舰船领域功能材料前沿技术进展综述

　　近年来，国外功能材料前沿技术发展较为迅速，在舰船领域的重点突破集中在隐身材料、腐蚀和污损防护涂层、电子信息材料等方面，主要表现在超疏水材料、声隐身超材料、自修复防腐涂层、新型红外隐身材料、柔性雷达吸波超材料、用于雷达天线和隐身的新型铁电材料等技术方向上，以下将通过一些最新进展进行详细阐述。

　　超疏水材料的研发持续升温

　　有望为舰艇提供更好的防护

　　润湿性是指液体在固体表面铺展的能力，是固体表面重要的特征之一，这种特征由固体表面的化学组成及微观结构共同决定。接触角和滚动角是评价固体表面润湿性的重要参数，超疏水表面是受到荷叶表面、蛾的眼睛、水黾腿等天然疏水结构启发制备的，与水的接触角大于150°，滚动角小于10°的表面，当水滴落在其上时将自由滚动或来回弹跳，并能带走表面粘附的污染物，具有自清洁、生物相容性高及超疏水性等特性，在舰船领域可用于防腐、防污、防结冰等。

　　具有超疏水表面的超疏水材料已成为近十年来功能材料研究热点之一，目前构造超疏水表面的方式主要有两种：一是在疏水材料上构建粗糙的表面微观结构；二是用低表面能物质修饰粗糙表面，制备方法包括电化学法、湿化学反应、水热法、相分离、自组装等。由于降低表面自由能在技术上容易实现，因此超疏水表面制备技术的关键在于构建合适的表面微观结构。美国国防部、海军研究署等长期资助美国橡树岭国家实验室、莱斯大学等开展超疏水玻璃涂层、石墨烯防结冰材料等超疏水材料的研究。

　　2015年，美国橡树岭国家实验室通过对多孔纳米结构的硅表面进行化学改性制备出一种综合性能良好的新型多功能超疏水玻璃涂层，它能够使被涂覆表面同时拥有高可见光透过率、减反射、自清洁、环境稳定性等多种功能，用于武器系统的潜望镜、护目镜、光电探测器和传感器等光学系统上将有效提升综合性能并降低制造和维护成本，极大促进作战效能的提升。2016年，美国莱斯大学采用长链全氟化合物修饰石墨烯纳米带制备得到一种新型超疏水材料，在温度高于-14℃时防止结冰，而在-14℃以下时利用石墨烯的高导电性，通过电加热融化结冰。这种材料可以通过喷涂的方式涂覆，可用于飞机、电线、雷达罩和船舶等装备。

　　超疏水玻璃涂层的制备及潜在应用

　　声隐身超材料技术步入应用探索阶段

　　助力未来水下作战模式的改变

　　主动声纳通过接收自身发射声波来探测和定位敌方潜艇，是探测安静型潜艇的主要手段。目前潜艇主要通过优化外形结构和敷设吸波材料减少回波来对抗主动声纳探测，但并未达到理想的隐身效果，超材料技术的兴起为提高潜艇等水下平台的声隐身性能提供了新的技术途径。声隐身超材料是基于变换声学理论，通过亚波长尺度的微结构设计得到特定质量密度和弹性模量分布，可使入射声波“绕过”物体船舶而实现隐身。美国、德国、英国、西班牙等都开展了声隐身超材料的研究，其中美国在声隐身超材料方面的研究遥遥领先于其他国家。目前美国声隐身超材料的研究已经完成了理论验证，并开始进行实际应用的探索。一旦技术成功转化将对潜艇等水下装备的隐身产生变革性影响，在未来水下战场占领先机。美国海军从2008年起开展了声隐身超材料研究，迄今主要通过资助“声学斗篷”和“金属水”两项技术，开展声隐身超材料的理论和应用研究。

　　在2007年和2008年杜克大学的卡默尔教授就从声学散射的角度出发，分别论证了二维和三维“声学斗篷”制备的可行性，指出“声学斗篷”需具有各向异性的质量密度和各向同性的弹性模量，才能实现引导声波绕过斗篷下的物体传播，而使该物体在声波下“透明”的目的。2014年，该团队在海军资助下研制出的三维“声学斗篷”，首次引导任意方向的入射声波“绕过”物体传播。三维“声学斗篷”由一些具有重复排列小孔的塑料板组成，能在3kHz的声波下表现出完美的隐身效果，而该频率接近目前声纳探测的工作频率。

　　2008年，美国罗格斯大学的诺里斯教授从弹性力学的角度出发，论证了利用“五模材料”实现声隐身的可行性，提出了另一种利用超材料实现声隐身的理论，并指出这种声隐身装置需具有各向异性的弹性模量与各向同性的密度。五模材料是指模量矩阵的6个特征值中有5个为零的声学超材料，其力学性能接近于流体。美国海军对此立即表示出极大兴趣，并资助韦德林格公司开展声隐身超材料项目的研究，诺里斯教授就是其研究团队的一员。2012年，韦德林格公司开发出“金属水”水下声隐身技术，通过在水下装备的外部添加含声隐身超材料（一种六角晶胞的铝材料）的覆层，实现目标在主动声纳探测下隐身。2014年该公司已经开始原理样机的设计和制造，并在水下对其声学散射性能进行测试。该公司未来计划与“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇的主承包商开展应用合作。

　　自修复防腐涂层正逐步迈入实用化

　　将显著降低维护海军维护成本

　　自修复涂层是采用无机共聚物技术制备纳米胶囊，将纳米胶囊添加到涂层基质中，涂层受到外力损伤、划伤或开裂时能自动流出、填充并固化后形成相对平整且有良好屏蔽性的修复涂层，以延长涂层的使用寿命。这种胶囊中含有不含有机挥发物、无毒的液态低聚物，能通过形成高度稳定的热固树脂来快速修复破损的胶囊。

　　NanoSonic公司在海军资助下开发出可用于海军航空平台的自修复防腐涂层——HybridSil，可用于F-35联合战机、F-18系列等。该技术通过大幅降低工作人员维修涂层的时间显著降低目前使用的MIL-PRF-85285涂层的长期成本并提高作战效率。截至2014年，HybridSil自修复防腐涂层技术成熟度达到4，已经应用了3年。此外，2014年海军研究署和约翰霍普金斯大学研制新型自修复防腐涂层，含有名为polyfibroblast的聚合物，添加到防腐涂层底漆中使底漆遭破坏时形成蜡状防水涂层而保护金属。该技术已通过测试并将转移到海军陆战队。

　　新型红外隐身材料层出不穷

　　推动红外隐身技术发展

　　近年来，国外的红外隐身材料的最新突破主要集中在超黑材料和红外仿生伪装两个方向。

　　超黑材料主要是采用碳纳米管制成，最早是NASA在2011年开发，比其他吸波材料的吸收能力高出10—100倍，且密度更小，无任何添加剂，可用于硅、氮化硅、钛和不锈钢等基体。2013年NASA利用原子层沉积法制备的超黑材料，能实现在紫外、可见、红外和远红外光的吸收率超过99%。2016年，英国的Surrey Nano Systems公司用喷涂碳纳米管的方式制备出Vantablack S-VIS，其纳米结构能够吸收几乎所有入射光，对紫外线、可见光、红外线的吸收率高达99.8％，成为世界上最黑的材料，Vantablack S-VIS的反射能力比哈勃望远镜上使用的超黑喷漆还要弱17倍，而且它能够轻易覆盖体积较大、机构复杂的物体表面。

　　红外仿生伪装方面，传统的仿生伪装只能使物体隐身于背景，但无法躲过红外传感器，研究人员把目光放在自然界的理想伪装生物鱿鱼上。鱿鱼等生物的皮肤中含有色素细胞，其中的等离子体膜包围着薄层状的蛋白质，这种蛋白质的可逆磷酸化反应将改变薄层的结构和尺寸，从而改变色素细胞在可见光和红外波段的反射和折射。2015年，加利福尼大学采用鱿鱼皮肤中的一种蛋白质开发出一种粘性胶带，仅通过伸缩调节折射，使物体与周围环境的红外信号匹配，在红外探测下实现隐身。

　　柔性雷达吸波超材料成功研制

　　实现吸波效能巨大突破

　　常规隐身材料一般是利用吸波原理，使进入材料的探测波通过多次折射，衰减吸收，从而减少波的反射，达到隐身效果。目前，这种隐身材料遇到两方面难以解决的问题：一是要达到高吸波率，需要增加吸波材料厚度，增加武器装备的尺寸和重量；二是常规隐身材料仅对特定入射范围的探测波有高吸收率。超材料的问世为吸波材料突破技术瓶颈提供了新思路。超材料吸波有两个优点：一是吸波材料理论上仅需等波长厚度即可达到100%的吸波率，远小于常规吸波材料；二是对任何方向入射波都具有同样的吸收效果，可实现全向隐身。

　　2006年，美国采用铜质开口谐振环制造出雷达隐身超材料样品。此后，雷达吸波超材料研究一直沿用固态金属谐振环，但存在吸波带宽窄，频段无法调节的问题。2016年，在国防部和国家科学基金会共同资助下，爱荷华州立大学的研究人员首次利用液态金属开口谐振环替代固态金属开口谐振环，研制出柔性、可伸缩、频段可调的新型雷达吸波超材料，可使雷达反射截面衰减40～60分贝/米2，吸波效能较常规雷达吸波材料高100倍。新型柔性雷达吸波超材料的上下层基底采用柔性硅材料，中间封装按特定规则排列的众多液态镓铟锡合金开口谐振环，作为吸波单元。由于基底是柔性的，通过拉伸可以改变液态开口谐振环的形状，从而可以连续调节其吸波频率。这种新型柔性雷达吸波超材料的优势在于：吸波可调频率、吸波带宽大；柔软轻质，更适合于各种复杂表面敷贴。

　　柔性吸波超材料

　　新型铁电材料墨水助推3D打印雷达组件技术进步

　　促进雷达天线和隐身的长足发展

　　合适的铁电材料是打印适形二维雷达天线或隐身表面电子元器件的关键。钛酸锶钡是一种介电常数可调的铁电材料，但其硬度大且需要850℃以上的高温处理，难以实现在柔性表面直接打印电子器件。通过将钛酸锶钡纳米颗粒与聚合物复合，可在相对低的温度下打印。

　　2016年，美国马萨诸塞大学卢维尔分校雷声研究院研制出一种新型铁电“墨水”，它是将钛酸锶钡纳米颗粒分散到环烯烃共聚物中形成复合悬浮液，其介电特性可通过外加电压调控。该材料可打印出多种电子器件和设备，如制备军用雷达中可调谐电子器件的重要元件——变压电容器；用于控制相控阵雷达发射波束的打印移相器；能阻止或允许通过特定频率的电磁辐射，抵御干扰，实现隐身的滤波器频率选择性表面。打印过程主要由机械臂控制喷头实现，其中一个喷头精确沉积含银的导电“墨水”，另一个喷头依靠微振动布撒新型“墨水”。目前，利用该材料已经可以在塑料表面打印出移相器和频率选择性表面的变抗器，且已实验室证实其具备制造适形天线的潜力，可应用于多种射频装置。新型铁电“墨水”的军事应用潜力巨大，可用于在坦克、装甲车、飞机和舰船等装备表面直接打印二维雷达天线或隐身外衣，解决长期以来的雷达小型化、隐身化问题，也为装备的主动隐身提供了新思路。