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简介：随着探测技术和报警系统的发展，隐身技术已成为现代作战系统和军事装备的重要组成部分，技术和应用水平已成为制式装备的评价标准之一。
高速量产的F-35将是我国周边部署最多的五代机
根据国际标准化组织的ISO/TS 80004系列标准，纳米材料被定义为“在纳米尺度上具有任何外部尺寸的材料，或在纳米尺度上具有内部结构或表面结构的材料”，通常纳米尺度定义为“长度范围从大约1nm至100nm”。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。这些特性恰恰是相对宏观的传统材料所不具备的，因此为纳米材料在隐身材料领域的应用奠定了理论基础。
雷达隐身纳米材料
众所周知，目标的“可检测性”是受探测波长和目标物体的相对尺寸影响的。如果波长比物体短得多，则很容易获得雷达反射信号。纳米隐身材料中纳米尺寸粒子尺寸在10-10～10-7m范围，远小于普通探测雷达的波长，因此纳米材料对雷达波透过率比常规材料要强得多，这大大减少了雷达波的反射率，使探测仪器接受到的信号很微弱，从而达到雷达隐身效果。
除此之外，纳米材料的电磁性能也能吸收入射电磁波，进一步降低目标的雷达特征。从使用形式上而言，纳米雷达吸波材料属于隐身材料的一类，可以分为涂覆型和结构型两种。涂覆型雷达吸波材料（又叫雷达吸波涂层），是一种涂覆在武器装备表面，能将吸收的雷达波的电磁能转换成热能而耗散掉，或者使电磁波通过干涉相消，减小电磁波反射的吸波材料。
这类纳米隐身材料主要有：纳米金属及其合金隐身吸波材料，纳米金属氧化物隐身吸波材料，过渡金属硫化物纳米隐身吸波材料，纳米陶瓷隐身吸波材料，纳米导电聚合物、纳米金属与绝缘介质复合隐身吸波材料等。在目前的涂覆型隐身材料中，纳米材料在碳系、铁氧体和碳化硅体系中应用较为常见，国内外对此均有研究。
波兰西里西亚工业大学的Anna Kolanowska等人在From blackness to invisibility – carbon nanotubes role in the attenuation of and shielding from radio waves for stealth technology文中总结和评估了在CNT纳米复合材料/混合材料的生产和应用，这些材料作为关键的建筑民用和军用元素，优选作为涂层，薄膜，纺织品或面板，以降低电磁辐射。
期刊出版物中的不同波段基于碳纳米管的复合材料一览表
意大利罗马大学的A.G.D’Aloia等人研究了聚偏氟乙烯(PVDF)-石墨烯纳米复合涂层用于雷达波吸收的可行性。为此，实验开发了一种石墨烯纳米板填充PVDF涂层的生产工艺，并对所有样品都进行了形态、电学和电磁性质的表征。最后，在Ku波段测量了有效复介电常数，并用模拟结果预测了含有PVDF石墨烯涂层的雷达吸收板在介质基板上的反射系数。获得的结果表明，PVDF石墨烯纳米复合涂层可用于实现Ku波段的雷达吸收。
PVDF-石墨烯涂层制备路线
RC基材上的PVDF-石墨烯涂层，用于直流电表征
印度创新科学研究会纳米技术部的Kush Rana等人通过共沉淀法制备了组成x=0.4、0.8和1.0的BaCoxFe12-xO19组成的钴取代的M型钡纳米铁氧体。经过适当的热处理后，样品通过X射线衍射仪（XRD），场发射扫描电子显微镜（FESEM），傅立叶变换红外光谱（FTIR），拉曼光谱（RS）和矢量网络分析仪（VNA）进行表征。
XRD证实形成了纯的单相M型钡铁氧体，平均晶粒尺寸在65-85nm之间；FESEM证实形成了六角形的晶组，其平均晶粒尺寸在250-325nm范围内；466cm-1和580cm-1处的振动带确认了强的Me-O键；确认了在329cm-1和676cm-1处的拉曼振动模态以及强的Me-O键和M型钡铁氧体的形成。在12-18GHz的频率范围内测量介电常数和磁导率的实部和虚部来研究该组合物的电磁性能（Ku波段）。实验结果表明，在x=1.0时该组合物最大反射损耗为-45dB，这证明了其成为Ku波段雷达吸收材料（RAM）的可行性。
结构型吸波材料的吸波功能是通过微波吸收剂对电磁波进行损耗而实现的。微波吸收剂按照吸收机理可以分为电阻型、电介质型和磁介质型。电阻型吸收剂主要通过与电场的相互作用来吸收电磁波，将入射的电磁波能量转化为内能进而损耗电磁波。按吸波复合材料结构形式不同，结构吸波材料又可分为两类：层板型吸波材料和夹层型吸波材料。
伊斯坦布尔大学的Ali Durmus等人通过使用不同数量和类型的碳填料，炭黑（CB），石墨（G），碳纳米纤维（CNF）的溶液混合法制备了热塑性聚氨酯复合片材，对其形貌特征，介电性能和微波吸收性能进行了分析，并详细研究了多壁碳纳米管（MWCNT）。
实验采用透射线法，分别用扫描电子显微镜和矢量网络分析仪分析了复合材料的微观结构和吸波特性。复合材料的反射损失（RL）分析表明，CNF和CNT在改善低填充量板材的电磁波吸收性能方面比CB和G有效，发现具有3phr CNF的样品获得了最宽的有效吸收频段（EAA，10.03-12.96GHz）。
多层复合材料设计的示意图
但是，单层TPU/碳纤维复合板不是有效的雷达隐身材料，因为它们的RL值在X波段高于-10 dB。因此，通过遗传算法的方法，设计了多层（两层，三层和四层）复合结构，以在该频率范围内获得更高的微波吸收性能。多层设计和建模工作表明，总厚度为4.8mm的四层复合材料具有出色的微波吸收性能，在X波段的EAA为6.98–13.415GHz。
确定的多层结构设计及参数
沈阳航空航天大学的Qi Yu等人提出了一种有效的方法来制备由碳纤维/双马来酰亚胺复合材料组成的多层隐身复合材料，该复合材料包含碳包覆的Fe（Fe@C）/酚酞聚醚酮（PEK-C）纳米膜作为层间电磁吸收剂。实验进行了动态力学分析和层间剪切强度测试，以评估机械性能，特别研究了介电常数，磁导率和微波吸收特性。结果表明，雷达吸收结构材料（RASs）的最小反射损耗（RL）值在11.5GHz处，厚度为1.7mm处观察到-16.85dB，在9.7-16.7GHz处达到-10dB以上。随着厚度的增加。测得的RL值与计算出的RL值一致。
Fe@C/PEK-C纳米膜嵌入CF/BMI复合材料的多层混合结构
资料来源：沈阳航空航天大学
哈尔滨工业大学的Kou zhong Shi等人使用填充了多孔石墨烯的蜂窝结构，实验证明具有出色的雷达吸收性能。这种石墨烯基复合材料在8.8GHz时达到最大反射损耗（RL）为15dB，厚度仅为4.0mm，面密度为0.26kgm2。拉曼光谱证实了石墨烯的存在，并且扫描电子显微镜图像揭示了这些大的石墨烯薄片是如何排列成三维多孔结构的。
此外，还对没有蜂窝芯的整体式多孔石墨烯气凝胶及其RL模拟进行了比较，以揭示对映体的性能。这项工作表明，绝缘的蜂窝状结构增加了整个复合材料的表面特性阻抗，这主要有助于减少界面的全反射。
不同结构的蜂窝复合材料，电磁波入射模式的描述
资料来源：沈阳航空航天大学
红外隐身纳米材料
红外隐身材料技术是利用隔热、传热材料及低发射率涂层等方式，改变目标的红外辐射特征，从而使目标特征信号减弱。纳米粒子的比表面积比常规粒子体大3～4个数量级，对红外辐射的吸收率也比常规尺寸材料大得多，使之入射到内部的电磁波与隐身材料之间发生电导、高频介质、磁滞损耗，使之电磁波能量衰减，降低可探测性，从而使目标被红外探测设备观察到的概率及目标的可识别概率降低。
将纳米材料应用于纳米红外隐身涂层材料中，可以明显增强目标的红外隐身性能。研究发现，高介电常数的金属及半导体材料因其特殊的微观结构、颗粒形貌、取向分布等特点，使其能够有效反射电磁波，是最主要的低发射率材料。
飞行器红外特征明显的主要部位
美国威斯康星大学的Mohammad J.Moghimi等人将金属介电纳米结构和微型IR发射器集成并转移到薄的柔性基板上，以实现红外隐身。纳米结构吸收并散射宽范围的IR波长，从而在2.5到15.5μm的宽范围内将反射和透射降低到5％以下，从而显着衰减了向检测器传播的IR信号量。
实验结果表明，具有独特性能的纳米结构几乎可以完全掩盖物体的热辐射并将其融合到周围环境中。此外，与宽带吸收器热隔离的微型发射器可能会呈现错误的热成像图，从而欺骗红外探测器和热敏相机。
红外辐射图、“隐形片”、SiNWs和AgNPs
（a）自发辐射（黑体辐射）和大气传输窗口
（b）具有纳米级吸收剂，绝热层和微型发射极的金属薄片的示意图
（c）SiNWs表面SEM图像
（d）AgNPs表面SEM图像
低红外发射率的纤维膜由于其轻巧，柔韧性和多功能性等优点，有望在红外隐形服，背包和帐篷中应用。清华大学的K. Y. Fang等人通过静电纺丝技术，聚偏二氟乙烯（PVDF）和单壁碳纳米管（PVNT）改性的PVDF纤维膜（名为SWNT/PVDF）制备成功。PVDF和SWNT/PVDF的膜进一步用Au纳米粒子修饰，分别命名为Au-PVDF和Au-SWNT/PVDF。
薄膜的红外发射率在2-22μm波长范围内。红外发射率值按降序排列，对于PVDF，SWNT/PVDF，Au-PVDF和Au-SWNT/PVDF膜分别为0.82、0.77、0.76和0.68。结果表明，金纳米粒子修饰对降低PVDF或SWNT/PVDF纤维膜的红外发射率的有效性，使其有可能在红外隐身伪装中应用。
PVDF，Au-PVDF，SWNT/PVDF和Au-SWNT/PVDF纤维膜的红外发射率
资料来源：清华大学
声隐身纳米材料
声波隐身技术是通过调节目标的声波辐射特性，减少目标的噪声，从而减小被声波探测设备发现的概率，在舰艇、船舶的隐身技术中广泛应用。一般来说，填料能使高聚物的玻璃化温度上升，阻尼峰半宽温度增加，无机填料加入高聚物中可以具有更好的阻尼性能。其中，以纳米材料作为填料制备成的吸声阻尼聚合物复合材料是声波隐身材料中的重要研究方向。
美国海军“弗吉尼亚”级核动力攻击潜艇表面的消声瓦覆盖层
ZnO作为最具代表性的填料粒子，不仅其界面摩擦可以产生声能消耗，还可增大材料的自由体积，使声能消耗增加。ZnO晶须具有单晶体微纤结构，当单纤尖端部分的电荷聚集后，会形成较大的偶极矩，从而使能量更容易被吸收。
研究发现，四角针状ZnO晶须(T-ZnOw)有利于改善PU的分散性和界面性质，且T-ZnOw作为刚性粒子，更容易在体系中吸收声波，不仅可以通过振动、摩擦等方式将能量传递给PU主链，还能将能量传递给柔性链，有助于吸声性能的增强。将纳米纤维制成纳米纤维毡或纳米纤维薄膜，与纺织类的吸声材料进行复合，从而起到增强材料吸声性能的效果。
中国科技大学的钱玉洁等人实验研究了单壁碳纳米管对微穿孔板吸声体吸声性能的影响。使用单壁碳纳米管对传统的微穿孔板吸声体进行表面修饰，得到复合微穿孔板吸声体，在阻抗管中测量得到其垂直入射吸声系数，并与复合之前的实验结果进行对比发现，经单壁碳纳米管表面修饰后的复合微穿孔板吸声体的吸声性能在低频范围内有明显的改进，吸声系数最大可提高约39.6%。
对基于单壁碳纳米管表面修饰的复合微穿孔板吸声体的吸声机理进行探讨时发现，复合吸声体在微穿孔板吸声体共振吸声的基础上引入了单壁碳纳米管与微穿孔板界面的摩擦振动作用等辅助吸声机制使得其吸声性能变优。该研究结果为微纳复合吸声降噪结构的设计提供了研究思路。
微穿孔板的材料及结构参数
南通大学的姚理荣等人以DMF/Acetone混合溶剂溶解PU和PVDF，采用高压静电纺丝技术制备纳米纤维。实验通过调节纺丝液质量百分数及PU与PVDF共混配比制备不同规格的纳米纤维毡，对其形貌进行了表征。将纳米纤维毡和多孔泡沫复合后制成纳米纤维复合毡,并对其吸声性能进行了测试。结果表明：纳米纤维毡在中低频区域具有良好的吸声性能,吸声系数达0.5以上，PU与PVDF共混后，吸声性能得到明显改善。
纳米纤维毡微观形貌（DMF/Acetone=4:6，质量分数14%）
（A）PU纳米纤维毡；（B）PVDF纳米纤维毡
激光隐身纳米材料
激光隐身是针对0. 93μm、1.06μm、1.54μm、10.6μm等波长处激光的隐身，即通常所指的近红外和中红外波段。目前，常用激光探测器的探测频率主要在1.06μm和10.6μm两个波段，其中1.06μm作为激光器的主要工作波段，也是激光隐身研究的重点。激光隐身材料是指吸收激光信号，从而降低激光反射，还可以通过改变发射激光的频率，造成回波信号偏离，是激光隐身技术的重要手段之一。纳米材料因其透过率高、非线性特征、比表面积大等特点，使其具有很好的激光吸收特性，逐渐成为激光隐身材料中的研究热点
稀土材料因存在丰富的能级，可表现出不同的光谱特性，且在近红外光范围内具有很强的吸收性，利用稀土能级的跃迁可以实现对1. 06μm激光的隐身效果。半导体材料具有特殊的光、电、磁特性，其等离子波长取决于它的载流子浓度，通过掺杂控制其载流子浓度，从而使其在1.06μm附近产生强吸收。
中国兵器工业集团第五三研究所的贾增民等人介绍了含钐体系材料的制备、不同晶型、不同粒径、不同掺杂对反射率的影响，氧化钇，含镝等稀土材料在激光隐身中的应用。稀土材料因其独特的性能和丰富的能级，吸引了大批研究者的关注，利用其能级的跃迁来达到对特定波长激光的吸收是目前重要的研究内容。同时，不同类型的稀土纳米材料将成为兼容激光和其他波段隐身的重要材料。
中国有色金属学会学报刊载的张静等人采用SnCl4•5H2O和SbCl3共沉淀法制备了掺有不同Sb含量的锑锡氧化物（ATO）纳米粒子。通过XRD，FESEM，紫外可见光谱和激光表征了其微结构，形貌和反射率曲线，系统地研究了Sb含量对ATO纳米粒子的晶体结构，晶体尺寸和反射率曲线的影响。
结果表明，共沉淀法制备的ATO纳米粒子具有四方金红石结构，粒径分布范围为几十纳米。随着Sb含量的增加，ATO的晶粒尺寸减小，并且晶胞体积增加，而且与SnO2不含Sb的ATO纳米颗粒的1.06μm激光反射明显更低。随着Sb含量的增加，反射率先增大，然后减小；反之则减小。当Sb含量为20％时，ATO纳米粒子的1.06μm激光反射率低于0.02％，激光反射性能最佳。
多频段隐身纳米材料
随着光电探测技术的迅速发展，武装目标将不得不同时面对激光测距与制导以及红外、雷达、可见光成像的探测与制导的威胁，单一的激光、红外、雷达、可见光隐身材料都已很难起到真正的对抗作用。例如，激光和红外复合隐身是存在矛盾的。
因为激光隐身要求目标有低反射率、高吸收率，而红外隐身要求目标具有低发射率。根据基尔霍夫定律，不透明物体在热力学平衡条件下，其发射率和吸收率在数值上相等，因此在目标满足激光隐身要求的同时，对红外必然会“显形”。
而纳米隐身材料因其独特的光、电、磁和机械性能，成为了多频段隐身的热门材料。
德国海德堡大学的Z. Diao，M. Kraus等人研制了一种纳米结构的隐形表面，在一个波长范围内具有最小的反射率（<0.02％）和最大的透射率（>99.8％），覆盖可见光和近红外光。与用于近红外应用的多层薄膜涂层相比，该抗反射表面在更宽的波长范围内运行，具有机械稳定性以抵抗人的触摸或污染，并显示出44％的激光诱导损伤阈值，并且作为微透镜适用于弯曲界面。
纳米柱结构的制备
上图中，（a）使用BCML、化学沉积和RIE制备纳米颗粒的原理图；（b）BCML准备的样品的AFM图像；（c）无电生长15s（直径16.5±0.8nm）后，同一样品的AFM图像；（d）生长前（黑线）和15秒钟后（红线）的金颗粒横截面测量；（e）（f）（g）为两种不同的纳米柱阵列的SEM图像。
西北大学的Zhiyong Zhang和Manzhang Xu等人采用简单的水热法成功地大规模合成了SnO2@ZnO纳米结构。SnO2纳米线以六倍对称性在ZnO纳米棒的非极化平面上外延生长。实验研究了分级SnO2@ZnO纳米结构的雷达波吸收和红外发射特性。与ZnO或SnO2相比，分层的SnO2 @ ZnO纳米结构显示出出色的雷达和红外兼容隐身性能。
最小RL在9.2 GHz带宽为3.5 GHz时约为-23.51dB。中红外波段和远红外波段的平均红外发射率分别约为0.65和0.89。分级的SnO2 @ ZnO纳米结构可以用作具有良好吸收，宽带和良好相容性的有希望的雷达和红外兼容隐身材料。这些结果为设计新型高性能雷达和红外兼容隐身材料铺平了道路。
ZnO，SnO2和SnO2@ ZnO的ε′（a）和ε′′（b）的频率依赖性
总结：单一的隐身材料已不能满足现代战争的需要，随着各波段先进探测设备的应用，隐身材料正朝着能够兼容米波、厘米波、毫米波、红外、激光等多波段电磁波隐身的多频谱隐身材料方向发展，研究纳米隐身材料对实现多频段高效率隐身有着重要意义，也对我军装备性能的进一步提升发挥极大作用。
来源：高端装备产业研究中心