2020, Vol. 42
2. 海军工程大学 舰船工程系，湖北 武汉 430033
2. Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China
舰船作为海军作战的主力之一，要求具备对抗敌方探测的能力。已知的目标特性探测制导手段中，雷达探测制导是舰船生存的主要威胁，随着现代雷达探测技术的快速发展，舰船被探测并命中的风险越来越大，其生存能力和作战能力受到严重的威胁[1]。为了提升舰船的生存能力和作战能力，舰船隐身已成为军舰防护技术发展的主流。目前，各国均在大力发展舰船隐身技术，雷达隐身复合材料作为隐身技术的有效手段之一，在舰船上的应用能够有效提高其隐身性能，显著提升舰船的生存能力和作战能力。
1 雷达隐身复合材料研究进展衡量雷达隐身性能的主要技术指标是雷达反射截面（RCS），影响RCS的因素主要是结构外形和材料2个方面。雷达隐身复合材料作为减小RCS的有效手段之一，是从材料甄选的角度出发，将吸波剂分散在复合材料中，进而实现雷达隐身效果。雷达隐身复合材料从结构上可分为层板型、夹芯型和新型雷达隐身复合材料等，其主要构成材料包括雷达吸波剂、树脂基体（环氧树脂、聚氨酯、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂等）、纤维增强体（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等）、夹芯材料（泡沫结构、蜂窝结构）和新型人工结构材料等。
1.1 层板型雷达隐身复合材料层板型雷达隐身复合材料可分为单层结构型和多层结构型2种。因单层结构设计局限性，多层结构相关研究和应用较为普遍。多层结构一般由阻抗匹配层、损耗层和反射层构成。阻抗匹配层为面层，通常采用低介电常数的高强度玻璃纤维或芳纶纤维增强树脂基体系制备。损耗层为中间层，通常选用高损耗电介质或磁介质材料。反射层为底层，一般选用金属基底或呈反射特性的碳纤维复合材料。层板型雷达隐身复合材料制备原则有2种：对损耗层周期性地叠加制备；对损耗层进行梯度设计[2]。
LIU等[3-4]通过设计优化，分别以低电阻率和高电阻率碳化硅纤维作为阻抗匹配层和损耗层，采用模压法制备成碳化硅织物/环氧树脂层板型雷达隐身复合材料。研究结果表明，多层结构吸波复合材料在2～18 GHz频段内反射率小于–10 dB的带宽达11.6 GHz，雷达隐身效果优异。DAVIRE M等[5-6, 27]研究了石墨、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管等碳基纳米结构树脂基多层复合材料的电磁吸波性能。结果表明，复合材料厚度为2.1cm时，在X波段雷达波损耗率超过99%。CHE等[7-8]研究了不同分散体加工方法对不同长径比的多壁碳纳米管/环氧多层复合材料吸波性能的影响。结果表明，球磨法制备的吸波复合材料在厚度2～3 mm，0.25～0.5wt%碳纳米管含量时，X波段工作带宽较宽，吸波效果也较好，最大吸收达18～25 dB。Chen等[9]利用碳纳米管和二氧化硅制备了多层梯度吸波材料，研究了不同碳纳米管含量梯度对复合材料吸波性能的影响。结果表明，在8～12 GHz范围内，多层梯度设计结构的吸波效果是单层结构的1.5倍。
SHEN等关于雷达隐身复合材料研究较多[10-17]，其主要研究方向为磁介质型吸波剂相关研究。文献[10]用BaFe12O19/α-Fe超细纤维和纳米晶超细纤维分别作为阻抗匹配层和微波吸收层制备了多层雷达隐身材料。结果表明，通过合理设计多层结构其小于–10 dB的吸收频带宽度可以达到10 GHz，在13.6 GHz处其反射率接近–40 dB。文献[16]研究了单层和双层Ni-Zn尖晶石铁氧体纳米纤维吸收剂的微波吸收特性。结果表明，双层吸收剂吸波性能更好，在厚度为3 mm时，最佳反射率为–115.9 dB，有效吸收（RL＜–10 dB）带宽为12.4 mm。SENG等[18]研究了多层稻壳/碳纳米管复合材料的吸波性能，通过对各层介电性能设计，在2～18 GHz最大吸收小于–20 dB。XU等[19]分别以聚苯胺（PANI）、PANI/Fe3O4复合材料作为阻抗匹配层和微波吸收层分析了不同结构对吸波性能的影响。结果表明，经过优化的多层结构小于–10 dB的吸收频带宽度为11.28 GHz，在33.72 GHz最大反射率可达–54 dB。
1.2 夹芯型雷达隐身复合材料夹芯型雷达隐身复合材料也称三明治型雷达隐身复合材料，该类材料是由2层蒙皮和一层中间芯层构成，表面蒙皮采纤维/树脂复合材料，具有良好的透波性，为阻抗层。夹芯层为吸波层，夹芯结构设计成各种结构或者填充纤维状、泡沫状、絮状、球状等各种吸波材料，以实现雷达隐身性能。目前，夹芯型雷达隐身复合材料结构主要有波纹板夹芯结构、角锥夹层结构和蜂窝夹芯结构等多种类型，具体结构如图1所示。
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图 1 雷达隐身复合材料夹芯结构示意图 Fig. 1 Sandwich structure of radar wave stealth composites |
夹芯型雷达隐身复合材料可通过袋压成型、模压成型、热压罐成型等工艺成型。波纹夹芯结构和角锥夹芯结构可用结构隐身材料制作，也可以在波纹板和角锥上涂覆隐身材料。波纹板夹芯结构和角锥夹芯结构都有利于雷达波的多重反射和吸收，也可根据实际雷达隐身要求调节波纹板和角锥的具体结构和吸波体厚度。
蜂窝夹芯结构研究相对成熟，可通过在蜂窝芯上涂覆吸波涂料、然后与表面蒙皮复合成型。蜂窝形状种类较多，如六边形、长方形、菱形和正方形等。其中蜂窝的规格尺寸和涂覆吸波材料体系决定了其吸波性能。宫元勋[20]研究了不同芳纶蜂窝夹芯结构对吸波性能的影响。仿真设计优化和试验验证表明，蜂窝厚度及夹芯结构对复合材料吸波性能影响明显。当厚度为14 mm时，夹芯结构在在2～18 GHz频率范围内反射率均低于–10 dB，在5.4～15.2 GHz频段内反射率都低于–15 dB。随后，还研究了PU泡沫多层阻抗渐变设计对夹芯结构吸波性能的影响[21]。当夹芯结构具有6个阻抗渐变吸收层时，在2～18 GHz频段反射率小于–10 dB。XIAO关于雷达吸波材料研究较多，主要研究方向为耐高温吸波复合材料，XIAO[22]利用短切碳化硅涂层碳纤维和α-Si3N4粉末制备的夹芯型复合材料，其在X波段的反射损耗值为–3.5 dB～–14.4 dB，且损耗值随频率增加而减小。ZHANG[23]研究了表面包覆碳粉基吸波材料的正六边形蜂窝芯夹芯结构的雷达隐身性能，结果表明夹芯结构的雷达隐身性能随蜂窝芯的密度和厚度变化而变化，在斜入射下仍保持良好的吸波效果，并特别指出入射角必须限制在45°范围内才有良好的雷达隐身效果，当入射角达到或超过55°时夹芯结构便失去雷达波吸收能力。之后，该课题组也研究了涂覆吸波材料的正六边形蜂窝芯和异形蜂窝芯所制备夹芯结构的雷达隐身性能[24]。结果表明，夹芯结构的吸波性能随蜂窝芯相对密度和厚度变化而变化，吸波效果良好，具有一定的承载功能，且异形蜂窝芯夹芯结构表现了良好的异形件成型效果。莫漫漫等[25]设计制备了1种PU泡沫夹芯结构复合材料，该复合材料在2～18 GHz频段内反射率均小于–12 dB，同时具有较好的耐温和耐湿热性能，有一定的工程应用价值。PANG[26]研究了泡沫夹芯结构在2.6～21 GHz频率范围的吸波性能，夹芯结构厚度为9.73 mm时，该频段内反射率小于–10 dB。且通过纤维柱阵列增强了夹芯结构的机械性能，有一定应用前景。
1.3 新型雷达隐身复合材料随着频率选择表面技术、超材料技术等各种新技术的不断发展与创新，已有学者开始了频率选择表面和超材料等新技术在雷达隐身领域运用的相关研究。
频率选择表面雷达隐身结构是将频率选择结构附着在复合材料表面，或者直接由复合材料制备而成的频率选择结构。其质量轻、力学性能良好，兼具雷达隐身和承载功能。ROBERTO[27]选用碳纳米粉、碳纳米纤维、石墨烯和碳纳米管作为频率选择表面，研究2～18 GHz范围内的吸波特性，并对海军领域应用进行了模拟。随后，又研究了钴、银、钛等其他新型纳米材料用于频率选择表面设计材料在2～10 GHz的吸波性能和潜在的应用领域[28]。WANG[29]研究了频率选择表面（FSS）薄膜和纤维增强塑料（FRP）所构成吸波结构的吸波性能和力学性能，其创新的缝合技术即保证了良好的吸波性能，也显著提高了吸波结构的力学性能。YANG等[30]研究了不同周期阵列和介质陶瓷复合材料构成的吸波结构。结果表明，含2层频率选择表面的吸波结构隐身效果较好，在7.0～8.7 GHz和9.2～14.8 GHz范围内，反射率都小于–10 dB。但是2层结构的厚度和质量有了一定的增加。为了改善复合材料在2～8 GHz吸波性能，Gill等[31]研究了环状、交叉偶极子和耶路撒冷十字形等多种频率选择表面结构的雷达隐身效果，结果表明，频率选择表面结构的使用对雷达隐身性能有着显著的改善效果。PANG[32]通过拓扑设计原则，设计了一种轻型超宽频的FSS吸波器，在6.68～26.08 GHz范围内反射率低于–10 dB。
超材料是按照特定排布周期构成的人工电磁媒质，其电磁特性取决于周期单元的结构、尺寸和排布等。目前研究较多的超材料有光子晶体、电超材料、磁超材料和左手材料等。超材料雷达隐身结构是一种常规材料所不具备超常性能的复合材料或者人工复合结构。SONG[33]研究了固定单元尺寸条件下，不同形状的结构单元叠加形成的超材料吸波体的吸波性能，该吸波体对极化不敏感，入射角为50°时在X波段的吸波性能仍能保持50%。PEI等[34]设计了一种高性能超材料，能在较宽频率范围和较大入射角范围有效减少RCS。该超材料由随机分布、不同尺寸的圆形谐振结构构成。SOMAK B等[35]对介质基板上的谐振单元进行设计优化，使得超材料吸波体在C和X波段吸波效果良好，在45°入射角时仍有较好的吸波性能，且厚度不到4 mm。谐振单元的排布方式是相关学者的研究重点。ZHU[36]利用金属-电介质多层复合材料设计了一种金字塔型单元阵列，该种超薄型的超材料吸波体可通过不同波导模式共振实现宽带响应。
XIAO[37]基于梯度设计思想，设计制作了具有网格结构的碳纤维/环氧复合材料吸波体，其在10～18 GHz 范围内反射率小于–10 dB。CHEN等[38]设计了一种新的超材料吸波结构，该结构厚度为2.2 mm，由硅橡胶/片状羰基铁粉复合材料构成，通过印刷电路板工艺制备成表面交叉阵列。测试结果表明，该结构在2.55～5.68 GHz范围内反射率小于–10 dB。此种方法选材和生产工艺相对成熟，但是不适合海洋高湿高热环境。YANG等[39]用TiO2/Al2O3复合材料制备成一定厚度的表面周期结构，通过结构优化，在厚度仅为1.7 mm时，该结构在8.2～18 GHz范围内反射率小于–10 dB。为了提高天线的隐身性能，TIAN等[40]设计了一种基于电磁谐振的超材料隐身结构，并将其附着在天线上以减小其RCS，结果表明其最大衰减能达28 dB。CHENG[41-42]研究了Fe/TiO2核壳结构纳米线阵列的微波吸收性能，结果表明TiO2结晶影响微波吸收性能，且在高频（10～15 GHz）吸波性能优异。PANG[43]设计了一种由多层金属和绝缘体构成的三维超材料吸收剂，实现了吸收、传输和集成性能一体化，在整个频段内几乎没有反射。三维阵列结构不仅能够实现宽带高吸收，大角度入射时也能高效吸收。此外，还有一些关于人工表面等离激元吸波结构的基础研究[44-46]。
虽然，近年来很多学者热衷于频率选择表面型雷达隐身结构和电磁超材料吸波结构的研究，但基本都属于基础研究，目前还难以工程化应用。
2 雷达隐身复合材料在舰船上的应用进展雷达隐身复合材料是在先进复合材料基础上发展起来的多功能复合材料，在舰船上的应用有如下显著优势：1）能够实现宽频高吸收的优良效果；2）有一定承载功能；3）有显著的轻量化效果；4）在海洋环境下耐腐蚀性优良，有效避免了传统吸波涂料或贴片吸收频段窄、质量重且耐腐蚀性差等问题。因此，雷达隐身复合材料在舰船上有着广阔的应用前景。
在舰船复合材料应用方面，美国的技术和规模都走在世界前列[47]，其雷达隐身复合材料在舰船上的应用也起步较早。21世纪美国最新一代的主力代表DDG1000级驱逐舰[48]、航母CVN77和航母CVN78[49]也都采用了雷达隐身复合材料。DDG1000驱逐舰（见图2）上层建筑甲板室和机库采用T700碳纤维/乙烯基树脂（溴化树脂）蒙皮和巴尔莎木芯的夹芯结构，其雷达隐身天线罩外层采用了高强度纤维增强层压结构材料，中间填充了夹芯材料，层间采用了频率选择材料层，在保证内部天线正常工作的同时，显著提高了舰船的隐身能力。其复合材料上层建筑具有质量轻、雷达隐身性能好、光顺性、耐腐蚀等优点。
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图 2 DDG1000驱逐舰（复合材料上层建筑） Fig. 2 Composite superstructure of DDG1000 |
俄罗斯20380型护卫舰上层建筑就已开始采用雷达隐身复合材料，该隐身复合材料由2层玻璃纤维面层和1层碳纤维中间层构成。22350级护卫舰上层建筑采用的雷达隐身复合材料结构为碳纤维/聚氯乙烯树脂结构，有效地减少了雷达波反射[50]。而复合材料鱼雷舰船体全部采用碳纤维复合材料等先进材料，并通过非接触真空浇铸工艺成型，其隐身性能高、耐腐蚀性能优越[51]。
英国海军45型驱逐舰上安装的集成桅杆采用了夹芯结构复合材料，具有雷达隐身性能好、重量轻等优点[52]。26型隐身护卫舰同样将大量采用先进的雷达隐身复合材料，该型舰计划于2020年后服役。
法国早期的“拉斐特”级护卫舰在甲板室、机库等部位都采用了复合材料，局部位置采用了先进的雷达隐身复合材料以达到减小RCS。其近海作战舰“追风”在上层建筑和桅杆也都采用了复合材料，如圆锥形雷达罩使用了一种新型的雷达隐身复合材料，在确保天线正常工作的同时，雷达隐身效果良好，且具有足够的强度。
1991年，瑞典成功研制了第1艘复合材料隐身试验艇Smyge号。该艇采用碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料技术和PVC泡沫夹芯结构建造，有一定的雷达隐身效果。“维斯比”级轻护卫舰是瑞典隐身舰艇的典型代表，该舰全舰采用复合材料，主要由碳纤维复合材料建造，外层是碳纤维/乙烯基酯树脂蒙皮，内层是聚氯乙烯泡沫。使用Kockums真空辅助三明治注入（KVASI）工艺成型，同时在舰体外表面还覆盖了频率选择铺面。雷达隐身复合材料的应用使得舰船整体重量减轻了30%，基本能够躲避所有雷达的探测，实现了高度的隐身性能，同时保证了一定的攻击性能[53]。
印度海军20世纪建造的第一型反潜隐身护卫舰“卡莫尔塔”级护卫舰共4艘，拥有良好的隐身性能[54]。其中，“吉尔坦”号和“卡瓦拉蒂”号护卫舰，都采用了碳纤维复合材料，不仅显著提高了雷达隐身能力，也明显减轻了护卫舰的总重量[55]。印度海军自主建造的“萨亚德里”号隐身护卫舰也采用了雷达隐身复合材料。
3 存在的问题从各国舰船雷达隐身复合材料的应用现状及近年相关研究进展分析，雷达隐身复合材料在舰船上的应用目前存在一些问题：
1）雷达隐身复合材料的研究及应用都是以特定波段为研究对象，且主要考虑小入射角威胁，其频段范围较窄。
2）雷达隐身复合材料相关基础研究不足，理论计算结果在实际应用中不能起到很好的指导作用。
3）虽然现有的雷达隐身复合材料减重效果明显，但多功能一体化程度不足，承载能力不能满足多层次的实际应用需求，只能作为次承载结构应用，且与红外隐身等其他功能一体化研究也需要深入开展。
4）现有的雷达隐身性能表征手段主要是在微波暗室测试缩比模型，该表征手段存在一定局限性，不能精确表征实际情况下的雷达隐身性能。虽然也已开始全船RCS测试相关研究，但从成本、系统性等各方面考虑，推广应用难度较大。
5）由于船舶行业特殊性，对所选材料都有严格的耐火安全性要求。雷达隐身复合材料的隐身性能和耐火安全匹配性存在一定问题，目前难以做到在保持很好雷达隐身性能的同时，又完全满足耐火安全要求。
6）海洋环境中的湿、热、太阳辐射和盐等环境条件苛刻，关于雷达隐身复合材料耐海洋环境性能和老化性能缺乏权威的数据支撑，相关基础研究也需逐步完善。
4 结 语我国雷达隐身复合材料发展相对较晚，在舰船上的应用尚处于起步阶段，雷达隐身复合材料作为舰船隐身重要手段之一，相对于传统涂覆型隐身材料而言，其大力发展具有现实的紧迫性和重要意义。结合舰船发展现状，我国舰船用雷达隐身复合材料未来发展包括以下几个方向：1）深层次实现宽频高吸收目标；2）多功能一体化，如兼具雷达隐身、红外隐身和结构承载等多种功能；3）进一步提高耐海洋环境性能，如提高雷达隐身复合材料的耐海水、耐雨淋、耐太阳辐射、耐盐雾及防腐性能。
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