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1、r艺材料 谢 雄 军 曹运 红 王 蕾 摘要雷达吸波复合材料作 为结构隐身材料是隐身 材料研究的方向。介绍 了复合材料及其在结构 隐身材料 中 的研制现状，以及在航空航天飞行器上的应 用。主题 词隐身材 料 吸波 纤 维 复 合 材料 结 构隐身材料 前 言 隐身 技术 是 当今 世 界 重点 发 展 的军 事 技术 之 一，美 国在 这一 领域处于领先地位。1 9 8 8年 1 1月，美 国空军首次公开展示 了多年来一直鲜为人知 的 B-2隐身轰炸机。隐身 飞行器 的 出现 无疑 将对 未来 战争产生极为深远 的影 响。飞行器 隐身技术 是一 门 多学科、综合性的系统工程，其中隐身材料是它的
2、 一个重要组成部分，只有将外形 隐身技术与隐身材 料的应用有机地结合起来，才能取得更好的隐身效 果。结构隐身材料是指既具有隐身性能又可作为结 构部件使用的材料，实际上是一种具有隐身性能的 先进复合材料，是 当代隐身材料研究的方向。碳纤维的出现才真正提供了可代替金属作为主 承力构 件的结构材料。碳 的 电阻适 中，是很 好 的吸 收雷达波材料。碳纤维复合材料及随后 K e v l a r 纤 维、硼纤维增强复合材料及其混杂复合材料和高性 能热塑性复合材 料等的出现 和应用，有 力地促 进 了 隐身技术的发展。许多国家都在积极开展隐身飞行 器的研制工作。在美国，除已公开展示 的 B-2隐身 轰炸机
3、外，研制的隐身飞行器还有 F-1 9 A、先进巡 航导弹 A C M 等。西欧联合研制 的 E F A先进 战斗 机、日本的 A S M 1 空舰导弹也都采用隐身材料。俄 罗斯也正在 加紧研制 新 型 隐身战 斗机 及隐 身导 弹。在涉及到先进 隐身飞行 器 的报道 中，几乎都无 一例 外 地指出，这些 隐身飞行器都 已大量采 用 了以碳 纤 维 复合 材料为代表 的先进 复合材料。1 雷达 吸波纤维 复合材料对 隐身 的作用 在这些隐身技术 中，复合材料起着重要作用。第一，复合材料可以制成各种雷达波吸收材料和结 构；第二，复合材料容易制造成具有隐身外形的飞 行器所 需要 的复杂 曲面形状。法
4、 国达索公 司在 2 0 0 0年 底透 露 了其 低可 探 测 性缩 比隐身靶机的情况。据 该公 司称，把这 种 隐身 靶机用于培训防空部队对付低可探测性飞机和巡航 导弹。该隐身靶机全部采用复合材料及机身机翼融 合体设计。目前国外正在研制的一种隐身巡航导弹(S C M)为全复合材料结构，其雷达散射截面约减少 到 0 0 1 m。1 1 雷达吸 波纤维复合 材料 用的基体树 脂 传统的树脂和复合材料具有 良好的雷达传输和 介电透射特性。它们 内部基本上不具备吸收雷达能 量的机能。只有当材料的折射率(n)具有“虚数部 分”时，才能吸收 能量。“虚 数部分”含有 与材料 介 电常数()以及与 材料
5、 磁导 率(n)有 关 的虚 数 部 分。因为聚合物分子在外加电场和磁场的作用下可 产生 电性 和磁性，分子 在这种 状态 时，虚 数部 分有 可能 吸收能量。复合材料的雷达传输和介电透射特性取决于基 体树脂，增强纤维和填充剂的介电性能如表 1 所示。本文 2 0 0 3-0 4 1 3收到，作者分别系北京华东光催化技术有限公司高工、航天科工集团三院 3 1 0所高工、助工 5 6 飞航 导弹2 0 0 3年第 1 0期 维普资讯 http:/ 表 1 基体树脂的电性能 基体树脂类型 皇堂墼!l 塑堑鱼至 塑堑里 !兰 传统的树脂 聚酯 2 73 2 0 0 0 50 0 2 0 环氧 3 0
6、3 4 0 0 1 00 0 3 0 异氧酸酯 2 73 2 0 0 o 4 0 0 1 0 高温复合材料树脂 酚醛 3 13 5 0 0 3 0 0 0 3 7 聚酰 亚胺 2 7 3 2 0 0 0 50 0 0 8 双马来酰亚胺(B MI)2 8 3 2 0 0 0 50 0 0 r 7 硅树脂 2 8 2 6 0 0 0 20 0 o 6 聚醚酰亚胺 3 1 0 0 o 4 热塑性复合材料树脂 聚碳酸酯 2 5 0 0 o 6 聚砜 3 1 0 0 0 3 P PO 2 6 0 O 0 o 9 P E S 3 5 0 0 0 2 P I，S 3 0 0 0 0 3 P EEK 3 2
7、0 0 0 0 4 f，I EE 2 1 (C T E F L O N)注：表 中数据是在 2 0 、1 0 G H z频率时测定 的数据。表 2 纤维增强复合材料的电性能 复合材料类 型 介 电常数，E 损耗角正切 损耗因子，t a n S 玻璃纤维 环氧 4 24 7 0 0 0 r 7 0 0 1 4 石英玻璃纤维 环氧 2 83 7 0。0 o 60。0 1 3 K e v l a r-4 9 环氧 3 23 7 0 0 1 00 0 1 7 玻璃纤维 双马来酰亚胺 4 04 4 0 0 o 60 0 1 2 石英玻璃纤维 双马来酰亚胺 2 53 3 0 0 0 4 0 O O 9 石
8、英玻璃纤维 聚酰亚胺 3 03 2 0 0 O 4 0 0 o 8 玻璃纤维 聚酰亚胺 4 0 4 4 0 0 o 6 0 0 1 2 玻璃纤g P P S 4 5 0 0 l 8 石英玻璃纤维 P P S 3 3 0 0 0 2 s _ 玻璃纤L P E E K 4 6 0 O 0 o 8 0 0 o l 注：在 2 0 ，1 0 G I-I z 频率下测定 的数据，撑 为编织增强体和树脂预浸带的复合材料。如表 1 所示，热固性树指环 氧、双马来 酰亚胺、聚酰 亚胺 和 聚醚 酰 亚 胺 以 及 热 塑 性 树 脂 P E E K、P E K和 P P S等 都 具 有 比 较好 的介 电性
9、能。由它们制成 的 复合材料具有较好的雷达传输和 透射特性，当雷达 波与 这些 树脂 飞航导弹2 0 0 3年第 1 0期 基复合材料接触时，不容易形成 爬行 波的电磁流。目前，这些 基 本树脂 已广泛用于制造各种 雷达 吸波复合材料和结构。这些树脂 基复合材料的电性能，如表 2所 示。道化 学 公 司 的 聚 异 氰 酸 酯(c y a n a t e e s t e r)与碳纤维混合可制 得具有优 良吸波性 能 的编织物 预 浸料。这种树脂的损耗因子随频 率和温度而变化，并在宽频率范 围内都具有优 良的吸透波性能。1 2 雷达 吸 波纤 维复 合材 料 用 的特 殊纤维 5 7 维普资讯
10、http:/ 表 3 增强纤维和填充剂的电性能 纤维和填充剂类型 介电常数 E。损耗角正切 损耗 因子，t a r u 5 微 球：二 氧化 硅微 球 1 2 0 o o 5 E 一 玻璃微球 1 3 0 o o 1 纤维 E 一 玻璃纤维 4 5 6 0 0 0 0 4 0 O O 6 D 玻璃纤维 4 0 0 o o 2 0 o o 3 S-2玻璃纤维 5 2 1 0 0 o 6 8 R 吱璃纤维 5 2 0 0 o 6 8 (q u a r t z)石英纤维 3 7 8 0 0 o O 1 0 0 0 0 2 芳酰胺纤维 3 8 5 0 0 1 (UH S P E)高硬度聚乙烯纤维 2
11、02 3 0 0 o O 2 0 O O O 4 (P T F E)聚 四氟乙烯纤维 2 22 3 0 0 o O 8 0 O O O 9 表 4 各种材料的电阻率 材料 0。(平行)9 0。(垂直)碳纤维 环氧，型 1 0一 1 0 碳纤 环氧，I型 1 0 一 1 0 0 S玻纤 环氧 1 0 l 4 1 0 硼纤 维 环 氧 1 0一 1 0 环氧树脂 1 0 铝 1 0 一 特殊增强纤维的电性能如表 3所示。石英纤维 具有最好 的雷达传输和介 电透射特性；聚乙烯纤 维、聚四氟乙烯纤维和陶瓷纤维都具有很低的介 电 常数和损耗角正切值，对 电磁波 透过率 高等优 异 的 性能。E 玻璃纤维
12、、s 一 玻璃纤维和芳酰胺纤维也有 很好 的介 电透射特性，吸透波性能好。研究表明，为使结构材料能够吸收、衰减入射 的雷达波，必须使它具有一定的表面电阻。如果材 料表面 电阻太低，则雷达波从 材料表 面反射 出去 而 不被吸收；如果 材料表面 电阻太高，则雷 达波 进入 结构内部，从内部边缘反射出去而很少被吸收。为 了改变结构材料的介电性能和磁性能，使传统的热 塑性复合材料成为优 良的雷达吸波复合材料，可以 在基体树脂 中添加某些电损耗物质，如碳粉、石墨 粉或金 属颗粒 和磁损耗 吸波 物质，如羟基铁 粉或铁 氧体 等。1 2 1 碳纤 维复合材料 碳纤 维 是 聚 丙 烯 腈(或 沥 青 纤
13、 维)经 高 温 58 (1 0 0 0 C以上)处 理 制成 的。随着 温度 的增 高，纤 维 内 订电 子浓 度 增 加，微 晶增 大，石 墨 化 程度 增 高，从而使纤维的导电率增加，电阻率下降。碳纤维是 电 的良导体，电阻率在(0 81 8)l 0 n c m之 间；基体 树 脂 是 缘 绝 体，电 阻率 在 l 0 l 0 n c m之间。由它们 组成的复合材料有 一定的导电能力，电阻率介于导体和绝缘体之间，如 表 4所示。碳纤维 的电导率 随热处 理温 度 的升高 而增加，高 温下处理 的石墨纤维 的电导率接近导体。由于热 处理 温度 不 同，碳纤维对 电磁波表 现 出的性 质也
14、不 相 同，经石墨化处理 的石 墨纤 维是 电磁波 的反射材 料，反之，未经石墨化 处理 的碳纤 维是 电磁 波的吸 收材料。其吸波性能与入射电场的方向有关。入射 电场方向与纤维平行时产生反射，其特性接近于金 属；入射 电场方 向与纤维 垂直 时，碳 纤维是 雷达 波 的损耗介质，如表 5所示。用碳纤维制备的复合材 料具 有高强度等特点，作为吸波材料在 B 一 2隐身飞 飞航导弹2 0 0 3年第 l 0期 维普资讯 http:/ 表 5碳 纤维 的 电性能 频 E GH z 8 2 9 1 0 1 1 1 2 4 (平行)1-j 2 4 9 6 0 6 1-j 2 2 6 9 6 3 l-j
15、 2 0 4 2 6 7 1 1 8 5 6 9 7 1-j l 6 4 7 3 1 s(垂 直)1 8 9 8-j l 1 5 9 1 8 6 5-j 1 2 7 7 1 9 1 9-j l 1 1 1 1 8 1 8-j 9 3 9 2 0 3 7-j 6 3 5 表 6 Ke v l a r-4 9 环氧复合材料的电性能 纤维体积含量()纤维方向 测试频率(H z)介电常数 损耗角正切 5 8 垂 直 9 31 0 3 3 0 0 1 0 5 8 平行 9 21 0 3 7 0 0 1 3 4 8 垂 直 1 0 4 1 0 0 2 4 机 中得 到 了应用。特殊碳纤 维具有吸收雷 达波
16、的适 当电阻。改变 碳纤维横截 面形状 和尺寸，把碳 纤 维制成三 角形横 截面，不仅能进一步提高碳纤维的韧性和强度，而 且能提高其雷达传输和透波特性。碳纤维表面进行 特殊 处 理，如 碳 纤 维 表 面 浸 渍 具 有 透 波 性 能 的 P E E K，P E I 和聚氨脂等树脂涂层，可以使其具有透 波性 能；如果碳纤维表 面浸 渍含有损 耗物 质 的树 脂 或沉积碳粒，能有效地 提供 其 吸波性能，降低其 热 传导性。碳纤维表面喷涂镍，使其具有吸收雷达波 的适当电阻。碳纤维经过室温 卤素氟化物浸渍处 理，也能提 高其吸波性能。特殊 碳纤维 复合材 料是 雷达吸波复合材料，可用作雷 达吸波
17、结 构 的低 介 电 材 料。高性能碳纤维复合材料是雷达能量的强反射 体。有些碳纤维复合材料在很低频率下，象金属一 样反射，只有频率高于 3 0 G H z 时，才有很少 的反射 衰减。由于碳纤维复合材料的雷达反射特性，常被 用作各类 吸波 复合材料和吸波结构 的底 板 基板层。碳纤维复合材料 比金属更容易制造隐身外形飞行器 所需 的复杂形状 和尺寸，这是 因为基体树 脂 的低收 缩 性能和低 的热膨胀 系数，它们 能精确制 造 隐身外 形飞行器复杂形状和尺寸。当碳纤维复合材料和其 它缩减 R C S的材料与技术相结合时，可以产生缩减 RC S的 良好效果。1 2 2 K e v l a r
18、纤维复合材料 K e v l a r 是芳 香族 聚酰胺 纤维 的通 称，构成纤 维 的基材是 长链 状 合 成 聚 酰胺。表 6示 出 K e v l a r-4 9 纤维增强环氧树脂复合材料的电性能数据。其特点 是 在频率 1 k Hz 至 1 0 GH z范围 内，芳 纶 环氧 的介 电 飞航导弹2 0 0 3年第 1 0期 常数 比玻 璃 环氧 低。这 样，它 的工 作性 能 超过 无 机纤维，而达到雷达可 透射 的范 围之 内，玻璃纤 维 和 K e v l a r 纤维不 吸收雷 达波，因此是理 想 的透波材 料，K e v l a r 纤维增强复合材料具有优异的雷达波可 透性，很
19、适 合 制 作 轻 型 的雷 达 天 线 罩 和 电磁 观测 窗。1 2 3 混杂纤维复合材料 混杂纤维复合材料是当前复合材料研究与应用 的一个重 要发 展 方 向。碳 纤 维 与 K e v l a r-4 9纤 维 混 杂复合材料具有 密度小，刚度 适宜，优异 的透 波性 能，是航空航 天飞行 器上使用 的理想 材料。碳纤 维与玻璃 纤维、S i C纤 维混 杂复 合材 料具 有 较好的吸波性能，能在宽频范 围 内有效 衰减雷 达 波。玻璃 纤 维、K e d a r-4 9纤 维 具 有 良好 的透 波 性 能，与碳纤维制成混杂复合材料，通过调节各种纤 维的相对体积份数，可以制造具有隐身
20、性能的结构 吸波材料。1 2 4 热塑性复合材料 美国享茨维特公司研制的雷达吸收材料，以高 分子聚合物为基体，均匀分布氰酸酯 的晶须，用晶 须来切 断入射雷达波 信号，并 吸收大 量能量，从 而 达 到隐身的 目的。此材料 已应 用于巡航导 弹弹体。碳纤维增强热塑性树脂基复合材料具有极好的 吸波性能，能够使频率为 0 1 M H z 一 5 0 G H z的脉冲 大幅度衰减，现已用于先进战斗机(A T F)的机身和 机翼，其 型 号 为 AP C(HT X)。另 外，A P C 2 是 C a l i o n G 4 0-7 0 0碳纤维 P E E K复丝混杂纱单向增强 的产 品级，特别 适
21、 宜制 造直 升 机旋 翼 和导 弹壳 体。美 国隐身直升机 L H X 已采用 了此种材料。1 2 5耐高温复合材料 5 9 维普资讯 http:/ 表 7隐身导 弹概 况 型号 主要隐身措施 装备情况 可活动前掠翼，圆拱形弹体外形，倒 Y型安定翼面，隐身进气 A C M(美国先进巡航导弹)已生产 口，数字机控制排气喷 口 海鹰导弹(英国反舰导弹)采用无烟排气和冷羽流 X S S M-l I(日本面对面导弹)涂有 2 5 mm厚 的微波吸收涂料 已研制 A T C M(美 国先进空射巡航导弹)采用威廉斯国际公司的 C C复合材料发动机 采用吸波复合材料代替金属水平安定面(混有碳墨的环氧树脂
22、S R AM(美国近程攻击导弹)装备在 B-2飞机上 Ec c o s o r b C R1 1 4或 1 2 4)A S M 1(日本空对舰导弹)尾翼采用铁氧体玻璃钢 已装备 S S M 1(日本地对舰导弹)尾翼和弹翼均采用铁氧体玻璃钢 已研制 A G M-8 6 B(美国空对地导弹)装有电子干扰装置 已装备 通常，飞行器 的头锥，发动 机进气 道 和喷嘴 等 部位，承受高温 高速 热气 流 的冲击，为满足 这些 部 位的隐身的要求，目前国外正研究高温吸波材料，如陶瓷纤维，陶瓷复合材料和 C C复合材料。近几年，国外 先后 开 发 了一 系 列诸 如 S i C，A I O 和 S i，N
23、等 陶瓷纤 维，这 些 纤 维 可纺 织 成 为 各种织物。目前，国外发展最快的耐高温陶瓷纤维 吸波材料是 S i C纤维，它是应 用最 广 的吸 收剂，具 有吸收性能好，密度与硼纤维相当，高温性能好，在 1 2 0 0 下长时工作等优异特性。另一方面，S i C 纤维具有吸波特性，电阻率在 1 n c m一 1 5 5 1-1 c m 之间，当它的电阻率在 1 0 n c m一1 5 3 n c m之间 时，具有 最佳 的 隐身性 能。此外，S i C纤 维 还 可 以 抗 y 射线辐射 以及 高速粒子流和 电子流的冲击。碳化硅纤 维 经过适 当处 理，使 其 电阻率调 整到 1 0 n c
24、 m 一1 0 n c m，才 具有 最 好 的吸 收 效 果。通常采用高温处理法，或掺杂异元素法来调整电阻 率。美 国已研制 出了 S i C纤 维增 强 的玻 璃 陶瓷基 复 合材料，即使温度较高该材料也具有吸波性能，已 广泛用作吸波材料 和吸波 结构。法 国 A l c o l e公司采 用陶瓷复合材料制造出无人驾驶隐身飞机，这种陶 瓷复合纤维 由玻璃纤维、碳纤维和芳酰胺纤维组 成，在 这 种 复 合 材 料 中加 入 T i O 后 可 使 其 耐 1 2 0 0 高温，其 主要 特征 是具 有特 有 的 电阻率(0 1 0 n c m)，这使其具有最佳的吸波特性。C C复合 材 料
25、也是 一 种 优 良的 耐高 温 吸 波 材 料。c c键是稳定的化学键，具有汽化温度高，高 温下 线膨胀系数低 等力学 性能，同时，C C复合 材 料具有优 良的吸波性能，它能很好地减少红外雷达 6 0 波信号，是耐高温吸波材料的另一特点。美国威廉 斯 国际公 司研 制的 C C复合 材料适 用于 高温部位，能很好抑制红外辐射并吸收雷达波，已用于先进空 射巡航导弹(A T C M)。用 C C复合材料制造发动机 进气 道，可 以吸收进 入进气道 的雷达 波。2 先进复合材料在 结构 隐身材料 中的应 用现状 先进复合材料由于具有高比模量和高 比强度等特 性，成为制造飞行器构件的理想材料。随着
26、现代军事 科学技术的发展，人们已认识到复合材料在隐身技术 中的重要作用，并使之得到成功应用。如雷达波吸收 材料在 A1 2 S R-7 1等机种上的成功应用引起 了人们的 重视，在后来的许多飞机及导弹型号中都采用了这种 材料。其中种实用的雷达波吸收材料由透波的 K e v l a r 蒙皮和浸渍碳的泡沫芯或蜂窝组成。在隐身技术研究中最重要的是改善飞行器的气 动外形设计，其次才是隐身材料的应用。隐身材料 在 隐身 导弹上的应用如 表 7所示。3结束语 如上所述，国外在隐身材料的研究方面，经过 数十年 的努力，已取得 了一些 进展。目前，研 究 的 主要方向是高性能、宽频带吸波材料，以展宽有效 频率，实现频谱 隐身材料相兼 容 的隐身材料。建议 雷达吸波复合材料和雷达吸波结构将有计划地应用 于未来 的所有军用 飞机、导弹 等装备。把 吸波 材料 集成到飞行器结构中去形成满足强度要求的结构型 吸波 复合 材料是 当前发展 方向。飞航 导弹2 0 0 3年第 1 0期 维普资讯 http:/