神奇的雷達隱身材料

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

作者單位：1. 清華大學附屬中學，北京 100084；2. 清華大學附屬中學物理教研室，北京 100084；3. 中國科學院物理研究所，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?！段饔斡洝贰豆ㄌ亍返葧忻枥L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，現實生活中我并未真正見過，直到走近科技創新培養計劃，我才發現真有那么一類神奇的材料，可以把雷達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度減小到雷達探測不到。對于雷達來說，當飛機、軍艦和導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。在物理課上我們學習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出超聲波，當超聲波遇到障礙物時就會反射回來，蝙蝠的耳朵根據發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。人們根據這個原理制造出了雷達，應用于軍事和民用領域。

雷達就是像蝙蝠那樣發出電磁波，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。如圖2所示，當雷達發出的電磁波到達被探測物體表面時，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度很弱，雷達就難以探測到這個物體，這樣就達到了隱身的目的。

圖1 蝙蝠就是一個“活雷達”

圖2 電磁波與物體之間的相互作用

在軍事領域，飛機、艦船、導彈等武器裝備需要被保護起來不被敵方雷達發現，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生很強的反射，非常容易被雷達探測到，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，它吸收雷達發出的電磁波，并將電磁波的能量轉化成熱能而消耗掉，減弱飛機、艦船、導彈、坦克等對電磁波的反射強度，就達到了對雷達探測隱身的效果[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，隨著電子技術的普及和高速發展，大量的電子設備例如手機和手機基站、家用電器、以及工廠里的自動化生產線等已經廣泛地使用，提高了人們的生產效率，給生活帶來很大的便利，但這些電子設備發出的大量電磁波，也會造成電磁污染，給人們的健康帶來一些負面的影響[3-5]。此外，這些電子設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良性能也可以減少電磁輻射，改善人們的生存環境。

電磁波吸波材料的發展歷史

在第二次世界大戰期間，德國為了防止他們的潛艇被其他國家的雷達探測到，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。20世紀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。冷戰期間，美國和前蘇聯兩國都投入巨資對吸波材料開展實用性研究，到20世紀80年代中后期，美國研究的隱身飛機相繼問世，引起了世界各國極大的關注，尤其是F-22戰斗機，經過隱身設計和表面涂覆吸收材料，實現了全面隱身，標志著當今世界進入一個“隱形空軍時代”。經過了隱身處理的B-52重型轟炸機，既能在戰爭中精確打擊敵方，還可以避免自身被敵方雷達探測到，大大提高了生存能力，在戰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理，電磁波吸波材料可以分成三大類：電阻型、電介質型和磁介質型。在實際使用時，將吸波材料均勻地分散在不同的基體中，根據實際使用情況可以做成不同的結構或吸波涂料等[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率，電子在電磁場的作用下會發生極化，產生較大的電導損耗。美國先進的戰斗轟炸機F-117、戰略轟炸機B-2，戰斗機YF-22以及先進巡航導彈上都使用了大量的碳纖維，不僅可以有很好的吸波效果，而且同時還有增強結構的效果。圖3是正在等待安裝碳纖維隱身機身蒙皮的F-35飛機的照片。

圖3 F-35 正在等待安裝碳纖維機身蒙皮

電介質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境下產生極化弛豫損耗來吸收電磁波，這樣的陶瓷材料的優點是耐高溫，可以滿足高溫環境等惡劣條件下的隱身，是導彈和高速飛行器隱身的關鍵材料之一[10]。

磁介質型吸波材料主要包括鐵氧體和超細金屬粉等，其中鐵氧體已經有近80年的研究歷史。它是一種雙復介質材料，有極化效應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、頻帶寬等優點[11]，同時生產的成本較低，現在已經成為應用最廣泛的吸波材料。金屬超細微粉是指粒度在10 μm 甚至1 μm 以下的粉末。目前廣泛應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的電磁波具有優良的吸收性能。

雖然這些吸收劑已經廣泛地應用于實際中，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生鐵磁到順磁的轉變，吸波性能將消失，并且它的密度較大，不適合應用在要求輕質材料的飛機上。

材料的發展是道高一尺魔高一丈，性能優異的電磁波吸收材料不斷被發現，目前科學家正在研究的新型吸波劑包括導電高分子、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，是吸波材料實現雷達無法探測的方法，近些年科學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，它的折射率是負數[13]。圖4是一種超材料的結構。它是以開口諧振環為單元結構、不均勻排列，通過設計不同的結構單元、排列方式，使折射率為負數(n＜0)，電磁波在這樣的材料中傳輸時就出現了圖5中的偏離正常傳輸方向的路徑，通過改變不同的結構參數，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

展望與規劃

吸波材料不僅要吸收強、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構的設計等因素，這樣才有可能實現高性能的雷達隱身，并探索和發現新的雷達隱身思路。

攝影 賈大庸

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