飛機隱身涂層課件

飛機材料表面隱身涂層制備技術及工程飛機材料表面隱身涂層制備技術及工程引言雷達與紅外隱身技術激光隱身技術測試方法總結主講內容引言雷達與紅外隱身技術激光隱身技術測試方法總結主講內容

引言引言引言

在高技術戰爭中，地面目標的克星是各種作戰飛機，而作戰飛機的克星則是防空導彈。與防空導彈配套的雷達，發射電磁波照射目標，通過接收回波，便可以判斷來襲目標的特征和位置。

這種情況下，沒有什么比“看不見、摸不著、找不到、打不中”的隱身術更具有吸引力了。

引言

在高技術戰爭中，地面目標的克星是各種作第二次世界大戰期間，一些飛機采用經試驗的迷彩涂料，降低飛機與天空背景的對比度，減小飛機的目視特征。這是最早、最簡單的隱身飛機。20世紀60年代初，美國的U-2和SR-71偵察機開始采用雷達隱身技術。

1978年，美國政府批準F-117A攻擊機研制計劃。第二次世界大戰期間，一些飛機采用經試驗的迷彩涂料，降

1988年，美國先后曝光了F-117A隱身戰斗機和B-2隱身戰略轟炸機，揭開了鮮為人知的隱身奧秘。B-2隱身戰略轟炸機1988年，美國先后曝光了F-117A隱身戰斗機

F－22“猛禽”是一種單座、雙發動機、雙垂直尾翼的隱身戰斗機，是第四代超音速戰斗機的典型代表。在設計制造中，該機采用了一系列先進的技術。采用這些技術后，F－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，采用兩臺國產渦扇10B發動機、DSI兩側進氣道、全動垂尾，鴨式布局。該機于2010年10月14日完成組裝，2010年11月4日進行首次滑跑試驗。現已成功試飛兩次。F－22“猛禽”是一種單座、雙發動機、雙垂直尾隱身技術隱身技術是指通過降低目標的可探測信號特征，從而減小目標被敵方各種探測設備發現概率的綜合性技術。現代隱身技術主要分為電磁波隱身技術和聲波隱身技術。隱身技術隱身技術是指通過降低目標的可探測信號特征，從而減小目隱身關鍵技術吸波材料——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。隱身關鍵技術吸波材料——能吸收或衰減入射的電磁波，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底層反射后再穿過吸波層射出來。若經底層反射的波與吸波層表面反射的波相位正好相反，兩段波便可發生干涉而減弱。吸波基本原理：1.干涉作用吸波基本原理：2.吸收作用材料對電磁波產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入到材料內部，即電磁匹配要好(匹配特性)；(2)進入材料內部的電磁波能迅速地被衰減掉，即電磁損耗要大(衰減特性)。2.吸收作用

雷達與紅外隱身技術雷達與紅外隱身技術雷達隱身涂層制備雷達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。雷達對目標的發現和對目標參數的測量,是通過目標對雷達發射機所發射的雷達波的反射回波信號來實現的。雷達隱身涂層制備雷達隱身材料是指能夠吸收衰減入射的電磁雷達隱身涂料要求對相應波段的雷達波具有低反射的涂料。一是涂料吸收雷達波,通過在粘結劑中加入電損耗或磁損耗填料,利用電損耗物質在電磁場作用下,使進入涂層中的雷達波轉換為熱能損耗掉,或是借助磁損耗材料內部偶極子在電磁場下運動受限定磁導率限制,而把電磁能轉換為熱能損耗掉;二是利用諧振原理,當涂層厚度等于雷達波長的四分之一時,通過諧振作用減少雷達波的反射。雷達隱身涂料要求對相應波段的雷達波具有低反射的涂料。隱身涂層要求在盡量寬的頻帶內，用盡量薄的涂層，盡量輕的材料，所得到涂層的吸雷達波能力最強，即追求薄涂層、寬頻、強吸收的效果。飛機隱身涂層課件按材料損耗機理，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型兩種。按吸收機理，吸波材料可分為吸收型和干涉型兩類。按化學成分，吸波材料可分為無機吸波材料和有機高分子吸波材料。按材料損耗機理，吸波材料可分為電損耗型和磁損耗型。電損耗型包目前國內外重點研究和主要應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、導電高分子吸波材料等。目前國內外重點研究和主要應用的吸波材料有鐵氧體吸波材料、金屬鐵氧體具有吸收強、吸收頻帶寬、成本低廉、制備工藝簡單等優點外，還因為其較好的頻率特性，適合制作匹配層，在低頻率拓寬頻帶方面，相對于金屬粉末，更具有良好的應用前景。鐵氧體具有吸收強、吸收頻帶寬、成本低廉、制備工藝簡單等優點外鐵氧體樣品的制備工藝可歸納為干法生產和濕法生產，主要包括酸鹽熱分解法、溶膠一凝膠法、化學共沉淀法、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。鐵氧體樣品的制備工藝可歸納為干法生產和濕法生產，主要包括酸鹽溶膠凝膠自蔓延法制備鋇鐵氧體工藝流程圖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0.4mol/L溶液;為保證絡合反應發生完全，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值穩定在7.0.然后加入20g/L聚乙二醇(PEG)，攪拌30min形成溶膠.將形成的溶膠置于80℃水浴反應2h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，到達一定溫度后，凝膠開始自蔓延燃燒，生成蓬松的樹枝狀前驅體自燃粉末.將該粉末研磨、高溫煅燒，即可獲得目的產物。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紅外隱身涂層制備紅外隱身的目的是降低或改變目標的紅外輻射特征從而實現目標的低可探測性。通過改進結構設計和應用紅外物理原理來衰減、吸收目標的紅外輻射能量,可使紅外探測設備難以探測到目標。由斯蒂芬-玻爾茲曼定律：M=εσT4式中：M為物體的總輻射強度；σ為玻耳茲曼常數；ε為物體的發射率；T為物體的絕對溫度。紅外隱身涂層制備紅外隱身的目的是降低或改變目標的紅外輻射特征材料的紅外輻射特性決定于材料的溫度和發射率。紅外隱身材料也可相應分為兩類：控制發射率的材料和控制溫度的材料。紅外隱身涂層具有低發射率，高反射率，在紅外線輻射頻段才有良好的隱身效果。材料的紅外輻射特性決定于材料的溫度和發射率。紅外隱身材料也可紅外隱身涂料的構成一般由填料和黏結劑兩部分組成。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、半導體填料等。黏結劑分為有機和無機兩大類,其中以有機黏結劑種類最多,目前可用于紅外隱身涂層的黏結劑有氯化聚苯乙烯、丁基橡膠等。從發展趨勢看,實用性能較大的是以聚乙烯為基本結構的改型聚合物。紅外隱身涂料的構成一般由填料和黏結劑兩部分組成。選用改進的AI粉做填料，粘結劑采用由無水乙醇、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，高速攪拌機，超聲場，刷子，空壓機，噴槍，燒杯，玻璃棒等輔助設備。試驗的工藝：稱取一定比例的填料及粘結劑-將填料與粘結劑充分混合-用高速攪拌機攪拌-用研磨機研磨-過篩-在超聲波解聚分散-刷涂(或噴涂)選用改進的AI粉做填料，粘結劑采用由無水乙醇、二甲苯組成的聚Al粉聚苯乙烯清漆高氯化聚乙烯樹脂研磨機高速攪拌機超聲波解聚Al粉聚苯乙烯清漆高氯化聚乙烯樹脂研磨機高速攪拌機超聲波解聚激光隱身技術激光隱身技術激光技術在軍事領域的發展20世紀80年代以來，隱身技術特別是雷達和紅外隱身技術的發展已經達到了一個很高的水平。如美國研制開發的低可探測飛機（LowObservableAircraft）F-117隱身攻擊機,B-2隱身轟炸機在雷達隱身和紅外隱身方面已經做得非常好了。激光技術在軍事領域的發展20世紀80年代以來但是隨著激光技術的飛速發展，激光技術在武器裝備等方面的應用日益增多。激光測距機激光制導技術激光雷達但是隨著激光技術的飛速發展，激光技術在武器裝激光隱身技術激光隱身過程與雷達隱身過程相類似，主要是降低目標表面的反射系數，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行激光探測，以達到激光隱身的目的。從微觀能量上看，物質對激光的吸收過程是物質與電磁波的作用過程，在此過程中，光子的能量轉化為電子的動能、勢能，或分子(原子)的振動能和轉動能。激光隱身技術激光隱身過程與雷達隱身過程Ⅰ、激光隱身材料針對的激光波長為0.69μm、0.93μm、1.06μm、1.54μm或10.6μm,其中最常用的為1.06μm和10.6μm。Ⅱ、好的激光隱身材料應對特定波長的激光具有高的吸收率和低的反射率。此外,其它的性能如熱穩定性、化學穩定性以及力學性能也要滿足一定的要求。Ⅰ、激光隱身材料針對的激光波長為0.69μm、0.93μ激光隱身技術采取的主要手段實現激光隱身技術的途徑主要有外形技術和材料技術，其中外形技術是通過目標的非常規外形設計降低其雷達散射截面（LRCS）；而材料技術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，以達到隱身的目的。因為外形設計只能散射30%左右的雷達波，且很難找到LRCS與氣動力學俱佳的外形，因此要徹底解決隱身問題，還是要靠隱身材料來實現。激光隱身技術采取的主要手段實現激光隱身技激光隱身材料激光隱身材料主要包括激光吸收材料、導光材料、透射材料三大類型。其中透射材料是讓激光透過目標表面而無反射。從原理上，透光材料后應有激光光束終止介質，否則仍有反射或散射激光存在。導光材料是使入射到目標表面的激光能夠通過某些渠道傳輸到其它方向去，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，實現難度較大。激光隱身材料激光隱身材料主要包括激光吸收激光隱身吸收材料激光隱身涂層摻雜半導體涂層光譜轉換材料有機金屬絡合物123激光隱身吸收材料激光隱身涂層摻雜半導體涂層光譜轉換材料有機金摻雜半導體隱身涂層在半導體內等離子波長(ωp)大于入射光波長情況下半導體有低反射率，半導體的等離子波長(λp)取決于它的載流子濃度(N)。注：m為電子有效質量，ε0為真空介電常數，c為光速

據此,通過摻雜控制其載流子濃度(N),從而改變摻雜半導體化合物等離子波長,使其在1.06μm波長附近產生強吸收。這類激光隱身功能元通常為In2O3、SnO2和ITO等半導體材料，摻雜元素通常為過渡族元素，如：Sb、Ni、Cu等。摻雜半導體隱身涂層在半導體內等離子波長(ωp過渡元素摻雜SnO2激光隱身材料的制備實驗原料原料純度含量細度SnO2工業純99%10μmCuOSb2O3Ni2O3ZnO工業純工業純工業純工業純>99%>99%>99%>99%<10μm<10μm<10μm<10μm過渡元素摻雜SnO2激光隱身材料的制備實驗原料原料純度含量細成分設計組分含量SnO2CuOSb2O3Ni2O3ZnO75%-95%0-5%0-15%0-15%0-5%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。成分設計組分含量SnO2CuOSb2O3Ni2O3ZnO75光譜轉換材料

這類材料可以吸收多個低能量的長波長光子，然后發出高能量的短波長光，利用它對激光頻率的轉換特性來降低激光回波反射的能量，從而達到激光隱身的目的。

例如可以考慮選擇對1.06μm波長的激光有強吸和光譜轉換效率的稀土離子,如(Sm3+、Er3+)摻雜在基質體系中,將1.06μm的光轉化為其它波長的光,從而達到吸收的效果。光譜轉換材料

這類材料可以吸收多個低能量的有機金屬絡合物

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1.06μm波長激光的金屬離子。同時對能與過渡金屬離子、稀土離子絡合(或螯合)的各種有機絡合劑進行選擇對比，找到所需的有機絡合劑(或進行適當的改性)。通過有機絡合劑與相應的金屬離子絡合(或螯合)制備成能有效吸收1.06μm波長激光的有機金屬化合物，再經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。有機金屬絡合物通過對各種過渡金屬離子、稀紅外/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10.6μm激光能兼容的隱身材料。對于同一目標要同時達到紅外與激光的隱身，就必須同時降低材料的發射率和反射率，但這是互相矛盾。基爾霍夫定律：物體在熱平衡狀態時有:α(λ,T)=ε(λ,T),即物體的發射率等于吸收率。根據能量守衡定律有:ρ(λ,T)+ε(λ,T)=1紅外/激光兼容隱身材料通常所說的激光/紅

可見要達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合隱身材料,還有很多地方需要突破。相信隨著有機高分子和納米材料的發展,今后可能會制得具有特殊官能團和表面結構的材料,它能在10.6μm等特定激光波長處具有強激光吸收,而在其它熱紅外波段范圍內具有高反射,從而實現激光/紅外的兼容隱身。可見要達到紅外和激光的隱身兼容，就必須克服兩者對材料

測試方法測試方法紅外隱身涂層隱身測試雷達波反射率測試激光后向散射特性測試紅外隱身涂層隱身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8～14μm波段發射率的檢測3是材料的導熱系數測量一紅外隱身涂層隱身測試我們主要從三太方面檢驗紅外隱身涂層隱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(λ)，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)1.是可見光和近紅外波段反射率檢測（1）反射率的測量反射率測試儀（reflectivitytester）反射率測試儀（reflectivitytester）以土黃、中綠、深綠反射率為例以土黃、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標。(2)綠色檢驗鏡的檢測綠色檢驗鏡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2紅外發射率的測量測量發射率：IR一2型雙波段發射率測量儀2紅外發射率的測量測量發射率：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，涂覆具有一定差值的不同發射率的涂料，使其產生紅外迷彩，并與背景融合；對于海上目標，涂覆與海水紅外發射率相近的涂料；對于空中目標，涂覆低發射率的涂料，最大限度地降低目標的紅外輻射，是實現紅外隱身的主要方法。但是，由紅外迷彩產生熱分割、熱變形也是紅外隱身的手段之一，因而紅外涂料的發射率也需要一個由低到高的系列。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，涂3涂層導熱系數測量利用導熱系數測量儀導熱系數是表征物質熱傳導性質的物理量。根據傅立葉導熱方程式，在物體內部，取兩個垂直于熱傳導方向、彼此間相距為h、溫度分別為島θ1、θ2平行平面(設θ1>θ2)，若平面面積均為S，在出時間內通過面積S的熱量△Q滿足下述表達式：

λ即為導熱系數3涂層導熱系數測量利用導熱系數測量儀導熱系數測試系統導熱系數測試系統二雷達波反射率測試采用RCS后向反射法測量材料雷達波反射率；二雷達波反射率測試采用RCS后向反射法測量材料雷達波反射率三激光后向散射特性測試三激光后向散射特性測試

總結總結隨著多波段探測和制導技術的不斷發展，隱身技術對涂料的要求除了紅外與雷達外，還應包括涂料的可見光性、激光波吸收性能等。因此，探索新技術、新方法、積極開展新的隱身機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。隨著多波段探測和制導技術的不斷發展，隱身技術納米吸波涂層材料手性吸波涂料

等離子體隱身技術

多頻段吸波材料

納米吸波涂層材料手性吸波涂料等離子體隱身技術多頻段由于當前多模復合制導技術的不斷發展以及探測手段的日益多樣性,戰場武器裝備可能同時面臨雷達、紅外、激光以及可見光等探測手段的威脅,因此多波段復合隱身材料的發展很早就受到了專家以及相關研究者的關注和重視。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。多頻段吸波材料由于當前多模復合制導技術的不斷發展以及探測手段納米涂層材料

近年來，納米吸波涂料成為隱