电磁波隐身功能梯度材料

电磁波吸收体是为了取得最佳电磁波吸收效果而结构化的电磁波吸收材料，它的研究是以吸收材料的研究为基础，目前已获得实用化的吸收体结构有：(1) 单层结构：表现为复合材料的单涂层和单层吸收体。(2) 多层结构:由透波层、阻抗匹配层、吸收层以及反射背衬等组成。其中用得最广泛的是多层结构吸波材料，它主要有两种:一种是阻抗渐变梯度吸波材料，例如电阻渐变型吸波材料，即Jaumann吸收体，它是一种多层电阻片型吸波材料，其典型结构如图1。为了获得最佳吸收效果，电阻片的电阻从前至后逐渐变小。吸收体的带宽与所采用的电阻片个数有关。通过改变各层片阻抗，能够“调节”整个设计，这些单独的层片通常用蜂窝夹芯或塑料隔离。另外一种形式是渐变介质吸收体，即Dallenbach结构体，同Jaumann吸收体通过电阻片电阻的缩减来减少反射一样，它可用来实现真空与理想导体间的阻抗匹配，其典型结构如图2。

渐变介质吸收体和电阻片型吸收体均是拓宽吸收频带的有效方法，原理上它们都是沿厚度方向电阻逐渐减小的多层吸收体，只是电阻的变化规律及结构形式有差异，可根据不同的部位选择不同的结构形式。

美、日、西欧一些在电磁波吸收体研究方面处于世界领先地位的国家，他们大量使用了Dallenbach和Jaumann梯度多层吸波结构。譬如目前最先进的吸收体结构——美国军用隐身飞机上的电磁波吸收体结构，可以在较宽的频带内使雷达波的反射降低7～l0dB。他们在探索先进战斗机ATF计划(F222)的结构及非结构材料时发现，热塑性树脂单复丝与一些特殊纤维(碳纤维、玻璃纤维、Kevlar及陶瓷纤维等，其截面形状不同，为非圆多棱形) 按一定比例交替混杂成纱束后编织成各种织物，然后与同类树脂制成的复合材料既具有优良的吸波性能，又兼有复合材料重量轻、强度高、韧性好等优点。碳纤维的含量可以改变碳纤维结构吸波材料的微波电磁性能，通过控制不同厚度层上纤维的含量可控制不同厚度的阻抗，实现阻抗匹配，以达到吸收雷达波的最佳效果。B22隐身轰炸机的蒙皮就是用这种“隐身”特种碳纤维制作的多层吸波蒙皮，既能满足飞机的机动特性，又不会反射雷达波，能起到很好的隐身作用。

在国外，带梯度多层结构的吸波体产品相当一部分已经商品化和系列化。譬如Emerson和Curving公司制造的商品AN系列渐变介质吸收体就是一例。其中一种1cm 厚的二层渐变介质吸收体反射率曲线如图3。英国Plessey公司研制的某种渐变宽频结构吸波材料吸波性能曲线如图4。洛克希德跨国公司研制的一种复杂的蜂窝结构由七层组成：第一层是用浸渍过环氧树脂的玻璃布制成的表面层,第二层到第五层由玻璃布、吸收层以及蜂窝吸收层制成，第六层是蜂窝，第七层是薄铝板，层间用环氧树脂进行粘接，这种多层材料不仅有足够的刚性、强度和耐高温性能，而且重量轻，适合于作飞机的隐身蒙皮。

我国的电磁波吸收体的实验室研究开始于80年代，90年代中后期进入较全面的研究阶段。相对于国外来讲，材料研究和电磁波吸收体的研究方面整体上处于跟踪和探索阶段，但在某些方面上取得了一定的进展，具有自己的特色。

四川大学的管登高等制备了镍/镍锌铁氧体/环氧树脂梯度电磁屏蔽材料，在频率<1 GHz时,该梯度材料对电磁波的反射损耗比非梯度材料平均降低了6～8dB；而吸收损耗平均提高了6～14dB。在中心吸收层的衰减常数不变时，对电磁波的吸收损耗随吸收层厚度增加而增加。以纳米铁酸镍钴铁氧体复合钴粉、羰基铁粉等为吸收剂，并采用化学镀层，进行了单层、双层和三层涂层的试验研究，发现双层复合涂层的吸波性能较单层涂层在低频段有较大的提高，三层复合涂层的吸波性能优于单层和两层复合涂层。黄远等人的研究表明，透波层采用合适的炭黑梯度或吸波层采用合适的铁氧体分布梯度将提高结构吸波材料的吸波性能。何燕飞等人依据阻抗匹配原理与电磁波传播规律，设计了具有阻抗渐变结构的双层吸波材料。试验表明，匹配层对提高吸收率起着重要作用。

我国在研制拓宽材料频带方面，采用了多层渐变介质吸收体形式—蜂窝夹层结构吸波材料，此类RAM由特性逐层变化的蜂窝夹芯与复合材料隔板构成，其中,一种厚度为16mm的多层蜂窝夹层结构吸波材料的吸波性能示于图5；另一种厚度为815mm 的层板渐变结构吸波材料的吸波性能示于图6，此类RAM由特性逐层变化、填充有吸收剂的纤维增强复合材料组成。

从国外的发展与应用现状可以知道，梯度结构吸波材料在他们的军事飞机、舰艇等武器系统中得到了相当多的应用，取得了很好的吸波及隐身效果，并且在民用方面也有很多的应用，不少产品已经系列化和商品化。但是他们的产品也有值得改进的地方，比如，渐变介质RAM 是由特性逐层变化的离散介质层而不是连续介质构成，层间以胶粘剂连接，这对于吸波性能是有影响的。

从国内现状看，梯度结构吸波材料也得到了应用，但是使用范围有点窄，性能也有待提高。研究侧重于材料，对于吸收体的设计相对较少，且主要集中于单层和多层结构的设计上。对于材料本身的吸收频带宽度、阻抗匹配、粘合剂加入造成吸波性能降低等问题有待解决。