到激光隱身的目的。 從微觀能量上看 ，物質(zhì)對激光的吸收過程是物質(zhì)與電磁波的作用過程 ，在此過程中 ，光子的能量轉(zhuǎn)化為電子的動能、勢能 ，或分子(原子)的振動能和轉(zhuǎn)動能,激光隱身材料針對的激光波長為0. 69m、0. 93m、 1. 06m、1. 54m 或10.6m ,其中最常用的為1. 06m 和 10. 6m。 、好的激光隱身材料應(yīng)對特定波長的激光具有高的吸收率和低的反射率。

11、此外 ,其它的性能如熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及力學(xué)性能也要滿足一定的要求,激光隱身技術(shù)采取的主要手段,實現(xiàn)激光隱身技術(shù)的途徑主要有外形技術(shù)和材料技術(shù)，其中外形技術(shù)是通過目標(biāo)的非常規(guī)外形設(shè)計降低其雷達(dá)散射截面（LRCS）；而材料技術(shù)是采用能吸收激光的材料或在表面上涂覆吸波涂層使其對激光的吸收率大，反射率小，以達(dá)到隱身的目的。因為外形設(shè)計只能散射30%左右的雷達(dá)波，且很難找到LRCS與氣動力學(xué)俱佳的外形，因此要徹底解決隱身問題，還是要靠隱身材料來實現(xiàn),激光隱身材料,激光隱身材料主要包括激光吸收材料、導(dǎo)光材料、透射材料三大類型。其中透射材料是讓激光透過目標(biāo)表面而無反射。從原理上，透光材料后應(yīng)有激光光束

12、終止介質(zhì)，否則仍有反射或散射激光存在。導(dǎo)光材料是使入射到目標(biāo)表面的激光能夠通過某些渠道傳輸?shù)狡渌较蛉?，以減少直接反射回波。這兩種隱身功能材料作為激光隱身材料，實現(xiàn)難度較大,激光隱身吸收材料,摻雜半導(dǎo)體隱身涂層,在半導(dǎo)體內(nèi)等離子波長(p)大于入射光波長情況下半導(dǎo)體有低反射率，半導(dǎo)體的等離子波長(p)取決于它的載流子濃度(N,注：m為電子有效質(zhì)量，0為真空介電常數(shù)，c為光速,據(jù)此 ,通過摻雜控制其載流子濃度(N) ,從而改變摻雜半導(dǎo)體化合物等離子波長 ,使其在 1. 06m波長附近產(chǎn)生強(qiáng)吸收。這類激光隱身功能元通常為 In2O3、 SnO2 和 ITO 等半導(dǎo)體材料，摻雜元素通常為過渡族元素，如

13、：Sb、Ni、Cu等,過渡元素?fù)诫sSnO2激光隱身材料的制備,實驗原料,成分設(shè)計,制備方法,采用固相合成法，將所需的原料混合均勻后，置于實驗電爐中1300-1350高溫合成,光譜轉(zhuǎn)換材料,這類材料可以吸收多個低能量的長波長光子，然后發(fā)出高能量的短波長光，利用它對激光頻率的轉(zhuǎn)換特性來降低激光回波反射的能量，從而達(dá)到激光隱身的目的。 例如可以考慮選擇對1.06m波長的激光有強(qiáng)吸和光譜轉(zhuǎn)換效率的稀土離子,如(Sm3+、Er3+)摻雜在基質(zhì)體系中,將1.06m的光轉(zhuǎn)化為其它波長的光,從而達(dá)到吸收的效果,有機(jī)金屬絡(luò)合物,通過對各種過渡金屬離子、稀土離子吸收光譜特性的分析研究，選擇能有效吸收1.06m波長

14、激光的金屬離子。同時對能與過渡金屬離子、稀土離子絡(luò)合(或螯合)的各種有機(jī)絡(luò)合劑進(jìn)行選擇對比，找到所需的有機(jī)絡(luò)合劑(或進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?。通過有機(jī)絡(luò)合劑與相應(yīng)的金屬離子絡(luò)合(或螯合)制備成能有效吸收1.06m波長激光的有機(jī)金屬化合物，再經(jīng)提純也可作為激光隱身功能元之一。 這種激光隱身功能元可能更適合作為激光隱身薄膜的功能性原料,紅外/激光兼容隱身材料,通常所說的激光/紅外兼容隱身材料是指對熱紅外波段和10. 6m激光能兼容的隱身材料。對于同一目標(biāo)要同時達(dá)到紅外與激光的隱身 ，就必須同時降低材料的發(fā)射率和反射率 ，但這是互相矛盾,基爾霍夫定律：物體在熱平衡狀態(tài)時有: (, T) =(, T) ,即物

15、體的發(fā)射率等于吸收率,根據(jù)能量守衡定律有: (, T) +(, T) = 1,可見要達(dá)到紅外和激光的隱身兼容，就必須克服兩者對材料的這對矛盾要求。理想的激光/紅外兼容隱身材料應(yīng)該具有如下圖所示反射曲線,因此要制得完全意義上的激光與紅外復(fù)合隱身材料 ,還有很多地方需要突破。相信隨著有機(jī)高分子和納米材料的發(fā)展 ,今后可能會制得具有特殊官能團(tuán)和表面結(jié)構(gòu)的材料 ,它能在10. 6m等特定激光波長處具有強(qiáng)激光吸收 ,而在其它熱紅外波段范圍內(nèi)具有高反射 ,從而實現(xiàn)激光/紅外的兼容隱身,測試方法,紅外隱身涂層隱身測試 雷達(dá)波反射率測試 激光后向散射特性測試,一 紅外隱身涂層隱身測試,我們主要從三太方面檢驗紅

16、外隱身涂層隱身效果: 1是可見光和近紅外波段反射率檢測 2是814m波段發(fā)射率的檢測 3是材料的導(dǎo)熱系數(shù)測量,1.是可見光和近紅外波段反射率檢測,1） 反射率的測量 對紅外隱身涂層可見光和近紅外波段檢測，通過反射率和綠色檢驗鏡檢測評價。 它的測試原理是先測出參比樣品反射能量的光譜分布I()，然后測出樣品能量光譜分布聃，其比值即為樣品的反射光譜，可用公式(1)表示。 (1,反射率測試儀（reflectivity tester,以土黃、中綠、深綠反射率為例,2) 綠色檢驗鏡的檢測 用綠色檢驗鏡可進(jìn)行如下實驗： 1)人工綠色材料光譜反射差異檢驗； 2)分辨天然綠色植物背景上用普通人工綠色材料偽裝的目

17、標(biāo),綠色檢驗鏡,下面為迷彩服和普通的迷彩服用綠色檢驗鏡在可見光、近紅外波段檢查的效果對比圖,2 紅外發(fā)射率的測量,測量發(fā)射率： IR一2型雙波段發(fā)射率測量儀,針對不同的背景，需要采用不同的偽裝隱身方法。對于地面目標(biāo)，涂覆具有一定差值的不同發(fā)射率的涂料，使其產(chǎn)生紅外迷彩，并與背景融合；對于海上目標(biāo)，涂覆與海水紅外發(fā)射率相近的涂料；對于空中目標(biāo)，涂覆低發(fā)射率的涂料，最大限度地降低目標(biāo)的紅外輻射，是實現(xiàn)紅外隱身的主要方法。但是，由紅外迷彩產(chǎn)生熱分割、熱變形也是紅外隱身的手段之一，因而紅外涂料的發(fā)射率也需要一個由低到高的系列,3 涂層導(dǎo)熱系數(shù)測量,利用導(dǎo)熱系數(shù)測量儀 導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理

18、量。 根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱方程式，在物體內(nèi)部，取兩個垂直于熱傳導(dǎo)方向、彼此間相距為h、溫度分別為島1、2平行平面(設(shè)1 2)，若平面面積均為S，在出時間內(nèi)通過面積S的熱量Q滿足下述表達(dá)式： 即為導(dǎo)熱系數(shù),導(dǎo)熱系數(shù)測試系統(tǒng),二 雷達(dá)波反射率測試,采用RCS后向反射法測量材料雷達(dá)波反射率,三 激光后向散射特性測試,總 結(jié),隨著多波段探測和制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，隱身技術(shù)對涂料的要求除了紅外與雷達(dá)外，還應(yīng)包括涂料的可見光性、激光波吸收性能等。 因此，探索新技術(shù)、新方法、積極開展新的隱身機(jī)理和新型多功能隱身材料的研究，特別是新型涂敷行多功能、多頻譜兼容的隱身材料是新的研究熱點和難點,納米吸波涂層材料,手性吸波涂料,等離子體隱身技術(shù),多頻段吸波材料,由于當(dāng)前多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展以及探測手段的日益多樣性,戰(zhàn)場武器裝備可能同時面臨雷達(dá)、紅外、激光以及可見光等探測手段的威脅,因此多波段復(fù)合隱身材料的發(fā)展很早就受到了專家以及相關(guān)研究者的關(guān)注和重視。如何使涂層在幾個波段彼此兼容，將是今后主要研究方向之一,多頻段吸波材料,納米涂層材料,近年來，納米吸波涂料成為隱身涂料新的亮點。它是一種極具發(fā)展前景的涂料，其一般由無機(jī)納米材料與有機(jī)高分子材料復(fù)合，通過精細(xì)控制無機(jī)納米粒子均勻分散在高聚物基體中，以制備性能更加優(yōu)異的新型涂料。其機(jī)械性能好，面密度低，是高效的寬頻帶吸波涂料