神奇的雷达隐身材料

供稿|曹薰元，谢元凯，陆俊 / CAO Xun-yuan, XIE Yuan-kai, LU Jun

作者单位：1. 清华大学附属中学，北京 100084；2. 清华大学附属中学物理教研室，北京 100084；3. 中国科学院物理研究所，北京 100190

我从小喜欢读书，只要给我一本故事书，就可以一动不动地看上一整天。《西游记》《哈利波特》等书中描绘的人物给我留下了深刻的印象，例如：孙悟空可以来无影去无踪，哈利波特穿上隐身衣就变成了隐形人。可惜的是，它们只存在于神话故事或科幻小说中，现实生活中我并未真正见过，直到走近科技创新培养计划，我才发现真有那么一类神奇的材料，可以把雷达的探测电磁波几乎像“黑洞”一样吸收掉，使反射回去的电磁波的强度减小到雷达探测不到。对于雷达来说，当飞机、军舰和导弹等武器表面涂覆上这些神奇的材料时，它们就真的探测不到了！而我们，如果穿上这种材料做成的衣服，那么也真的可以隐形，像科幻小说中描述的那样神奇。

电磁波吸波材料的吸波原理

蝙蝠的视力不好，看不清楚飞行路线中的障碍物，更看不清楚它要捕捉的昆虫等食物。在物理课上我们学习了蝙蝠躲避障碍物和捕食的原理。原来蝙蝠一边飞行一边发出超声波，当超声波遇到障碍物时就会反射回来，蝙蝠的耳朵根据发出的超声波和听到的超声波之间的时间差和返回来的超声波的强度，就计算出了障碍物的大小，从而判断出来是障碍物还是食物，是需要躲避还是赶紧捕食。图1就是蝙蝠探测障碍物的“回声定位”的原理。人们根据这个原理制造出了雷达，应用于军事和民用领域。

雷达就是像蝙蝠那样发出电磁波，再利用被探测物体对电磁波的反射来获取被探测物体的空间位置、速度和大小等特征信息的一种无线电技术。如图2所示，当雷达发出的电磁波到达被探测物体表面时，电磁波会被该物体反射、透射或者被吸收。如果电磁波能大量透过物体或者被物体吸收，那么反射回来的电磁波就会比较少和强度很弱，雷达就难以探测到这个物体，这样就达到了隐身的目的。

图1 蝙蝠就是一个“活雷达”

图2 电磁波与物体之间的相互作用

在军事领域，飞机、舰船、导弹等武器装备需要被保护起来不被敌方雷达发现，但这些武器主要是由金属材料建造的，由于金属材料表面对电磁波会发生很强的反射，非常容易被雷达探测到，因此，给这些武器“穿上”一层隐形的外衣，是武器专家们想到的一个好主意。在武器的表面涂上一层电磁波吸收材料，它吸收雷达发出的电磁波，并将电磁波的能量转化成热能而消耗掉，减弱飞机、舰船、导弹、坦克等对电磁波的反射强度，就达到了对雷达探测隐身的效果[1，2]。电磁波吸波材料对于提高武器装备的隐身能力有着重要的意义。

此外，随着电子技术的普及和高速发展，大量的电子设备例如手机和手机基站、家用电器、以及工厂里的自动化生产线等已经广泛地使用，提高了人们的生产效率，给生活带来很大的便利，但这些电子设备发出的大量电磁波，也会造成电磁污染，给人们的健康带来一些负面的影响[3-5]。此外，这些电子设备之间也会因为电磁辐射，彼此干扰而不能正常工作。因此，利用电磁波吸波材料吸收电磁波的优良性能也可以减少电磁辐射，改善人们的生存环境。

电磁波吸波材料的发展历史

在第二次世界大战期间，德国为了防止他们的潜艇被其他国家的雷达探测到，就在潜艇的外壳包上了一层泡沫塑料，里面含有七层碳粉纸，通过这种方式有效地减少了潜艇对雷达波的反射，增加了探测难度，这就是最早的吸波材料和隐身技术。20世纪60年代，美国军方报道了一种可以更高效地吸收电磁波的材料，就是在环氧树脂中加入炭黑和银粉，报道称最多可以吸收90%的电磁波。冷战期间，美国和前苏联两国都投入巨资对吸波材料开展实用性研究，到20世纪80年代中后期，美国研究的隐身飞机相继问世，引起了世界各国极大的关注，尤其是F-22战斗机，经过隐身设计和表面涂覆吸收材料，实现了全面隐身，标志着当今世界进入一个“隐形空军时代”。经过了隐身处理的B-52重型轰炸机，既能在战争中精确打击敌方，还可以避免自身被敌方雷达探测到，大大提高了生存能力，在战争中起到了举足轻重的作用[6，7]。

电磁波吸波材料种类

按照电磁波损耗的机理，电磁波吸波材料可以分成三大类：电阻型、电介质型和磁介质型。在实际使用时，将吸波材料均匀地分散在不同的基体中，根据实际使用情况可以做成不同的结构或吸波涂料等[8，9]。

常见的电阻型吸波材料主要包括石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等，这一类材料有较高的电导率，电子在电磁场的作用下会发生极化，产生较大的电导损耗。美国先进的战斗轰炸机F-117、战略轰炸机B-2，战斗机YF-22以及先进巡航导弹上都使用了大量的碳纤维，不仅可以有很好的吸波效果，而且同时还有增强结构的效果。图3是正在等待安装碳纤维隐身机身蒙皮的F-35飞机的照片。

图3 F-35 正在等待安装碳纤维机身蒙皮

电介质型吸波材料包括碳化硅、钛酸钡陶瓷等陶瓷材料，它们主要通过在电磁场环境下产生极化弛豫损耗来吸收电磁波，这样的陶瓷材料的优点是耐高温，可以满足高温环境等恶劣条件下的隐身，是导弹和高速飞行器隐身的关键材料之一[10]。

磁介质型吸波材料主要包括铁氧体和超细金属粉等，其中铁氧体已经有近80年的研究历史。它是一种双复介质材料，有极化效应引起的介电损耗和自然共振引起的磁损耗的双重作用，具有吸收效率高、涂层薄、频带宽等优点[11]，同时生产的成本较低，现在已经成为应用最广泛的吸波材料。金属超细微粉是指粒度在10 µm 甚至1 µm 以下的粉末。目前广泛应用的金属纳米粉羟基铁粉，对电磁波，特别是高频至光波频率范围内的电磁波具有优良的吸收性能。

虽然这些吸收剂已经广泛地应用于实际中，但是仍然存在一些使用问题，例如，碳材料的抗氧化能力较差，因此只能在低于400℃的情况下使用。铁氧体在居里温度以上会发生铁磁到顺磁的转变，吸波性能将消失，并且它的密度较大，不适合应用在要求轻质材料的飞机上。

材料的发展是道高一尺魔高一丈，性能优异的电磁波吸收材料不断被发现，目前科学家正在研究的新型吸波剂包括导电高分子、纳米材料、手性材料[知识小贴士]、多晶铁纤维等，这些材料不仅提高了传统吸波性能，而且也提高了实际的使用性能[12]。

新型隐身材料

让电磁波消减或消失，是吸波材料实现雷达无法探测的方法，近些年科学家又突破了另一个思路，让电磁波传输时“改道”，就是偏离正常的传输路径，来实现隐身，超材料就是这样一种典型的隐身材料，它的折射率是负数[13]。图4是一种超材料的结构。它是以开口谐振环为单元结构、不均匀排列，通过设计不同的结构单元、排列方式，使折射率为负数(n＜0)，电磁波在这样的材料中传输时就出现了图5中的偏离正常传输方向的路径，通过改变不同的结构参数，可以使传输路径弯曲绕射，无法反射回来而被探测到，这样就实现了完美的隐身。

图4 电磁超材料

图5 电磁波在超材料中的传输路径及效果

展望与规划

吸波材料不仅要吸收强、频带宽、厚度薄、密度小，而且今后吸波材料还要满足耐高温、耐海洋气候、多频谱隐身、智能化等更加苛刻的使用要求[14]。因此，在未来的研究中不仅要提高吸波材料的吸波性能，也要考虑吸波材料在基体中的分布以及基体结构的设计等因素，这样才有可能实现高性能的雷达隐身，并探索和发现新的雷达隐身思路。

摄影 贾大庸

致谢：感谢中学生科技创新后备人才培养计划(英才计划)的支持以及中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室老师的帮助。