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激光隐身涂料的研究与应用
随着现代科学的突飞猛进，声、光、电、等技术的迅猛发展，极大地丰富了信息的获取手段，而这些技术也正在改变着世界各国的军事探测和防御体系。隐身技术便是在探测与反探测技术进步中发展起来的一种军用技术，隐身技术是指减小目标的各种可探测特征，使敌方探测设备难以发现或使其探测能力降低的综合性技术。它又被称为隐形技术，是综合流体动力学、材料科学、电子学、光学、声学等学科技术的交叉应用技术，通过改变武器装备等目标的可探测信息特征，使敌方探测系统不易发现或发现距离缩短的综合技术。是传统伪装技术走向高技术化的发展和延伸。
隐身技术包括材料隐身技术、特种烟火技术、外形隐身技术、等离子体隐身技术、仿生隐身等。作为提高武器系统生存能力和突防能力的有效手段，它受到世界各主要军事国家的高度重视，从20世纪50年代开始发展以来，随着技术的发展，从简单的伪装到现代反声、光、电、磁等探测的隐身技术。现代隐身技术主要包括反雷达探测、反红外探测、反电子探测、反可见光探测和反声波探测等隐身技术，近年来激光制导武器的快速发展，使得反激光探测技术(即激光隐身技术)也成为了各国竞相研究的对象。本文将重点介绍激光隐身材料特别是激光隐身涂料的研究与应用进展。
1.激光隐身技术
激光作为一种主动探测信号有许多优点，它具有亮度高、方向性好、单色性好、相干性好等优点。作为雷达使用时，与普通微波雷达相比，它又具有分辨力高、抗干扰能力强、隐蔽性好、体积小、质量轻等优势。因此，近年来随着激光技术的发展，激光测距机、激光制导武器、激光雷达等已研制成功并装备部队。激光制导导弹或炸弹的投掷精度、应战能力达到了惊人的地步，以致可做到被发现就会被击中，被击中就会被摧毁，严重地威胁地面武器的生存，因此，现代战场上地面武器的激光隐身是必不可少的。激光隐身的原理主要是基于激光测距机的测距方程。由脉冲激光测距机的测距方程可知，对于漫反射大目标，激光测距机的最大测程与目标反射率的二分之一次方成正比；对于漫反射小目标，激光测距机的最大测程与目标反射率的四分之一次方成正比。因此，要实现激光隐身，消弱激光测距机的测距能力缩短其最大测程，必须降低目标对激光的反射率。当前，利用激光隐身除了要对抗各种军用激光测距机以外，最主要的是要对抗激光制导武器，主要是半主动激光制导武器，包括激光半主动制导导弹、激光半主动制导炸弹和激光半主动制导炮弹等，目标实施激光隐身以后可使目标指示器照射到目标上的激光产生弱的回波，不能被弹上的激光接收器所接收，从而不能实现对目标的攻击。
除了激光半主动制导武器以外，激光隐身还要对抗的就是激光成像雷达，这时激光隐身的目的将是使目标的激光反射特性与背景一致，但目前还未考虑这种情况。通常使用的激光隐身技术手段主要有两种：隐身外形技术和隐身材料技术。其中隐身外形技术主要是设计和改变目标的几何外形，使目标的激光散射截面尽量减小；隐身材料技术则主要是设计和采用对激光低反射率的材料。而在诸多的隐身材料中，涂料隐身以其施工方便、成本低廉、性能优越等特点而一直是隐身技术的研究重点。
2.激光隐身涂料
目前，常用激光探测器的探测频率主要集中在1.06μm和10.6μm两个频段。在此频段激光隐身涂料具有高的摩尔吸收率，其化学稳定性、热稳定性和力学性能等综合性能优良，所以其应用范围很广。然而，值得注意的是，对某种探测、制导手段具有单一隐身作用的材料，也可能对另一探测、制导手段毫无作用，甚至反而具有“显形”作用。激光隐身涂料应用还必须要考虑的一点是和其他隐身技术兼容的问题，如激光隐身涂料与可见光、红外以及雷达波隐身技术的兼容问题，需要通过复合技术将不同波段的吸波剂及低红外发射材料有效耦合在一起，将其做成涂料等，以实现对多种探测手段的复合隐身。
2.1激光隐身涂料与可见光隐身的兼容
可见光一般指波长为0.4～0.78μm的光线，可见光隐身涂料也称为迷彩涂料，它的作用是使目标与背景的颜色协调一致，使敌方难以辨识，故选用适当的迷彩颜料进行配色是可见光隐身涂料的关键。激光隐身涂料主要是以降低激光反射率为目标，其对光的作用范围和可见光隐身涂料不同，因此需要对激光隐身涂料进行适当的配色处理，以使得其同时实现可见光隐身的兼容。
2.2激光隐身与雷达波隐身的兼容
雷达波长范围很宽，从100MHz～3000GHz都是雷达波的范畴，其中2～18GHz的雷达应用比较广泛，然而由于30～300GHz的毫米波雷达在大气中存在几个损耗较小的“窗口(35GHz、94GHz、140GHz、220GHz)”，所以其在军事上的应用正越来越受到重视。雷达波隐身技术主要有两个方面，一是外形技术，二是雷达隐身材料，目标通过合理的外观设计，并应用雷达波隐身材料便可达到目标对雷达波隐身的目的。就雷达波隐身涂料来说，其目的就是降低目标表面的雷达波反射率。激光隐身涂料的目的是降低目标在1.06μm以及10.6μm处的反射率，因此激光隐身涂料与雷达波隐身涂料并不矛盾。可采用多频段吸收剂应用于涂料中解决，其难点在于寻求具有宽频带吸收的涂料用吸收剂，如能制得宽频带吸收剂，激光隐身与雷达隐身的问题就可迎刃而解。对于近红外激光隐身涂料，可利用近红外激光隐身涂料对毫米波的透明性，将激光隐身涂料涂敷到毫米波隐身涂层表面，制备毫米波与激光复合隐身涂层。
2.3激光隐身与红外隐身的兼容
红外探测指的是利用波长在3～15μm的红外辐射特征进行探测的方法，考虑到大气层对红外线的吸收，红外探测器的实际工作波段为3～5μm和8～14μm，其热成像技术在军事领域已经得到广泛的应用。随着红外侦察、探测、制导和热成像处理技术的发展，反红外探测隐身技术也越来越重要，它是通过抑制目标的红外辐射，或改变目标的热形状，从而达到目标与背景的红外辐射不可区分的一门技术。目前，反红外探测隐身技术的主要技术措施有：一是改变红外辐射特征，二是降低红外辐射强度。主要是通过降低辐射体的温度和目标的辐射功率，除目标的设计因素外，使用红外隐身涂料是应用最为广泛的红外隐身技术手段。红外隐身涂料主要是针对红外热像仪的侦察，旨在降低武器在红外波段的亮度，掩盖或变形武器在红外热像仪中的形状，降低其被发现和识别的概率。红外隐身涂料根据其隐身机理可大致分为两个类别，一类是通过隔热的方式，使目标体表面温度降低以达到降低红外信号的目的；另一类，也是应用范围最广的是红外低辐射隐身涂料，即通过隐身涂料在目标表面的涂覆，使得目标体的红外辐射信号减弱从而达到红外隐身的目的。根据平衡态辐射理论，对于非透明材料，相同波段范围内的发射率与反射率之和等于1。
由于目前激光探测器工作波长绝大部分为1.06μm和10.6μm，正好处于红外波段，激光隐身要求材料要有尽可能低的反射率，而同时红外隐身要求材料要有尽可能的低的发射率，这样激光隐身和红外隐身就不可避免地成为了一对矛盾体，故两者协调很重要。而且，采用多频谱隐身材料是无法协调此矛盾的。通常是在涂敷红外隐身涂料或多波段兼容隐身涂料的基础上对激光反射采取一些补救措施。如采用对抗激光的方法，如发射烟幕弹等；还有一种方法是牺牲局部范围的红外隐身，就是使涂料在1.06μm/10.6μm附近出现较窄的低反射率带，而其他波段均为低辐射，以此来达到对激光的隐身，同时又要对红外隐身的影响不大。这一方法要求低反射带尽可能窄，因而也成了该方法的难点。
理想状态的激光/红外隐身涂层应在1.06μm和10.6μm具有极低的反射率，而在其他红外波段则具有尽可能高的反射率，如图1所示。然而这种材料实际上很难获取。近来，掺杂半导体成为激光隐身涂料的研究热点，掺杂半导体可作为涂料体系中的非着色颜料，经过适当选配半导体载流子参数可使涂料的红外和激光隐身性能都达到令人满意的结果，同时也不会防碍涂层满足可见光伪装的要求。掺杂半导体一般选用InO3或者In2O3和SnO2。通过掺杂使得等离子波长处于合适的范围，使材料在1.06μm处具有强吸收低反射，在热红外波段具有低吸收高反射，从而达到两者隐身兼容。
图1理想状态下的激光/红外隐身兼容涂层示意图
3.纳米激光隐身涂料
纳米材料是指材料组分特征尺寸在0.1～100nm的材料。它具有极好的吸波特性，具有频带宽、兼容性好、质量小和厚度薄等特点，对电磁波的透射率及吸收率比微米粉要大得多。
3.1纳米材料应用于隐身涂料的优点
纳米材料是物理学上的理想黑体，如纳米氧化锌粉、羟基铁粉、镍粉、铁氧体粉以及Y-(re，Ni)合金粉等是优良的电磁波吸收材料，不仅能吸收雷达波，而且能很好地吸收可见光和红外线，用此配制吸波涂料，可以显著改善飞机、坦克、舰艇、导弹、鱼雷等武器装备的隐身性能。由于纳米材料具有的小尺寸效应、表面与界面效应、量子效应、宏观量子隧道效应，因而有常规材料所没有的光、电、磁等特殊性能，在隐身材料方面具有如宽频吸波性能、高吸收以及优良的力学性能等。将纳米粉体应用于涂料制成纳米隐身涂料，由此制得的涂层在很宽的频带范围内可以躲避雷达波的侦察，同时能很好地吸收可见光、红外线，包括激光探测常用波段的吸收，使其具有红外隐身和激光隐身作用，可以显著改善目标的隐身性能。而且纳米粉体一般在涂料中的添加量较传统粉体少，易于实现高吸收、涂层薄、质量轻、吸收频带宽、红外微波吸收兼容等要求，是一种极具发展前景的隐身涂层材料。
3.2纳米隐身涂料能够隐身的原因
纳米材料能够实现隐身的主要原因有两个：一是由于纳米粒子尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米材料对这些范围的波的透过率比常规材料要强得多，这就很大程度上减小了对波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的效果；二是由于纳米粒子的比表面积比常规粉体大3～4个数量级，因此对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多。这样入射到涂料内部的电磁波与隐身涂料相互发生电导损耗、高频介质损耗、磁滞损耗，并将电磁能转化成热能导致电磁波能量衰减，这就使得探测器得到的信号强度大大降低，因此很难被探测器发现，起到了隐身作用。把纳米材料应用于涂料可以制得多波段隐身的纳米隐身涂料，这是因为：纳米粒子具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应，使它对各种波长的吸收带有宽化现象。利用量子尺寸效应，使纳米粒子的电子能级发生分裂，分裂的能级间隔正处于欲吸收的波段，如分裂的能级间隔处于微波的能量范围内，从而导致新的吸波通道产生。另外，由于纳米粒子尺寸小比表面积大，表面原子比例高，悬挂键增多。大量悬挂键的存在使得界面极化，而高的比表面积造成多重散射，使得纳米材料制成的隐身涂料吸波性能良好。
3.3纳米隐身涂料的制备特点
纳米粒子由于其具有大的比表面积等特性，使得其制备的材料有很独特的性能，在隐身涂料方面的应用也逐渐成为一个热点。然而也正是因为纳米粒子的大比表面积有强烈自团聚的倾向，这就使得以它作为功能填料制备隐身涂料时和普通的涂料制备方法不同。目前，制备纳米涂料的方法主要有：溶胶凝胶法、插层法、原位聚合法以及共混法。溶胶凝胶法制备纳米涂料一般是使用烷氧基金属或其金属盐等母体和有机聚合物的共溶剂，在聚合物存在的情况下，在共溶剂体系中使母体水解或缩合生成纳米级的粒子并形成溶胶，溶胶经蒸发干燥转变为凝胶进而得到涂层。该方法反应条件温和，分散均匀。其缺点是母体大多是硅酸烷基酯，价格昂贵，有毒，而且在干燥过程中，由于溶剂及小分子的挥发，使材料内部产生收缩应力容易导致材料脆裂，因此很难获得大面积或较厚的纳米复合涂层。插层制备法是利用许多无机物(如硅酸盐类粘土、磷酸盐类等)具有的层状结构，在层间嵌入有机物。通过合适的方法将单体或聚合物插入片层之间，再将厚1nm，宽100nm左右的片层结构基体单元剥离，使其均匀分散于聚合物中，从而实现聚合物与无机层状材料在纳米尺度上的复合。原位聚合法是首先将纳米粒子分散在单体溶液中，然后使单体进行聚合，最后得到含有纳米粒子的涂层。共混法的一般制备过程是把基料树脂熔融或溶解于适宜的溶剂中，然后加入纳米粒子的分散液以及其他助剂，充分搅拌得到纳米复合涂料。综上所述四种纳米涂料的常用制备方法，溶胶凝胶法难以制得大面积涂层，插层法则受限于所用纳米材料必须有层状结构，而原位聚合法和共混法制备纳米涂料最大的难点在于纳米粒子在溶剂或单体中的分散问题。纳米粒子在溶剂或单体中的分散是制备纳米涂料包括纳米隐身涂料的关键所在。我们在制备纳米隐身涂料方面做了一些尝试，特别是在纳米粉体的分散方面取得重要突破，通过物理方法和化学方法相结合的手段，运用独特的分散方法，合适的分散剂已经制备出了一些应用于纳米隐身涂料的掺杂半导体的分散液，其粒径分布图见图2所示。这种掺杂型的纳米半导体粉末分散液其平均粒径小于30nm，可以通过共混法或原位聚合法应用于纳米隐身涂料而充分发挥其纳米效应。
图2某种纳米掺杂型半导体粉末的分散液粒径分布
3.4纳米隐身涂料的现状
近年来，美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和探索。美国在此方面的研究一直处于世界前列，据报道，美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99%；美国研制的宽频微波吸波涂层材料是由胶粘剂和纳米级微粉填料构成。这类多层结构具有很好的磁导率和红外辐射率，对50MHz～50GHz的电磁波具有良好的吸收性能。例如，美国F117型战斗机使用的隐身材料就含有纳米粒子。法国也已经研制出一种宽频隐身涂层，这种涂层由粘合剂和纳米级微填充材料(由Co、Ni合金和SiC纳米颗粒成)。对50MHz～50GHz范围内的电磁波具有良好的吸收性能。此外，国外对Fe、Co、Ni等纳米金属及合金吸收剂进行了广泛的研究。一般来说，采用多相复合法制出的复合粉体具有优良的吸波性能，其吸收频带宽，当吸收率大于10dB时，吸收带宽可达3.2GHz。另外，国外对纳米金属氧化物吸收剂也进行了大量研究。具有复合结构的金属氧化物吸收剂不仅有良好的吸收雷达波性能，同时还有抑制红外辐射的功能。
4.激光隐身涂料的应用现状
从20世纪90年代以来，隐身兵器几乎应用在所有的海战武器装备和领域，并在实践中崭露头角。随着技术的进步，激光隐身术将在其他常规武器中得到越来广泛的应用。目前美国的隐身兵器居世界领先地位，俄、英、法、德、日和瑞典等国也在积极发展。我国在此方面也已经开始了针对性的研究，据报道，国内激光隐身涂料对1.06μm波长的激光吸收率已高达95%以上。目前，可见光、红外、雷达、激光波段兼容，并且均能达到良好隐身性能的多功能材料是研究的重点，红外与激光复合隐身中红外隐身需要低发射率的材料，激光隐身需要低反射率的材料，这两者的复合隐身是矛盾的。据报道，通过对各种红外透明粘合剂如酚醛树脂、环氧树脂、醇酸树脂、Kiaton树脂、改性乙丙橡胶的研究，以及一些金属颜料、半导体颜料如ITO的研究，已基本上研制出1.06μm激光与8～14μm红外波段的复合隐身涂料。此外采用双层乃至多层涂敷法也是复合隐身研究的一种比较容易的方法。由实验分析可知，激光隐身涂料对雷达波的透波性能良好，并且厚度很小约为0.1mm，可以将其涂敷于雷达吸波材料表面，从而实现激光与雷达复合隐身。
5.结语
随着光电探测技术的迅速发展，武装目标将不得不同时面对激光测距与制导以及红外、雷达、可见光成像的探测与制导的威胁，单一的激光、红外、雷达、可见光隐身材料都已很难起到真正的对抗作用。特别是军用激光波今后将逐步由10.6μm激光取代，建立在高反射、低辐射基础上的红外隐身材料和低反射高吸收基础上的激光隐身材料在工作原理上发生了直接冲突，要想在8～14m红外波段上某一点附近很窄的频带范围内实现高吸收低反射，实际上是非常困难的。因此，研究红外、雷达与激光复合隐身的工作原理及方法，已成为急待解决的关键性难题。由于激光探测器大多采用主动式探测方式，即依靠接收目标后向反射能量来进行工作，因此，激光隐身是以降低目标激光后向反射信号，即降低目标后向散射截面为出发点。目前，隐身涂料正向多频谱、宽频带方向发展，而纳米隐身涂料由于其突出的优点，可以制得综合机械性能良好，以及多频段、强吸收的多波段隐身涂料，必将成为激光隐身涂料的一个发展方向。
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