神奇的雷達(dá)隱身材料

供稿|曹薰元，謝元凱，陸俊 / CAO Xun-yuan, XIE Yuan-kai, LU Jun

作者單位：1. 清華大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100084；2. 清華大學(xué)附屬中學(xué)物理教研室，北京 100084；3. 中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190

我從小喜歡讀書，只要給我一本故事書，就可以一動不動地看上一整天。《西游記》《哈利波特》等書中描繪的人物給我留下了深刻的印象，例如：孫悟空可以來無影去無蹤，哈利波特穿上隱身衣就變成了隱形人?？上У氖?，它們只存在于神話故事或科幻小說中，現(xiàn)實生活中我并未真正見過，直到走近科技創(chuàng)新培養(yǎng)計劃，我才發(fā)現(xiàn)真有那么一類神奇的材料，可以把雷達(dá)的探測電磁波幾乎像“黑洞”一樣吸收掉，使反射回去的電磁波的強(qiáng)度減小到雷達(dá)探測不到。對于雷達(dá)來說，當(dāng)飛機(jī)、軍艦和導(dǎo)彈等武器表面涂覆上這些神奇的材料時，它們就真的探測不到了！而我們，如果穿上這種材料做成的衣服，那么也真的可以隱形，像科幻小說中描述的那樣神奇。

電磁波吸波材料的吸波原理

蝙蝠的視力不好，看不清楚飛行路線中的障礙物，更看不清楚它要捕捉的昆蟲等食物。在物理課上我們學(xué)習(xí)了蝙蝠躲避障礙物和捕食的原理。原來蝙蝠一邊飛行一邊發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時就會反射回來，蝙蝠的耳朵根據(jù)發(fā)出的超聲波和聽到的超聲波之間的時間差和返回來的超聲波的強(qiáng)度，就計算出了障礙物的大小，從而判斷出來是障礙物還是食物，是需要躲避還是趕緊捕食。圖1就是蝙蝠探測障礙物的“回聲定位”的原理。人們根據(jù)這個原理制造出了雷達(dá)，應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。

雷達(dá)就是像蝙蝠那樣發(fā)出電磁波，再利用被探測物體對電磁波的反射來獲取被探測物體的空間位置、速度和大小等特征信息的一種無線電技術(shù)。如圖2所示，當(dāng)雷達(dá)發(fā)出的電磁波到達(dá)被探測物體表面時，電磁波會被該物體反射、透射或者被吸收。如果電磁波能大量透過物體或者被物體吸收，那么反射回來的電磁波就會比較少和強(qiáng)度很弱，雷達(dá)就難以探測到這個物體，這樣就達(dá)到了隱身的目的。

圖1 蝙蝠就是一個“活雷達(dá)”

圖2 電磁波與物體之間的相互作用

在軍事領(lǐng)域，飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈等武器裝備需要被保護(hù)起來不被敵方雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，但這些武器主要是由金屬材料建造的，由于金屬材料表面對電磁波會發(fā)生很強(qiáng)的反射，非常容易被雷達(dá)探測到，因此，給這些武器“穿上”一層隱形的外衣，是武器專家們想到的一個好主意。在武器的表面涂上一層電磁波吸收材料，它吸收雷達(dá)發(fā)出的電磁波，并將電磁波的能量轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉，減弱飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈、坦克等對電磁波的反射強(qiáng)度，就達(dá)到了對雷達(dá)探測隱身的效果[1，2]。電磁波吸波材料對于提高武器裝備的隱身能力有著重要的意義。

此外，隨著電子技術(shù)的普及和高速發(fā)展，大量的電子設(shè)備例如手機(jī)和手機(jī)基站、家用電器、以及工廠里的自動化生產(chǎn)線等已經(jīng)廣泛地使用，提高了人們的生產(chǎn)效率，給生活帶來很大的便利，但這些電子設(shè)備發(fā)出的大量電磁波，也會造成電磁污染，給人們的健康帶來一些負(fù)面的影響[3-5]。此外，這些電子設(shè)備之間也會因為電磁輻射，彼此干擾而不能正常工作。因此，利用電磁波吸波材料吸收電磁波的優(yōu)良性能也可以減少電磁輻射，改善人們的生存環(huán)境。

電磁波吸波材料的發(fā)展歷史

在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國為了防止他們的潛艇被其他國家的雷達(dá)探測到，就在潛艇的外殼包上了一層泡沫塑料，里面含有七層碳粉紙，通過這種方式有效地減少了潛艇對雷達(dá)波的反射，增加了探測難度，這就是最早的吸波材料和隱身技術(shù)。20世紀(jì)60年代，美國軍方報道了一種可以更高效地吸收電磁波的材料，就是在環(huán)氧樹脂中加入炭黑和銀粉，報道稱最多可以吸收90%的電磁波。冷戰(zhàn)期間，美國和前蘇聯(lián)兩國都投入巨資對吸波材料開展實用性研究，到20世紀(jì)80年代中后期，美國研究的隱身飛機(jī)相繼問世，引起了世界各國極大的關(guān)注，尤其是F-22戰(zhàn)斗機(jī)，經(jīng)過隱身設(shè)計和表面涂覆吸收材料，實現(xiàn)了全面隱身，標(biāo)志著當(dāng)今世界進(jìn)入一個“隱形空軍時代”。經(jīng)過了隱身處理的B-52重型轟炸機(jī)，既能在戰(zhàn)爭中精確打擊敵方，還可以避免自身被敵方雷達(dá)探測到，大大提高了生存能力，在戰(zhàn)爭中起到了舉足輕重的作用[6，7]。

電磁波吸波材料種類

按照電磁波損耗的機(jī)理，電磁波吸波材料可以分成三大類：電阻型、電介質(zhì)型和磁介質(zhì)型。在實際使用時，將吸波材料均勻地分散在不同的基體中，根據(jù)實際使用情況可以做成不同的結(jié)構(gòu)或吸波涂料等[8，9]。

常見的電阻型吸波材料主要包括石墨、炭黑、碳纖維、碳納米管、石墨烯等，這一類材料有較高的電導(dǎo)率，電子在電磁場的作用下會發(fā)生極化，產(chǎn)生較大的電導(dǎo)損耗。美國先進(jìn)的戰(zhàn)斗轟炸機(jī)F-117、戰(zhàn)略轟炸機(jī)B-2，戰(zhàn)斗機(jī)YF-22以及先進(jìn)巡航導(dǎo)彈上都使用了大量的碳纖維，不僅可以有很好的吸波效果，而且同時還有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的效果。圖3是正在等待安裝碳纖維隱身機(jī)身蒙皮的F-35飛機(jī)的照片。

圖3 F-35 正在等待安裝碳纖維機(jī)身蒙皮

電介質(zhì)型吸波材料包括碳化硅、鈦酸鋇陶瓷等陶瓷材料，它們主要通過在電磁場環(huán)境下產(chǎn)生極化弛豫損耗來吸收電磁波，這樣的陶瓷材料的優(yōu)點是耐高溫，可以滿足高溫環(huán)境等惡劣條件下的隱身，是導(dǎo)彈和高速飛行器隱身的關(guān)鍵材料之一[10]。

磁介質(zhì)型吸波材料主要包括鐵氧體和超細(xì)金屬粉等，其中鐵氧體已經(jīng)有近80年的研究歷史。它是一種雙復(fù)介質(zhì)材料，有極化效應(yīng)引起的介電損耗和自然共振引起的磁損耗的雙重作用，具有吸收效率高、涂層薄、頻帶寬等優(yōu)點[11]，同時生產(chǎn)的成本較低，現(xiàn)在已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的吸波材料。金屬超細(xì)微粉是指粒度在10 μm 甚至1 μm 以下的粉末。目前廣泛應(yīng)用的金屬納米粉羥基鐵粉，對電磁波，特別是高頻至光波頻率范圍內(nèi)的電磁波具有優(yōu)良的吸收性能。

雖然這些吸收劑已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于實際中，但是仍然存在一些使用問題，例如，碳材料的抗氧化能力較差，因此只能在低于400℃的情況下使用。鐵氧體在居里溫度以上會發(fā)生鐵磁到順磁的轉(zhuǎn)變，吸波性能將消失，并且它的密度較大，不適合應(yīng)用在要求輕質(zhì)材料的飛機(jī)上。

材料的發(fā)展是道高一尺魔高一丈，性能優(yōu)異的電磁波吸收材料不斷被發(fā)現(xiàn)，目前科學(xué)家正在研究的新型吸波劑包括導(dǎo)電高分子、納米材料、手性材料[知識小貼士]、多晶鐵纖維等，這些材料不僅提高了傳統(tǒng)吸波性能，而且也提高了實際的使用性能[12]。

新型隱身材料

讓電磁波消減或消失，是吸波材料實現(xiàn)雷達(dá)無法探測的方法，近些年科學(xué)家又突破了另一個思路，讓電磁波傳輸時“改道”，就是偏離正常的傳輸路徑，來實現(xiàn)隱身，超材料就是這樣一種典型的隱身材料，它的折射率是負(fù)數(shù)[13]。圖4是一種超材料的結(jié)構(gòu)。它是以開口諧振環(huán)為單元結(jié)構(gòu)、不均勻排列，通過設(shè)計不同的結(jié)構(gòu)單元、排列方式，使折射率為負(fù)數(shù)(n＜0)，電磁波在這樣的材料中傳輸時就出現(xiàn)了圖5中的偏離正常傳輸方向的路徑，通過改變不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使傳輸路徑彎曲繞射，無法反射回來而被探測到，這樣就實現(xiàn)了完美的隱身。

圖4 電磁超材料

圖5 電磁波在超材料中的傳輸路徑及效果

展望與規(guī)劃

吸波材料不僅要吸收強(qiáng)、頻帶寬、厚度薄、密度小，而且今后吸波材料還要滿足耐高溫、耐海洋氣候、多頻譜隱身、智能化等更加苛刻的使用要求[14]。因此，在未來的研究中不僅要提高吸波材料的吸波性能，也要考慮吸波材料在基體中的分布以及基體結(jié)構(gòu)的設(shè)計等因素，這樣才有可能實現(xiàn)高性能的雷達(dá)隱身，并探索和發(fā)現(xiàn)新的雷達(dá)隱身思路。

攝影 賈大庸

致謝：感謝中學(xué)生科技創(chuàng)新后備人才培養(yǎng)計劃(英才計劃)的支持以及中國科學(xué)院物理研究所磁學(xué)國家重點實驗室老師的幫助。