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高分子材料在智能隐身技术中的应用


高分子材料在智能隐身技术中的应用
引言
随着军用探测技术的迅速发展,军事目标面临着各种雷达探测系统、红外探测系统以及 光学观测系统日趋严重的威胁, 导弹技术的发展使目标几乎处于 “被发现即等于被命中摧毁” 的程度,因此,提高军事目标的生存能力,降低被探测和发现的概率,对于现代战争来说, 具有十分重要的意义。2O 世纪 80 年代末,美国和日本科学家首先提出了智

能材料的概念 【1】 ,智能材料是一种能从自身表层或内部获取关于环境条件及其变化信息, 。

进行判断、处理和反应,以改变自身结构与功能并使其很好的与外界协调,具 有自适应的材料系统,在武器装备隐身化和新军事变革的大背景下,智能隐身 材料的研究得到了各国的高度重视。区别于传统的外加式隐身和内在式雷达波隐身思
路设计,为隐身材料的发展和设计提供了崭新的思路,是隐身技术发展的必然趋势【2】 ,高 分子聚合物材料以其可在微观体系即分子水平上对材料进行设计、 通过化学键、 氢键等组装 而成具有多种智能特性而成为智能隐身领域的一个重要发展方向。 本文简述了高分子材料在 雷达波、红外、可见光智能隐身方面的应用和研究情况。

雷达波智能隐身材料
雷达是迄今为止最主要和有效的远程电子探测设备,随着雷达技术的改进和发展,现代 雷达对各种 军用目标构成了致命的威胁, 雷达波隐身仍然是目前 隐身技术发展的重点, 雷 达波智能隐身是雷达波隐身发展的一个重要方向。 据报道, 用智能纤维增强的一种导电聚合物作为隐身的结构材料在雷达波智能隐身中已得到 应用,不仅降低了雷达散射的截面,而且使飞机的质量减轻 50%,并对声波也具有良好的 隐身效果。英国谢菲尔德大学研制的一种成分 PANi.HBF4,PEO(poly—ethylene—oxide), 银: (12% , 质量分数)和 AgBF (12% , 质量分数)的导电聚合物 【3】 对于含 40%PANi. , HBF 的导电聚合物, 该导电聚合物能够作为动态自适应雷达吸波材料, 其本质在于对其施加电压 后 其电 磁参数 可以 调节, 其原 理是一 旦对导 电聚 合物 施加电 压后会 发生 如下 反应:

PANiHBF ? Ag ? PANiH ? AgBF 其中左边易导电,右边不易导电,施加电场后向易 . .
导电的方向发展。如下图所示:

红外智能隐身材料
随着红外探测技术的不断进步以及背景环境的快速变化,传统意义的红外伪装即单一被 动抑制目标红外辐射、改变辐射特性已经越来越不能适应现代战 场的要求,对红外隐身材 料的研究也在不断发展,尤其是在动态红外智能隐身材料研究方面。 1995 年,P.Chandrasekhar 对导电高分子电致变色材料的红外发射性能进行了研究,发现 在中远红 外宽频范围(0.4~45 μm)具有可控的红外发射率变化(0.3~0.7) 以适应背景 , 的红外发射率,实现动态红外 伪装。 美国陆军应用导电高分子电致变色材料(PEDT/ PPS)制作士兵服装,使士兵能够在夜间 不被对方的探测器发现。针对舰船、坦克、车辆等武器装备在不同环境下的伪装要求,采用 导电高分子电致变色涂层(聚苯胺 / 聚二苯胺涂层) ,利用其红外发射率不同而达到夜间或 白天红外伪装的目的。此种材料还可使武器装备表面涂层呈现不同的可见光迷彩伪装效果。 红外智能隐身材料工作原理: 系统采用双红外传感器分别采集目标和环境的红外辐射特征 信号,感知自身和环境的差异;采用微处理器对感知信号进行分析处理;再用电致变温材料 作为驱动系统与光学伪装材料相互依着, 从而控制伪装材料温度使其与环境温度相适应。 红 外智能隐身材料系统是信号采集、 处理以及驱动系统融为一体, 并和伪装材料相结合的材料 系统,当环境辐射特性变化时,材料辐射特性也跟着相应变化,使目标混杂于环境中难于分 辨,从而实现各种环境下的自适应隐身。图1为隐身材料系统的简化结构图【4】 。

可见光智能隐身材料
为了提高目标在可见光背景下的伪装能力, 有些国家致力于伪装材料在可见光背景下的环 境自适应技术研究, 其中电致、 光致变色高分子材料成为可见光智能隐身的一个重要研究方 向。 据报道,美国空军研究了一种导电聚苯胺复合材料,可用于调节飞机蒙皮的亮度和颜色, 它是通过安装在飞机各个侧面的可见光传感器控制它的光电等特性, 在不加电时, 它是透光 的,在加电时,可同时改变亮度和颜色,使用这种蒙皮的飞机,在飞行中从上往下看,它的 上部颜色与它下面地表的主体颜色相近,从下往上看,它的底部颜色与太空背景一致,而且 蒙皮加电时,能够散射雷达波,使跟踪雷达的探测距离缩短一半以上。美国佛罗里达大学研

制出一种电致变色聚合物材料, 将这种材料制成薄板覆盖在目标表面, 板在加电时能发光并 改变颜色,在不同电压的控制下会发出蓝、灰、白等不同颜色的光,必要时还可产生淡淡不 同的色调,以便与太空的色调相一致,能够消除目标与背景的色差,达到可见光隐身的效果 【5】 。 美国研制出一种电致变色高分子材料可用于可见光伪装智能材料, 据称, 在聚氨酯分子中 嵌入高活性的丁二炔链段,在适当的条件下,丁二炔聚合成聚丁二炔,形成具有自由电子的 共轭结构,从而改变了整个材料的颜色和光强度,在此基础上,在材料系统中加入传感器和 控制器, 使用带有 SiC 光探测器的窄带通滤波器可以识别环境的波长和光强度, 再将输出信 号经模拟数字转换器传输给微处理器进行识别和数据处理, 并发出控制指令以改变材料的颜 色和强度,从而达到智能隐身的效果【6】 。 目前正在研究的可用于可见光智能隐身的光致变色高分子材料主要还有: 含硫卡巴腙配合 物的光致变色高分子材料; 含偶氮苯的光致变色高分子材料; 含螺苯并吡喃的光致变色高分 子材料;氧化还原型光致变色高分子材料【6】 。

结束语
随着材料科学的发展,智能隐身材料将会是一个重要的发展方向,从相关研究可以看出, 利用其导电、颜色、温度等方面的可控性,高分子材料在雷达波智能隐身、红外智能隐身、 可见光智能隐身方面已经得到了很好的应用, 可以预计, 高分子材料在智能隐身技术领域将 有非常好的发展前景,而且,利用其电磁特性或温度可调控的特点,全波段兼容智能隐身也 已经成为高分子材料智能隐身的下一个发展趋势。 【1】 姜德生,Riehardo.Claus.智能材料器件结构与应用[M].武汉:武汉工业大学出 版社,2000.2. 【2】 王向伟,杜新瑜.自适应隐身材料的研究与发展[J].功能材料,2006,37(增刊): 1135~1137 【3】 Barnes A,Despotakis A,et a/.Control of microwaverefleetivities of polymer electrolyte-·silver-·polyanilinecomposite materials[J].Electrochimica Acta,2000, 43(10~11):1629~1632 【4】 张升康, 陈重, 冯来, 崔正勤. 表面控温红外智能隐身材料系统的研制. 表面技术. 第 33 卷 第一期 62~63 【5】 卢志环.智能材料系统的原理和应用[J] .宇航材料工艺,1998,28(5):45 【6】 苗秀梅, 功能高分子材料在伪装防护中的应用[J]. 等. 光电技术应用, 2007, 22(4): 8一l


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