当前位置： 经济学原理 > 经济学原理课本 > 中国先进隐身涂层亮相航展
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来源：云上的空母
9月19日，在第十七届北京航展上，石墨烯产品成为了众人瞩目的焦点，展会上展示了我国自行研制的五代机石墨烯吸波条，而这一材料很可能就是歼-20机身用隐身材料。以这样公开的方式展出该产品，可见我国国防工业自信正在稳步提高。
这次展示出来的石墨烯材料并没有性能介绍，但大概可以根据隐身材料的一般特性来推断。雷达吸波材料是通过吸收入射雷达波的能量来减少反射回雷达波的能量。与电流通过电阻时电能被转换为热能耗散在空中一样，雷达波能量通过吸波材料也会被转换为欧姆损耗吸收掉。因为照射在飞机上的雷达波只是辐射能量的极少一部分，不会出现机体蒙皮被加热的情况。
吸波材料按照电磁损耗的机理分为电吸收吸波材料和磁吸收吸波材料。电吸收吸波材料的吸收剂大多采用导电炭黑或者石墨。而磁吸收吸波材料则通常采用铁氧化物。显然，这次北京航展展出的是电吸收吸波而非磁吸收。
按照吸波材料的吸收带宽可分为宽带类和窄带类。窄带吸波材料又称谐振式吸波材料，往往只能在一个和多个离散频率上才能实现吸波，如果对方的雷达具备较宽的频率捷变能力或者多部不同频率雷达组合探测，这种材料就会失去作用。宽带吸波材料通常由吸波材料单元组合而成，使之在一个较宽的频段内具备吸波能力，虽然在非常高和非常低的频段也不能隐身，但由于这些频段雷达本身探测目标存在问题，因此也能起到一定的隐身作用。目前尚不知北京航展展出的五代机石墨烯吸波条频段覆盖范围，这种数据因太敏感，估计也不会被公布。
吸波材料还可以按照使用方式分为两种：一是表面涂敷型，一般涂敷在机体表面的金属部分吸收雷达波；二是结构型，即该材料是机体的重要组成部分，一般直接用于制造飞行器前缘、腹鳍等具有承力作用又需要吸波的部分。这次北京航展展出的五代机石墨烯吸波条就是第二类。歼-20和机翼前缘和腹鳍等位置估计已经使用，可以有效减少边缘绕射。
该材料还可以被用于轰-20的机翼前缘生产，因为轰-20本身必然采取B-2式飞镖隐身结构，正面观察就是一条粗直线，结构隐身性能优于战斗机结构。而同时轰-20的机翼前缘必然很厚，这使得该材料能够吸收足够的多的雷达波。两个因素联合起来让轰-20的隐身能力很可能超过F-22。美国官方公布的数据中，B-2的隐身能力就比F-22强，下图即是B-2使用两种隐身材料的示意图，绿色为隐身结构，灰色为涂敷型隐身材料。
为了将雷达波引入吸波材料并将其能量损耗掉，吸波材料一般要具有两个特性，阻抗匹配特性和衰减特性。阻抗匹配特性就是指要创造一定的条件使得雷达波在吸波材料表面反射率最小，尽可能少的反射雷达波，尽可能多的进入吸波材料内部。衰减特性就是吸波材料在内部损耗雷达波能量的能力。
要使得雷达波完全被吸入，即具有完美的阻抗匹配特性非常困难，这需要吸波材料的相对介电常数和相对磁导率相等，寻找这种材料非常困难，目前科学家只能寻找到两个参数比较匹配的材料，尽可能多的吸入雷达波。
要增加吸波材料的的衰减特性必须同时提高介质的电导率和磁导率，往往采取增加电导率的方法，但当材料电导率增加时，材料的阻抗匹配特性很差，即材料能吸收很多雷达波，但也会反射回去更多雷达波。为此就必须找一个比较中间数值电导率的材料，最后科学家们选择了碳（石墨烯也是碳）。
为了增加碳材料的吸收能力，科学家们还将碳材料做成一定几何体形状，增加吸收雷达波的面积，下图所示这种结构是最常用的几何形状，雷达波一旦入射到这种形状后，会被尖劈多次反射，造成多次吸收，大大增强吸收效果。尖劈的高度要让对手雷达的波长来定，一般为了反射较多的电磁波，尖劈的高度不能超过1倍波长，但要达到非常高的吸收率，就必须增加尖劈高度达到7-10倍波长，显然，过大过小都是不合理的。如果仅考虑吸收能力，而对手使用的是UHF波段雷达，那么隐身材料岂不是要厚达一米？
总的来说，针对机载火控雷达所在的X波段，碳材料的吸波能力在-20db～-30db之间，我国在北京航展展出的这款材料也不会超过这一数值，能将RCS降低到原来的1/～1/之间，这已经相当不错了。
军事装备之尖端材料技术一览来源：汉唐联合科技
21世纪是军事的世纪。在未来战争中，人类将在空间展开一场前所未有的、以开发利用空间丰富资源和争夺制天、制地、制海权为主要内容的大竞争，军用武器装备将会得到迅速发展。
新材料之王碳纤维是军事强国的必争之材
现代信息化战争既是高技术装备之战，也是高性能材料之战。碳纤维性能优异，外柔内刚，兼具电学、热学和力学等综合特性。它强度高、韧性好，可大幅提升现代武器装备系统作战性能。有着低密度、高强度、高模量、耐高温、耐严寒、耐摩擦、耐腐蚀、导电、抗冲击、电磁屏蔽效果好等一系列优越的性能，除了在民用工业（例如汽车制造、机械配件、体育用品、高铁零件等）有广泛的使用，也是极其重要的军事战略材料。
20世纪50年代初，美苏冷战，为解决武器隔热问题，美国开始研制碳纤维材料并得到应用。现在的军事领域，碳纤维主要用于制造战斗机、无人机、隐身材料、导弹隔热部件、装甲外壳、电磁屏蔽部件等。例如法国的“阵风”战斗机，它的机身、机翼、垂直安定面、升降副翼都采用了这种高性能材料，用量占到总结构材料的24%。英国的“台风”战机，全机表面70%使用了碳纤维复合材料。
国内碳纤维行业发展较晚，不过在国家政策的支持和经济发展的带动下，军工领域碳纤维材料的用量越来越多了。十三五计划中，更把碳纤维列为重点发展对象。
随着时代发展，军事材料正在向隐身、低能耗、高机动性方向发展，对于碳纤维材料的要求也越来越高。值得庆幸的是，碳纤维的性能有巨大的提升空间和潜力，作为军事强国的必争之材，需求量还将进一步上涨。
“黑色黄金”碳纤维起源可追溯至年，由英国人瑟夫·斯旺在制作电灯灯丝中发明并获得专利。它是一种纤维状碳材料，呈黑色，质坚硬，是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温，又能像铜那样导电，具有电学、热学和力学等综合优异性能的新型材料，因其制造技术难度大、实用价值高，被业界誉为“黑色黄金”。
碳纤维“外柔内刚”，不仅具有碳材料的本质特性，又兼备纺织纤维的柔软和可加工性，是新一代高性能增强纤维。比头发丝还细几倍的碳纤维与树脂、碳、陶瓷、金属等基体经过特殊复合成型工艺制造，即可获得性能优异的碳纤维复合材料，能够广泛应用于航空、航天、能源、交通、军用装备等众多领域，是国防军工和民用生产生活的重要材料。
难上难制造工艺复杂精细20世纪50年代，为了解决导弹喷管和弹头耐高温、耐腐蚀等关键技术难题，美国率先研制出粘胶基碳纤维。年，日本近藤昭男发明了聚丙烯腈基碳纤维。由于碳纤维在军事领域凸显出提升武器装备性能的优异表现，引起了军事强国的高度重视。随后一些国家重点投入，不断研制出更高性能、更多品种的碳纤维。日本先后突破高强、高模性兼备等一系列关键技术难题，使所研制的碳纤维复合材料独具优异的抗疲劳性能和环境适应能力，其整体水平一路领先。
碳纤维看似简单，但其制造工艺十分复杂，是一项集多学科、精细化、高尖端技术于一体的系统工程，涉及化工、纺织、材料、精密机械等多学科领域，整个流程包含温湿度、浓度、粘度、流量等上千个参数高精度控制，稍有不慎就会严重影响碳纤维性能和质量稳定性，所以远非一般工艺技术所能媲美。
随着当今碳纤维及复合材料广泛应用，规模化生产成为其产业化发展的重大瓶颈。每个量级的生产虽原理相同，但对各种工艺参数精确控制难度却有极大不同，十吨级、百吨级的生产线，不能简单复制到千吨级，例如聚合反应产生大量的热，使得温度均匀性恒定性极难控制。正因如此，目前只有极少数国家能够稳定生产出高性能碳纤维，且核心技术长期主要掌控在日本和美国企业巨头手中。其中，日本的三家公司碳纤维生产能力就占世界四分之三，成为业界“巨无霸”。
强中强国防装备脱胎换骨据外媒报道，傲视群雄的F-35战斗机首飞时间一推再推，其中一个很重要原因，就是超重。为破解这一难题，洛克希德?马丁公司采取了很多办法，最终采用多达35%的碳纤维复合材料才大幅降低了机体重量。所以从某种意义上说，是碳纤维复合材料成就了F-35战机。
如今，碳纤维复合材料不仅成为实现高隐身性能不可或缺的基础性材料，更成为衡量武器装备系统先进性能的重要标志。比如，由于X-47B、全球鹰、全球观察者、西风等飞行器应用碳纤维复合材料比例更高，使得其有效载荷、续航能力和生存能力均实现了新突破。
现役F-22战斗机一个最大特点，就是隐身性能好，而这与其大量使用碳纤维复合材料休戚相关。此外，F-A战斗机、B-2隐身轰炸机等也都采用了碳纤维吸波材料，包括瑞典“维斯比”级巡逻舰舰体用的均为全复合材料，因而拥有了高隐身、高机动、长寿命等先进作战性能。
航天领域发展更是锱铢必较。如固体火箭发动机质量每减少1千克，射程就可增加16公里。所以，碳纤维复合材料被大量应用于美国“爱国者”导弹、“三叉戟”II、德国HVM超声速导弹、法国“阿里安”-2火箭、日本M-5火箭等发动机壳体，未来碳纤维更是发展小型化、高机动性、高精度、高突防能力先进战略性武器装备的重要基础。
新型高性能碳纤维复合材料，具有更好的稳定性和可靠性，目前在高超声速飞行器、国际空间站、先进卫星等装备系统中被大量应用。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中强调，“到年，只有复合材料才有潜力使装备获得20-25%的性能提升”。
优中优事关国家安全利益外军认为，现代信息化战争既是高技术装备之战，更是高性能材料之战。
现代武器装备发展，隐身化、低能耗、高机动性、大载荷等趋势凸显，对碳纤维及复合材料性能要求越来越高。因此研制更高强度、更高模量的碳纤维和与之相匹配的高性能作战系统，已成为军事强国比拼尖端实力的重头戏。目前，发达国家正在碳纤维、先进树脂和制造技术三个方向上重点突进。
目前，碳纤维拉伸强度与模量在理论上和实验室中，存在着巨大的提升潜力和空间，因而激战正酣。
在树脂研究领域，重点发展高韧热固性树脂，能够提高武器装备部件的长效温度，并改善韧性、工艺性和耐湿热性能。而开发热塑性树脂，可显著提高武器装备抗冲击韧性和耐疲劳损伤性能。
现代先进的自动化制造技术，可实现构件三维模型到制造一体化集成，适于制造大尺寸和复杂结构件，可有效提高装备质量可靠性和降低成本，从而促进国防军工更好发展。
近年来，为适应我国国防建设发展需要，碳纤维及其复合材料已被列为国家重点支持的项目。专家认为，着眼未来建设完整自主的高水平产业链，努力把事关国家安全利益的核心技术真正掌握在自己手中，乃是实现兴国强军中国梦的必由之路。
对未来军工领域带来革命性影响的超材料
超材料是通过在材料关键物理尺寸上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域，将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。
新型材料颠覆传统理论尽管超材料的概念出现在年前后，但其源头可以追溯到更早。年，苏联科学家维克托?韦谢拉戈提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”，而呈现出与之相反的“负折射率关系”。这种物质将颠覆光学世界，使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现出有违常理的行为，例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出，就被科学界认为是“天方夜谭”。
随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露，显著提高材料综合性能的难度越来越大，材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高，发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路，成为新材料研发的重要任务。年，首个关于负折射率材料的报告问世；年，美国加州大学圣迭戈分校的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的超材料；年，美国麻省理工学院研究人员从理论上证实了负折射率材料存在的合理性；年，由于超材料的研究在世界范围内取得了多项研究成果，被美国《科学》杂志评为当年全球十项重大科技进展之一。此后，超材料研究在世界范围内取得了多项成果，维克托?韦谢拉戈的众多预测都得到了实验验证。
现有的超材料主要包括：负折射率材料、光子晶体、超磁材料、频率选择表面等。与常规材料相比，超材料主要有3个特征：
一是具有新奇人工结构；
二是具有超常规的物理性质；
三是采用逆向设计思路，能“按需定制”。
负折射率材料具有介电常数与磁导率同时为负值的电磁特性，电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循负折射率螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。负折射率材料的实现使人类具备了自由调控电磁波的能力，这对未来的新一代通信、光电子/微电子以及隐身、探测、强磁场、太阳能和微波能利用等技术将产生深远的影响。
光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，是一种介电常数周期性分布的电介质复合结构，可以阻止某一种频率的光波在其中的传播。由于光子晶体具有固有的频率选择特性，被认为是未来的半导体，对光电子、光通信、微谐振腔、集成光路、红外/雷达隐身等领域将产生重大影响。
部分超材料示例“电磁黑洞”是一种采用电磁超材料制造的人工黑洞，能够全向捕捉电磁波，引导电磁波螺旋式行进，直至被黑洞吸收，使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现，不仅将为太阳能利用技术增加新的途径，产生全新的光热太阳能电池，还能应用于红外热成像技术，大幅度提高红外信号探测能力。
频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。其可对不同频段的入射电磁波进行有选择性的发射或传输，已被广泛应用于微波天线和雷达罩的设计中，也可用于反射面天线的负反射器，以实现频率复用，提高天线的利用率。
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