走近前沿新材料II：隐身材料——让“隐身”不再局限于科幻
相恒学，杨利军，翟功勋，耿雅奇，朱美芳
东华大学材料科学与工程学院
隐身技术在大众眼中可谓是通天之能，物之隐者可盾其形、匿其貌，行常理不及之事。然而在科学的认知领域，隐身技术却有一个严谨的定义。科学意义上的隐身技术包括外形隐身、材料隐身和电子对抗隐身，都是通过吸收或损耗电磁波能量来实现隐身的目的。其中材料隐身是指利用吸波材料来吸收探测电磁波的一种隐身技术，是目前最重要的隐身途径。按照频谱可分为声、雷达、红外、可见光、激光隐身材料。其中雷达隐身材料即雷达吸波材料在当今隐身材料领域具有重要的应用和不可替代的实用价值。
20世纪90年代的海湾战争，战机“夜鹰”一战成名，成为唯一一种可避开伊军雷达监视、突破密集防空火力的战机。“沙漠风暴”行动中，美军先后共出动了45架F-117A，对伊拉克实施大规模的精准打击和目标摧毁（图1）。随后的科索沃战争中，以“夜鹰”为首的美国空军再次发挥了隐身突防、精确打击的出色性能，展示出强大制空能力，让世界为之惊叹。究竟是什么能让一架飞机的战斗力和打击力百倍提升，所向披靡，凌越众尖端武器之上，答案就是隐身材料。在战机的表面搭载这种隐身材料就能够有效地逃避雷达的探测、定位，从而顺利的躲避了反导拦截，实现自身生存能力的提升和战斗力的增强。隐身材料在飞机上的应用可以说让美国在20世纪的众多战争中都处于有利的地位，可谓是当时战争的“杀手锏”式的武器。
隐身材料的初露锋芒迅速地吸引了世人的眼球，在世界各国的军事领域引起的轩然大波，一度成为炙手可热的科研攻关对象。可以说隐身材料在军事上的使用影响意义是深远的，对战略新型材料来说，也是一个新的值得研究的高科技领域，炙手可热是必然的趋势。想必看到这里你必好奇这么厉害的材料是怎么制备的呢？背后的科学原理又是什么呢？下面就带大家一起去揭秘吸波隐身材料的神秘面纱。
当一束电磁波入射到吸波材料表面时，通常会产生三种信号：一是电磁波在吸波材料表面进行反射，二是射入材料内部被吸收，三是透过吸波材料, 其作用原理如图2所示。部分入射的电磁波会在吸波料表面发生反射，未反射的部分则会进入到材料内部。入射到材料内部的电磁波由于吸波材料的介电损耗或磁损耗转化为热能损耗掉，或因干涉作用而被衰减掉。吸波材料的吸波性能越好，则射入到材料内部的电磁波会尽可能多地损耗掉，从而减少电磁波在表面和内部的反射和透射，以此来达到电磁隐身的目的。
吸波材料可根据其对进入到材料内部的电磁波的损耗机制（通常有介电损耗、磁损耗和干涉损耗）不同分为三种。以介电损耗为主的吸波材料一般具有较高的介电常数、较大的介电损耗角；而磁性吸波材料一般具有较大的磁损耗角，通过铁磁共振损耗来吸收大量的电磁波。而在实际制备吸波隐身材料时，为了使材料满足宽频、高强度的吸波要求需要对材料的介电性能和磁性能进行相互的阻尼匹配，使二者相得益彰，协同贡献，达到最优的吸波效果。
电介质材料通过自身作用将入射电磁波能量转化为热能的损耗机制，称为介电损耗。当电磁波进入材料内部，载流子会在电场的作用下产生宏观电流，从而将电能转化为热能损耗掉。理论上来讲，材料的电导率越大，产生的电流越强，电导损耗能力越强。但事实上，当材料电导率较高，而颗粒尺寸过大时（>30μm），电磁波只能分布在铁磁材料表面薄层而不能进入内部，使得材料成为反射体发生所谓的趋肤效应，对于吸波材料的制备应该重点考虑到这种趋肤效应对吸波性能的影响。
磁损耗是指在交变电磁场中的损耗机制。主要包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗等，主要是依靠磁极化机制来吸收、衰减电磁波。具有磁损耗的典型吸波材料有铁氧体、磁性金属合金和磁性金属等。磁滞损耗是利用磁畴的不可逆转动或畴壁的不可逆转位移产生的磁感应强度的变化落后于磁场强度变化实现的，该现象称为磁滞效应。磁损耗与材料性质、瑞利常数和磁导率有关。
涡流损耗是指铁磁体处在交变磁场中，其内部的磁通量及磁感应强度将随交变磁场发生改变，从而产生一个环形感生电流垂直于磁通量，该电流称为涡流。反之，这种涡流又会激发影响原磁通量变化的磁场，从而引起铁磁体的实际磁场始终滞后于外加磁场，导致磁化滞后效应，在此过程中，复磁导率也会受到涡流的影响。由于涡流的产生，导体材料会发热，导致能量损耗。
剩余损耗是指除了上述两种损耗以外的其它损耗部分，主要由畴壁共振和磁后效损耗产生的，外加磁场的振幅、频率及吸波材料的弛豫时间决定了剩余损耗的大小。吸波材料的电磁损耗越大，电磁波吸收性能越佳。
图3 磁性材料磁导率随频率变化的典型图谱a，磁性材料的磁滞回线b（数据来源百度文库及吴楠楠,博士论文,山东大学,2019）
当电磁波垂直入射进入到吸波材料后，一部分未被损耗掉的电磁波会在吸波材料与自由空间之间的表面形成反射，记为反射波 R1。相同的，在吸波材料与 PEC（一种基底材料）之间的表面形成反射，记为反射波 R2。若能使 R1 与 R2 的相位差为 180°，振幅相等即可发生干涉相消，从而达到衰减电磁波的目的。实际操作中可以通过调整吸波体厚度 d而实现，即将吸波厚度d = nλ⁄4，且 n 为奇数得以实现。
因此，无论是吸波材料的阻抗匹配，还是材料对电磁波的衰减情况，均与吸波材料的电磁参数密切相关，因此在设计一个吸波性能良好的电磁波吸收材料时，需要综合考虑材料的阻抗匹配及衰减特征。
军事隐身领域乃吸波材料的重要应用领域。随着军事高新技术的飞速发展，世界各国防御体系的探测、跟踪、攻击能力越来越强。陆、海、空各兵种地面军事目标的生存能力以及武器系统的突防能力日益受到严重威胁。吸波材料作为一种重要的功能材料在远程洲际导弹上也有有重要的应用价值和应用前景，可大大提高洲际导弹的打击能力和抗反导拦截能力。军队的野外宿营帐篷、丛林战衣等，赋予吸波隐身功能后，都可以有效躲避雷达探测，提高野外军事作战能力。此外，战机上的吸波材料能够让战机有效避开雷达波的探测，干扰高灵敏机载雷达假截获或假跟踪。
在航空航天方面，用于雷达或通信天线、导弹、飞机、飞船、卫星等特性阻抗和耦合度的测量、宇航员用背肩式天线方向图的测量以及宇宙飞船的安装、测试和调整所用的微波暗室必须要使用超强吸波材料制备等，以消除外界杂波干扰提高测量精度与效率。在探测雷达或通信设备机身、天线和周围一切干扰物上涂复吸波材料，则可使它们更灵敏、更准确地发现敌方目标。在雷达抛物线天线开口的四周壁上涂复吸收材料，可减少副瓣对主瓣的干扰和增大发射天线的作用距离，对接收天线则起到降低假目标反射的干扰作用。在卫星通信系统中应用吸收材料，将避免通信线路间的干扰，改善星载通信机和地面站的灵敏度，从而提高通信质量。
图5 吸波材料在国防军工、航空航天等领域的应用。a.吸波材料在东风洲际导弹上的应用，b. 在雷达搜索和隐身战机的反侦察中的应用，c. 在野外宿营军工帐篷中的应用，d.在野外作战衣中的应用。(资料图片来源于网络)
随着电子科学技术的迅猛发展，电磁辐射带来的电磁污染、电磁干扰、泄密等问题，不仅影响通信等电子设备正常工作，对人体健康也存在隐患。特别是随着5G时代的到来，毫米波穿透力差，衰减大，覆盖能力会大幅度减弱，因此5G对信号的抗干扰能力要求很高，需要大量的电磁屏蔽器件。此外，科学技术和电子工业的高速发展使各种数字化、高频化的电子电器设备服务于人民的生产和生活，然而这些设备在工作时向空间辐射了大量不同波长的频率的电磁波，产生大量的电磁波干扰(Eletromagnetic Interference, EMI)和射频或无线电干扰(Radio FrequencyInterference, RFI) 。与此同时，电子元器件也正向着小型化、轻量化、数字化和高密度集成化方向发展，灵敏度越来越高，很容易受到外界电磁干扰而出现误动、图像障碍以及声音障碍等。这些电子器件和设备在工作时，会对周围的电子设备造成干扰，最明显的例子就是机器内的二次杂波问题。二次杂波会带来机器、设备内部程序的紊乱，使科学实验和医疗检测结果出现较大偏差，给科研和生产带来阻力甚至危害人类的健康安全。因此对工业、科学和医疗设备的电磁辐射的防护十分必要。
国际组织提出了一系列技术规章，要求电子产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC (Electromagnetic Compatibility)。对设计工程师而言采用EMI屏蔽用的吸波材料是一种有效降低EMI的方法。针对不同的干扰源，在考虑安装尺寸及空间位置后选择最优的吸波材料，这样就能保证系统达到最佳的屏蔽效果。
图6 吸波材料在工业和医疗领域的应用。a. 电磁兼容芯片；b. 苹果公司为测试电磁兼容设备建立的微波暗房，c. 5G时代毫米波在城市中的信号传输。（资料图片来源于网络）
在民用防护方面，吸波材料能够有效屏蔽电子设备带来的辐射危害，保护人体的健康。将吸波材料应用于各类电子产品，如电视、音响、VCD机、电脑、游戏机、微波炉、移动电话中，可以使电磁波泄露降到国家卫生安全限值（10微瓦每平方厘米）以下，确保人体健康。将其应用于高功率雷达、微波医疗器、微波破碎机，能保护操作人员免受电磁波辐射的伤害等。
电磁吸波材料可以通过损耗电磁能量来实现电磁波较少反射甚至无反射，在电子、通讯设备电磁兼容领域具有广泛的应用。随着5G和雷达通讯等技术的兴起，电磁波应用频谱从米波拓展至毫米波，导致吸波材料需求日益增大。传统的吸波隐身材料如铁氧体、钛酸钡，碳化硅、石墨、金属纤维等，它们通常都存在吸收频带窄或密度大的缺点。已经难以满足如今的生活需求。电磁波吸收频带窄、吸收材料本身厚度、质量大等都是传统吸波隐身材料面临的问题和挑战。因此，开发具有厚度薄、质量轻、吸收谱带宽、吸收强度大 ( 即 “薄、宽、轻、强”）的新型吸波体材料迫在眉睫。
纤维材料具有柔性、质轻的特点，把吸波材料与纤维结合是实现薄、轻、宽、强的一个重要途径。尤其是可编织、可设计的高性能吸波织物已经成为提高隐身技术的重要手段。因此，研制新型高性能吸波纤维材料在日常生活和军事领域均具有重要意义，目前已引起各国广泛重视和关注。
本文作者团队利用有机/无机杂化的思想将石墨烯与铁氧前驱体复合，通过生物水热矿化技术制备了石墨烯-铁氧基吸波性能子纳米复合材料，并与聚乙烯醇复合通过湿法纺丝技术制备了具有吸波强度和带宽可调的新型吸波纤维材料（图9)。该纤维通过纺织工艺制备得到的织物具有优异的吸波性能，吸波性能-15dB以上的强度几乎覆盖了2-18GHz全频段，在中频段具有超强吸收，最大吸收强度高达-55.7dB。最为神奇的是，研发的这种织物可以通过织物结构的调整实现对最强吸收谱带宽度的可控调节，为新时期“薄、轻、宽、强”吸波材料的制备开辟了一条新的路径。
图9 吸波纤维的微观形貌与吸波性能（a-b）SEM形貌, (c)单层织物的吸波性能,（d）吸波纤维织物的光学数码照片, (e-g)吸波纤维纱线的形貌，（h）吸波纤维，（i）吸波纤维纱线，（k）吸波纤维织物的平纹编织过程，（l）双层织物的吸波性能。
根据吸波隐身原理，让战机达到隐身的目的，可以从飞机特殊的外形设计和材料结构入手。但即使这样对于最优的材料结构也只能对频率较高的雷达起到良好的作用，并不具备全频谱隐身的能力，从这一点上来讲，传统的吸波隐身材料仍然存在着自身的局限性。而东南大学毫米波国家重点实验室最新研发的“超材料”或“智能可调隐身材料”可以完美的解决了这一弊端。所谓的“超材料”或“智能可调隐身材料”，本质上讲就是就是一种磁导率以及介电常数可自动控制的新型复合材料。这种超材料可以根据所跟踪雷达的电磁波的频率和环境背景特征，自动智能调整自身的材料结构特征，如调整材料的磁导率和介电常数等，最终模拟出类似于背景环境的雷达反射信号特征，以此实现对敌方雷达的迷惑与干扰以满足对该频段电磁波达到隐身的需求。这种智能调整自身结构特性与变色龙的生物特性及其相似，因此也被戏称为“变色龙”材料。
这种一眼看上去就像是一块块装修材料的小板子，若非写有“智能可调隐身材料”的相关介绍，恐怕也不会引起太多人的注意。正是这种高科技的集成，才使得这貌似平凡的东西，内部却别有洞天。这种既简单又朴实无华的材料，却在很大程度上能对未来武器装备的隐身设计概念产生颠覆性的影响。值得一提的是，“超材料”同样可以运用在光学隐身领域，我们在科幻小说中经常看到的隐身斗篷，理论上就能通过这类材料被制造出来。相信在不久的未来这种隐身“黑科技”就会运用到作战飞机上，进一步提高隐身性能。
隐身材料--让“隐身”不再局限于科幻，让科幻变成现实的背后蕴藏的是高科技的力量和无数科研工作者的心血和汗水。相信在不远的将来，你我都会成为这些高科技的体验者,让我们共同期待着那一天的早日到来。
《走近前沿新材料2》
中国科学技术大学出版社
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