隐身技术与纳米材料

  摘要：本文对纳米技术及纳米材料进行了综述，重点对纳米材料的特性以及纳米复合材料隐身技术上的应用进行了介绍。 同时对纳米复合材料的研究前 景进行望展望！

1.纳米材料简介 1.纳米材料简介

     把组成相或晶粒结构的尺寸控制在 100nm 以下的具有特殊功能的材料称为 纳米材料。 即三维空间中至少有一维尺寸小于 100nm 的材料或由它们作为基本单 元构成的具有特殊功能的材料。这大约相当 10～100 个原子紧密排列在一起的 尺度。 纳米磁性材料是 20 世纪 80 年代出现的一种新型磁性材料。纳米材料 结构单元的尺寸介于 1 纳米～100 纳米范围之间， 由于它的尺寸已经接近电 子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变 化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此 其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不 同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改 用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由 10 微 米降至 10 纳米时，其粒径虽改变为 1000 倍，但换算成体积时则将有 10 的 9 次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。 纳米粒子的粒径（10～100nm）小于光波的长，因此将与入射光产生复 杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金 属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强 烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒 子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这 类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性 原子。  

2.纳米材料的特性 2. 纳米材料的特性

（1）表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大 后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为 10nm 时，微粒包含 4000 个原 子，表面原子占 40%；粒子直径为 1nm 时，微粒包含有 30 个原子，表面原 子占 99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直 径为 10 纳米和 5 纳米时，比表面积分别为 90 米 2/克和 180 米 2/克。如此 高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧， 无机纳米粒子会吸附气体等等。 

（2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏， 从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如， 铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在 20 纳米时 却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还 要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外 又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。

 （3）量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分 裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或 超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、 热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强， 在 1.1365 千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。

 （4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等 也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳 米粒子的宏观量子隧道效应。 基于纳米材料的诸多特性，纳米材料成为一种最具有市场应用潜力的 新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑。纳米材料在医学，环境，军事以及家电行业，电子工业，计算机产业，纺织工业，机械工业等民用产业 方面具有重要用途。本文主要介绍其在军事上的用途。3.纳米材料与隐身技术 

3. 纳米材料与隐身技术 

隐身技术始于第二次世界大战。 隐身技术作为提高武器系统生存能力和突防 能力的有效手段，已成为集陆、海、空、天、电五维一体的现代战争中极为 重要和有效突防的战术技术手段，被当今世界各国视为重点开发的军事高新技 术，尤其是随着雷达探测技术的发展，原有的隐身技术面临着很大的挑战，迫切 需要厚度薄、质量轻、频带宽、多功能的新型隐身材料。 隐身材料是隐身技术发展的关键方面之一。近几年来，对纳米材料的研究不 断深入，证明纳米材料具有极好的吸波性能，纳米材料现已受到各主要国家的高 度重视，并把其作为新一代隐身材料进行探索与研究。

纳米吸波材料

纳米吸波材料具有极好的吸波特性，同时具备吸波频带宽、兼容性好、质量 轻和厚度薄等特点。纳米粒子对红外和电磁波有强烈的吸收能力主要原因有两 点，一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米粒子材料对这 种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少了波的反射率，使得红外探测 器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的目的。另外一方面，纳 米微粒材料的比表面积比常规粗粉大了3～4个数量级， 对电磁波的吸收率也比常 规材料大得多， 这就使得红外本文受国家航天创新基金资助探测器及雷达得到的 反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到隐身作用。金属、金属 氧化物和某些非金属材料的纳米级超细粉在细化过程中， 处于表面的原子数越来 越多，增加了纳米粒子的活性。在微波场的辐射下，原子和电子运动加剧，促使 磁化，使电子能转化为热能，从而增加了对电磁波的吸收。美国研制出的“超黑 粉”纳米吸波材料，对雷达波的吸收率大于99%。目前，隐身材料虽在很多方面 都有广阔的应用前景， 但当前真正发挥作用的隐身材料大多使用在与航空航天或 军事有密切关系的部件上。对于上天的材料有个重要的要求是重量轻，在这方面 纳米材料是有优势的， 特别是由轻元素组成的纳米材料在航空隐身材料中应用十 分广泛。

纳米技术在吸波材料的以下几个方面有突出作用

 一、 改性原有基体材料与损耗介质材料的性质

根据吸波机理的不同， 吸波材料中的损耗介质可以分为电损耗型和磁损耗型 两大类。其中电损耗型介质有导电性石墨、碳化硅粉末或碳化硅纤维、特种碳纤 维、碳粒、金属短纤维、钛酸钡陶瓷体和各种导电性高聚物等。其主要特点是具 有较高的电损耗正切角，依靠介质的电子极化或界面极化衰减。吸收电磁波。磁 损耗型介质包括各种铁氧体粉、羰基铁粉、超细金属粉和纳米相材料等，具有较 高的磁损耗正切角，依靠磁滞损耗、畴壁共振和后效损耗等磁极化衰减吸收波。 当这些粒子的尺寸进人纳米级别后，相应的多畴变成单畴，使得这些粒子的物性 呈现了独特的吸波性能。研究表明，10～25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏 观材料大1000倍。对于陶瓷材料而言，当它到达纳米尺寸时，表现出了高韧性， 高热强，高塑性等平时欠缺的特性。所以纳米技术的应用使这些吸收剂的吸波性 能有很大提高。 

二、 纳米复合物

各种材料具有不同的吸波特性，适应不同的波段，而目前吸波材料的一个主 要研究方向就是多频率。所以如果能复合这些材料，会使吸波材料的应用范围大 大加宽。这些材料并不是无机相与有机相的的简单加合，两相界面间只存在较强 或较弱的化学键。它们的复合将实现集无机、有机、纳米粒子的诸多特异性质于 一身的新材料。特别是无机和有机的界面特性使其具有更广阔的应用前景。有机 材料优异的光学性质、高弹性和韧性，以及易加工性，可改善无机材料的脆性； 更主要的是，有机物的存在可以提供一个优异的载体环境，提高纳米极无机相的 稳定性，从而实现其独特的微观控制，在光电磁催化等方面的特性能得到更好的 发挥，甚至可能产生奇异特性的新型材料。 然而单纯的无机纳米粒子是不易分散于有机物中的， 有机物与无机粒子之间 常有严重的相分离现象。有机无机相间应存在较强的相互作用，才能较好的利用 有机基质来防止无机纳米微粒的团聚，使纳米微粒能长期稳定的存在。所以制备 复合吸波材料并不仅仅是无机相和有机相单独的纳米技术， 更主要的是复合的纳 米技术。 材料的分子设计十分重要。 近年来发展建立起来的制备方法也多种多样， 可大致归为四大类：纳米单元与高分子直接共混；在高分子基体中原位生成纳米

单元；在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子；纳米单元和高分子同时 生成。 各种制备纳米复合材料方法的核心思想都是要对复合体系中纳米单元的自 身几何参数、空间分布参数和体积分数等进行有效的控制，尤其是要通过对制备 条件(空间条件、反应动力学因素、热力学因素等)的控制，以保证体系的某 一组成相一维尺寸至少在纳米尺度范围内(即控制纳米单元的初级结构)， 其次是 考虑控制纳米单元聚集体的次级结构。

纳米复合材料

<一>.纳米复合隐身材料的隐身机理：

 由于纳米材料的结构尺寸在纳米数量级， 物质的量子尺寸效应和表面效应等 方面对材料性能有重要影响。隐身材料按其吸波机制可分为电损耗型与磁损耗 型。电损耗型隐身材料包括SiC粉末、SiC纤维、金属短纤维、钛酸钡陶瓷体、导 电高聚物以及导电石墨粉等；磁损耗型隐身材料包括铁氧体粉、羟基铁粉、超细 金属粉或纳米相材料等。下面分别以纳米金属粉体（如Fe、Ni等）与纳米Si/C/N 粉体为例，具体分析磁损耗型与电损耗型纳米隐身材料的吸波机理。 金属粉体（如Fe、Ni等）随着颗粒尺寸的减小，特别是达到纳米级后，电导 率很低，材料的比饱和磁化强度下降，但磁化率和矫顽力急剧上升。其在细化过 程中，处于表面的原子数越来越多，增大了纳米材料的活性，因此在一定波段电 磁波的辐射下，原子、电子运动加剧，促进磁化，使电磁能转化为热能，从而增 加了材料的吸波性能。一般认为，其对电磁波能量的吸收由晶格电场热振动引起 的电子散射、 杂质和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 种效应来决定。 纳米Si/C/N粉体的吸波机理与其结构密切相关。 但目前对其结构的研究并没 有得出确切结论，本文仅以M.Suzuki等人对激光诱导SiH4+C2H4+NH3气相合成

的 纳米Si/C/N粉体所提出的Si（C）N固溶体结构模型来作说明。其理论认为，在纳 米Si/C/N粉体中固溶了N，存在Si（N）C固溶体，而这些判断也得到了实验的证 实。固溶的N原子在SiC晶格中取代C原子的位置而形成带电缺陷。在正常的SiC 晶格中，每个碳原子与四个相邻的硅原子以共价键连接，同样每个硅原子也与周 围的四个碳原子形成共价键。当N原子取代C原子进入SiC后，由于N只有三价，只 能与三个Si原子成键，而另外的一个Si原子将剩余一个不能成键的价电子。由于

     原子的热运动，这个电子可以在N原子周围的四个Si原子上运动，从一个Si原子 上跳跃到另一个Si原子上。在跳跃过程中要克服一定势垒，但不能脱离这四个Si 原子组成的小区域，因此，这个电子可以称为“准自由电子”。在电磁场中，此 “准自由电子”在小区域内的位置随电磁场的方向而变化，导致电子位移。电子 位移的驰豫是损耗电磁波能量的主要原因。 带电缺陷从一个平衡位置跃迁到另一 个平衡位置，相当于电矩的转向过程，在此过程中电矩因与周围粒子发生碰撞而 受阻，从而运动滞后于电场，出现强烈的极化驰豫。 纳米复合隐身材料因为具有很高的对电磁波的吸收特性， 已经引起了各国研 究人员的极度重视，而与其相关的探索与研究工作也已经在多国展开。尽管目前 工程化研究仍然不成熟，实际应用未见报道，但其已成为隐身材料重点研究方向 之一，今后的发展前景一片光明。而其一旦应用于实际产品，也必将会对各国的 政治、经济、军事等多方面产生巨大影响

。<二>.纳米复合隐身材料的复合新技术：

 隐身材料按其吸波机制可分为电损耗型与磁损耗型。 电损耗型隐身材料包括 SiC粉末、 SiC纤维、 金属短纤维、 钛酸钡陶瓷体、 导电高聚物以及导电石墨粉等； 磁损耗型隐身材料包括铁氧体粉、羟基铁粉、超细金属粉或纳米相材料等。运用 复合技术对这些材料进行纳米尺度上的复合便可得到吸波性能大为提高的纳米 复合隐身材料。近年来，纳米复合隐身材料的制备新技术发展的很迅速，这些新 的复合技术主要包括一下几种： a) 以在材料合成过程中于基体中产生弥散相且与母体有良好相容性、无重 复污染为特点的原位复合技术。 b) 以自放热、自洁净和高活性、亚稳结构产物为特点的自蔓延复合技术。 c) 以组分、结构及性能渐变为特点的梯度复合技术。 d) 以携带电荷基体通过交替的静电引力来形成层状高密度、纳米级均匀分 散材料为特点的分子自组装技术。 e) 依靠分子识别现象进行有序堆积而形成超分子结构的超分子复合技术。 材料的性能与组织结构有密切关系。与其他类型的材料相比，复合材料的物 相之间有更加明显并成规律化的几何排列与空间结构属性， 因此复合材料具有更 加广泛的结构可设计性。 纳米隐身符合材料因综合了纳米材料与复合材料两者的

    优点而具有良好的对电磁波的吸收特性， 已经成为目前各主要国家材料科技界人 士争相研究的热点之一。<三>.纳米复合隐身材料研究的前景展望： （1）宽频化。目前的反雷达探测隐身技术主要是针对厘米波段雷达，覆盖 的频率段有限。例如，谐振型吸波材料只能吸收一种或几种频率的雷达波，介电 型吸波材料与磁性吸波材料主要覆盖范围大致分别在厘米波段的低端和高端。 而 近年来随着先进红外/紫外探测器，米波段雷达，毫米波段雷达等新型先进探测 器的相继问世，以及随之而来的装备使用，给原有的隐身手段提出了新的严 峻挑战。这就要求隐身材料具备宽频带吸波特性，即用同一种隐身材料对抗多种 波段的电磁波源的探测。 （2）复合化。根据目前吸波材料的发展状况，一种类型的材料很难满足日 益提高的隐身技术所提出的“薄、轻、宽、强”的综合要求，因此需要将多种吸 波材料进行多种形式的复合来获得最佳隐身效果，如铁磁性Mn－Zn、 Ni－Zn铁 氧体与铁电性BaTiO3复合，能够极大的提高吸波性能[12,13]；也可以采用有机 －无机纳米材料复合技术， 这种方法能很方便的调节复合物的电磁参数以达到阻 抗匹配的要求，而且可以大大减轻质量，可望成为今后吸波材料研究与发展的重 点方向。 （3）低维化。人们为探索新的吸收机理和进一步提高吸波性能，已经日益 重视研究纳米颗粒、纤维、薄膜等低维材料。研究对象集中在磁性纳米粒子、纳 米纤维、颗粒膜与多层膜等方面，这些低维材料具有吸收频带宽、兼容性好、吸 收率高、比重轻等多方面优点，是隐身材料发展中极具潜力的一个方向。 （4）智能化。所谓智能型材料是指具有感知功能、信息处理功能、自我指 令并能对信号作出最佳响应功能的材料与结构。目前在航空航天领域内，这种材 料正得到越来越广泛的应用， 如现在正处于实验室研究阶段的飞行器自适应蒙皮 技术，就要求蒙皮材料对气流的流态做出响应，以自身形变调整与气流接触面的 形状，达到最适应当前气流流态的效果。此类的材料的潜在价值不可估量，其已 经成为材料科学研究中一个主要方向。