摘要：纳米隐身涂料可显著改善舰船的隐身性能。本文阐述了纳米隐身材料的隐身机理，简述了纳米隐身涂料在舰船红外、雷达隐身领域的应用与研究现状，展望了其在舰船声隐身领域的应用前景。
关键词：纳米，隐身，涂料，舰船
引言
纳米材料是指三维尺寸中至少有一维为纳米尺寸的材料，如薄膜、纤维、超细粒子、多层膜、粒子膜及纳米微晶材料等，由尺寸在10-10～10-7m 的物质组成的微粉体系。当粒子尺寸进入纳米量级时，它的微观结构和性能既不同于原子、分子的微观体系，也不同于显示本征性质的大颗粒宏观体系，而是介于二者之间的过渡体系，因而出现常规材料所没有的一些特殊性能，如高强度、高韧性、高热膨胀系数、高比热、低熔点、奇特的磁性和极强的吸波性能等，从而使纳米材料获得广泛的应用。
早在第二次世界大战之前, 基于电磁波反射原理的雷达探测技术问世之初，就出现了欲使其探测迷茫的电子对抗技术，也开始了各种天然和合成材料吸收电磁波的机理研究。随着纳米技术的出现和兴起，纳米材料以其独特的结构而具有表面效应、量子尺寸效应和小尺寸效应等，使得纳米材料与大尺度的材料相比，具有吸波性能好、吸收频带宽等优点，吸波性能优于传统的吸波材料，因而在电子对抗中有着广阔的应用前景[1]。
目前纳米材料作为隐身技术的关键技术之一，由于具有很大的比表面积，能吸收电磁波，同时纳米材料尺寸远小于红外及雷达波波长，对波的透过率很大，易于实现高吸收、涂层薄、重量轻、吸收频带宽、红外微波吸收兼容等要求，是一种极具发展前景的高性能多功能材料，由它制成的纳米隐身涂料在很宽的频带范围内可以躲避雷达波的侦察，同时能很好地吸收可见光和红外线，具有红外隐身作用，涂敷于舰船表面，可显著改善其隐身性能。
1.纳米隐身材料的隐身机理
综合舰船防雷达、红外、可见光、激光、声纳等隐身涂料的基本原理是降低目标舰船自身发出的或反射外来的信号强度，或减小目标舰船与环境的信号反差，使其低于探测器的门槛值；或者使目标舰船与环境反差规律混乱，造成目标舰船几何形状识别上的困难。由纳米材料制备而成的纳米隐身涂料，隐身机理与纳米材料的小尺寸效应和表面效应密切相关：（1）由于纳米粒子尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米材料对这些范围的波的透过率比常规材料要强得多，这大大减小了波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的效果；（2）纳米粒子的比表面积比常规粉体大3～4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这样入射到涂料内部的电磁波与隐身涂料相互发生电导损耗、高频介质损耗、磁滞损耗，并将电磁能转化成热能导致电磁波能量衰减，这就使得探测器得到的信号强度大大降低，因此很难被探测器发现，起到了隐身作用[2]。
纳米隐身涂料必须满足以下两个条件：一是其中至少有一相的尺寸在1～100 nm；二是纳米相的存在使涂料隐身性能得到显著提高。一般认为，纳米隐身材料对电磁波能量的吸收、由晶格缺陷引起的电子散射以及电子与电子之间的相互作用三种效应决定。由于纳米材料的结构尺寸在纳米量级、物质的量子效应和表面效应等对材料性能有重要影响，因此在微波场的辐射下，原子、电子运动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能，从而增加了对电磁波的吸收性能。
传统的隐身涂料往往以特定的波段为对象，有些兼顾型隐身涂料则往往牺牲主要隐身方向的优越性能，或降低装备的战斗能力。而纳米材料与有机涂料结合后，有如下特点：高效的宽频带吸波性能可以覆盖电磁波、微波、红外等波段；耐候性好，机械性能如粘结性、耐磨性等大大提高，可以减少其他助剂及填料的使用；能够增强基体的防腐蚀能力；涂装性能优良，施工性大为改善[3]。当这种纳米隐身涂料应用于舰船时，可使涂覆目标能够对可见光、雷达、红外等现代探测仪器有隐身作用。
2.舰船纳米红外隐身材料的应用与研究
随着红外探测技术和红外制导系统的迅速发展，对舰船的威胁日益严重，因此，设法降低其红外特征已引起各国海军的高度重视，都采取了相应的隐身措施，来提高水面舰艇的生存能力。水面舰艇的红外信号源或过热区可分为内部和外部两种。内部红外源包括发动机和其它设备的发热、通风系统中的废气以及受内部空间的热损；外部红外源由舰船表面吸收或反射周围环境的辐射(如来自太阳、大气和海水的辐射)构成。目前，对于舰艇外部红外源的红外隐身措施，可以对舰艇表面进行特殊处理，采用特殊材料来减少红外特征信号，如喷涂涂层，降低红外辐射[4]。纳米隐身材料可以作为一种有效的吸收红外特征信号的隐身涂料而得到广泛应用。
3.舰船纳米雷达波隐身材料的应用与研究
雷达吸波材料的应用是实现舰船雷达隐身的主要技术措施之一[5]。可以在舰船外部某些大面积散射雷达波的部位上涂敷雷达吸波材料来吸收雷达波，从而减少雷达散射截面积。涂敷型吸波材料一般有涂料型和贴片型两种。涂料型就是把电磁波吸收剂、粘合剂混合后按涂料的方法加以使用；贴片型就是把吸收剂和基料混合后做成薄片，使用时把贴片粘贴于金属表面 [6,7]。
4. 舰船纳米声隐身材料的应用与研究
吸声和吸电磁波材料均应有较高耗能特性。吸波材料有较大选择余地，如金属、陶瓷、导电高分子和纳米材料等根据要求条件可选出磁损较大的材料。雷达和红外隐身技术是舰船电磁波隐身领域中研究的重点。除此之外，声隐身技术涉及舰船的安全和作战效能，对研究舰船的隐蔽性也十分重要。但目前吸声材料较为单一，选择余地太小，材料的tanδ不高，现在只能以增大体积和增大结构长度等来达到使用的要求[8]。由于纳米材料具有的奇特性能，已经应用于特种舰船涂料，如吸收雷达波涂层、红外隐身涂层及潜艇伪装涂料[9] 。因此，可以设想研制出性能优越的纳米吸声涂层，还可以尝试用纳米材料来改进现有的声学和阻尼材料的性能。
结论
纳米隐身材料的研究涉及物质的电磁性质、电磁波的传播和吸收、材料工艺、材料的力学性质和耐环境性等诸多领域，具有跨学科性[10]。在研究过程中要求运用电磁学和材料工艺学两方面的知识，因此要在研制隐身材料方面取得进展，必须依靠上述两方面专家的共同努力和通力合作。隐身性能良好的纳米隐身材料只是具有良好隐身效果的必要条件，同时还需要有良好的科学的舰艇总体涂覆方案，才能取得良好的效果。除需要对舰艇的结构和电磁波的作用机理进行详细的分析之外，还需要通过实艇的雷达散射截面积分析测试，为舰艇的总体涂覆提供依据。只有这样才能使我国舰船用纳米隐身材料的研究和应用取得长足进步。
参考文献
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[2]Xiang Yu, Shijian Zhu, Shuyong Liu. A new method for line spectra reduction similar to generalized synchronization of chaos. Journal of Sound and Vibration, 2007, (306):835-848
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[4]王宏,石岚. 红外、雷达隐身在舰船上的应用. 舰船电子工程,2004,(5):111-114
[5]Il Sung Seo, Woo Seok Chin, Dai Gil Lee. Characterization of electromagnetic properties of polymeric composite materials with free space method.Composite Structures,2004(66):533-542
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[9]韦璇,马玉璞,孙社营.舰船声隐身技术和材料的发展现状与展望.舰船科学技术,2006,28(6):22-27
[10]刘东晖,黄微波,刘培礼. 舰船用吸收雷达波涂料,涂料工业,1999,(7):37-70
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