近年來，國外功能材料前沿技術(shù)發(fā)展較為迅速，在艦船領(lǐng)域的重點(diǎn)突破集中在隱身材料、腐蝕和污損防護(hù)涂層、電子信息材料等方面，主要表現(xiàn)在超疏水材料、聲隱身超材料、自修復(fù)防腐涂層、新型紅外隱身材料、柔性雷達(dá)吸波超材料、用于雷達(dá)天線和隱身的新型鐵電材料等技術(shù)方向上，以下將通過一些最新進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)闡述。

　　超疏水材料的研發(fā)持續(xù)升溫

　　有望為艦艇提供更好的防護(hù)

　　潤濕性是指液體在固體表面鋪展的能力，是固體表面重要的特征之一，這種特征由固體表面的化學(xué)組成及微觀結(jié)構(gòu)共同決定。接觸角和滾動(dòng)角是評(píng)價(jià)固體表面潤濕性的重要參數(shù)，超疏水表面是受到荷葉表面、蛾的眼睛、水黽腿等天然疏水結(jié)構(gòu)啟發(fā)制備的，與水的接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°的表面，當(dāng)水滴落在其上時(shí)將自由滾動(dòng)或來回彈跳，并能帶走表面粘附的污染物，具有自清潔、生物相容性高及超疏水性等特性，在艦船領(lǐng)域可用于防腐、防污、防結(jié)冰等。

　　具有超疏水表面的超疏水材料已成為近十年來功能材料研究熱點(diǎn)之一，目前構(gòu)造超疏水表面的方式主要有兩種：一是在疏水材料上構(gòu)建粗糙的表面微觀結(jié)構(gòu)；二是用低表面能物質(zhì)修飾粗糙表面，制備方法包括電化學(xué)法、濕化學(xué)反應(yīng)、水熱法、相分離、自組裝等。由于降低表面自由能在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，因此超疏水表面制備技術(shù)的關(guān)鍵在于構(gòu)建合適的表面微觀結(jié)構(gòu)。美國國防部、海軍研究署等長期資助美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、萊斯大學(xué)等開展超疏水玻璃涂層、石墨烯防結(jié)冰材料等超疏水材料的研究。

　　2015年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)多孔納米結(jié)構(gòu)的硅表面進(jìn)行化學(xué)改性制備出一種綜合性能良好的新型多功能超疏水玻璃涂層，它能夠使被涂覆表面同時(shí)擁有高可見光透過率、減反射、自清潔、環(huán)境穩(wěn)定性等多種功能，用于武器系統(tǒng)的潛望鏡、護(hù)目鏡、光電探測(cè)器和傳感器等光學(xué)系統(tǒng)上將有效提升綜合性能并降低制造和維護(hù)成本，極大促進(jìn)作戰(zhàn)效能的提升。2016年，美國萊斯大學(xué)采用長鏈全氟化合物修飾石墨烯納米帶制備得到一種新型超疏水材料，在溫度高于-14℃時(shí)防止結(jié)冰，而在-14℃以下時(shí)利用石墨烯的高導(dǎo)電性，通過電加熱融化結(jié)冰。這種材料可以通過噴涂的方式涂覆，可用于飛機(jī)、電線、雷達(dá)罩和船舶等裝備。

　　超疏水玻璃涂層的制備及潛在應(yīng)用

　　聲隱身超材料技術(shù)步入應(yīng)用探索階段

　　助力未來水下作戰(zhàn)模式的改變

　　主動(dòng)聲納通過接收自身發(fā)射聲波來探測(cè)和定位敵方潛艇，是探測(cè)安靜型潛艇的主要手段。目前潛艇主要通過優(yōu)化外形結(jié)構(gòu)和敷設(shè)吸波材料減少回波來對(duì)抗主動(dòng)聲納探測(cè)，但并未達(dá)到理想的隱身效果，超材料技術(shù)的興起為提高潛艇等水下平臺(tái)的聲隱身性能提供了新的技術(shù)途徑。聲隱身超材料是基于變換聲學(xué)理論，通過亞波長尺度的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到特定質(zhì)量密度和彈性模量分布，可使入射聲波“繞過”物體船舶而實(shí)現(xiàn)隱身。美國、德國、英國、西班牙等都開展了聲隱身超材料的研究，其中美國在聲隱身超材料方面的研究遙遙領(lǐng)先于其他國家。目前美國聲隱身超材料的研究已經(jīng)完成了理論驗(yàn)證，并開始進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的探索。一旦技術(shù)成功轉(zhuǎn)化將對(duì)潛艇等水下裝備的隱身產(chǎn)生變革性影響，在未來水下戰(zhàn)場(chǎng)占領(lǐng)先機(jī)。美國海軍從2008年起開展了聲隱身超材料研究，迄今主要通過資助“聲學(xué)斗篷”和“金屬水”兩項(xiàng)技術(shù)，開展聲隱身超材料的理論和應(yīng)用研究。

　　在2007年和2008年杜克大學(xué)的卡默爾教授就從聲學(xué)散射的角度出發(fā)，分別論證了二維和三維“聲學(xué)斗篷”制備的可行性，指出“聲學(xué)斗篷”需具有各向異性的質(zhì)量密度和各向同性的彈性模量，才能實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)聲波繞過斗篷下的物體傳播，而使該物體在聲波下“透明”的目的。2014年，該團(tuán)隊(duì)在海軍資助下研制出的三維“聲學(xué)斗篷”，首次引導(dǎo)任意方向的入射聲波“繞過”物體傳播。三維“聲學(xué)斗篷”由一些具有重復(fù)排列小孔的塑料板組成，能在3kHz的聲波下表現(xiàn)出完美的隱身效果，而該頻率接近目前聲納探測(cè)的工作頻率。

　　2008年，美國羅格斯大學(xué)的諾里斯教授從彈性力學(xué)的角度出發(fā)，論證了利用“五模材料”實(shí)現(xiàn)聲隱身的可行性，提出了另一種利用超材料實(shí)現(xiàn)聲隱身的理論，并指出這種聲隱身裝置需具有各向異性的彈性模量與各向同性的密度。五模材料是指模量矩陣的6個(gè)特征值中有5個(gè)為零的聲學(xué)超材料，其力學(xué)性能接近于流體。美國海軍對(duì)此立即表示出極大興趣，并資助韋德林格公司開展聲隱身超材料項(xiàng)目的研究，諾里斯教授就是其研究團(tuán)隊(duì)的一員。2012年，韋德林格公司開發(fā)出“金屬水”水下聲隱身技術(shù)，通過在水下裝備的外部添加含聲隱身超材料（一種六角晶胞的鋁材料）的覆層，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在主動(dòng)聲納探測(cè)下隱身。2014年該公司已經(jīng)開始原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，并在水下對(duì)其聲學(xué)散射性能進(jìn)行測(cè)試。該公司未來計(jì)劃與“弗吉尼亞”級(jí)攻擊型核潛艇的主承包商開展應(yīng)用合作。

　　自修復(fù)防腐涂層正逐步邁入實(shí)用化

　　將顯著降低維護(hù)海軍維護(hù)成本

　　自修復(fù)涂層是采用無機(jī)共聚物技術(shù)制備納米膠囊，將納米膠囊添加到涂層基質(zhì)中，涂層受到外力損傷、劃傷或開裂時(shí)能自動(dòng)流出、填充并固化后形成相對(duì)平整且有良好屏蔽性的修復(fù)涂層，以延長涂層的使用壽命。這種膠囊中含有不含有機(jī)揮發(fā)物、無毒的液態(tài)低聚物，能通過形成高度穩(wěn)定的熱固樹脂來快速修復(fù)破損的膠囊。

　　NanoSonic公司在海軍資助下開發(fā)出可用于海軍航空平臺(tái)的自修復(fù)防腐涂層——HybridSil，可用于F-35聯(lián)合戰(zhàn)機(jī)、F-18系列等。該技術(shù)通過大幅降低工作人員維修涂層的時(shí)間顯著降低目前使用的MIL-PRF-85285涂層的長期成本并提高作戰(zhàn)效率。截至2014年，HybridSil自修復(fù)防腐涂層技術(shù)成熟度達(dá)到4，已經(jīng)應(yīng)用了3年。此外，2014年海軍研究署和約翰霍普金斯大學(xué)研制新型自修復(fù)防腐涂層，含有名為polyfibroblast的聚合物，添加到防腐涂層底漆中使底漆遭破壞時(shí)形成蠟狀防水涂層而保護(hù)金屬。該技術(shù)已通過測(cè)試并將轉(zhuǎn)移到海軍陸戰(zhàn)隊(duì)。

　　新型紅外隱身材料層出不窮

　　推動(dòng)紅外隱身技術(shù)發(fā)展

　　近年來，國外的紅外隱身材料的最新突破主要集中在超黑材料和紅外仿生偽裝兩個(gè)方向。

　　超黑材料主要是采用碳納米管制成，最早是NASA在2011年開發(fā)，比其他吸波材料的吸收能力高出10—100倍，且密度更小，無任何添加劑，可用于硅、氮化硅、鈦和不銹鋼等基體。2013年NASA利用原子層沉積法制備的超黑材料，能實(shí)現(xiàn)在紫外、可見、紅外和遠(yuǎn)紅外光的吸收率超過99%。2016年，英國的Surrey Nano Systems公司用噴涂碳納米管的方式制備出Vantablack S-VIS，其納米結(jié)構(gòu)能夠吸收幾乎所有入射光，對(duì)紫外線、可見光、紅外線的吸收率高達(dá)99.8％，成為世界上最黑的材料，Vantablack S-VIS的反射能力比哈勃望遠(yuǎn)鏡上使用的超黑噴漆還要弱17倍，而且它能夠輕易覆蓋體積較大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜的物體表面。

　　紅外仿生偽裝方面，傳統(tǒng)的仿生偽裝只能使物體隱身于背景，但無法躲過紅外傳感器，研究人員把目光放在自然界的理想偽裝生物魷魚上。魷魚等生物的皮膚中含有色素細(xì)胞，其中的等離子體膜包圍著薄層狀的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)的可逆磷酸化反應(yīng)將改變薄層的結(jié)構(gòu)和尺寸，從而改變色素細(xì)胞在可見光和紅外波段的反射和折射。2015年，加利福尼大學(xué)采用魷魚皮膚中的一種蛋白質(zhì)開發(fā)出一種粘性膠帶，僅通過伸縮調(diào)節(jié)折射，使物體與周圍環(huán)境的紅外信號(hào)匹配，在紅外探測(cè)下實(shí)現(xiàn)隱身。

　　柔性雷達(dá)吸波超材料成功研制

　　實(shí)現(xiàn)吸波效能巨大突破

　　常規(guī)隱身材料一般是利用吸波原理，使進(jìn)入材料的探測(cè)波通過多次折射，衰減吸收，從而減少波的反射，達(dá)到隱身效果。目前，這種隱身材料遇到兩方面難以解決的問題：一是要達(dá)到高吸波率，需要增加吸波材料厚度，增加武器裝備的尺寸和重量；二是常規(guī)隱身材料僅對(duì)特定入射范圍的探測(cè)波有高吸收率。超材料的問世為吸波材料突破技術(shù)瓶頸提供了新思路。超材料吸波有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是吸波材料理論上僅需等波長厚度即可達(dá)到100%的吸波率，遠(yuǎn)小于常規(guī)吸波材料；二是對(duì)任何方向入射波都具有同樣的吸收效果，可實(shí)現(xiàn)全向隱身。

　　2006年，美國采用銅質(zhì)開口諧振環(huán)制造出雷達(dá)隱身超材料樣品。此后，雷達(dá)吸波超材料研究一直沿用固態(tài)金屬諧振環(huán)，但存在吸波帶寬窄，頻段無法調(diào)節(jié)的問題。2016年，在國防部和國家科學(xué)基金會(huì)共同資助下，愛荷華州立大學(xué)的研究人員首次利用液態(tài)金屬開口諧振環(huán)替代固態(tài)金屬開口諧振環(huán)，研制出柔性、可伸縮、頻段可調(diào)的新型雷達(dá)吸波超材料，可使雷達(dá)反射截面衰減40～60分貝/米2，吸波效能較常規(guī)雷達(dá)吸波材料高100倍。新型柔性雷達(dá)吸波超材料的上下層基底采用柔性硅材料，中間封裝按特定規(guī)則排列的眾多液態(tài)鎵銦錫合金開口諧振環(huán)，作為吸波單元。由于基底是柔性的，通過拉伸可以改變液態(tài)開口諧振環(huán)的形狀，從而可以連續(xù)調(diào)節(jié)其吸波頻率。這種新型柔性雷達(dá)吸波超材料的優(yōu)勢(shì)在于：吸波可調(diào)頻率、吸波帶寬大；柔軟輕質(zhì)，更適合于各種復(fù)雜表面敷貼。

　　柔性吸波超材料

　　新型鐵電材料墨水助推3D打印雷達(dá)組件技術(shù)進(jìn)步

　　促進(jìn)雷達(dá)天線和隱身的長足發(fā)展

　　合適的鐵電材料是打印適形二維雷達(dá)天線或隱身表面電子元器件的關(guān)鍵。鈦酸鍶鋇是一種介電常數(shù)可調(diào)的鐵電材料，但其硬度大且需要850℃以上的高溫處理，難以實(shí)現(xiàn)在柔性表面直接打印電子器件。通過將鈦酸鍶鋇納米顆粒與聚合物復(fù)合，可在相對(duì)低的溫度下打印。

　　2016年，美國馬薩諸塞大學(xué)盧維爾分校雷聲研究院研制出一種新型鐵電“墨水”，它是將鈦酸鍶鋇納米顆粒分散到環(huán)烯烴共聚物中形成復(fù)合懸浮液，其介電特性可通過外加電壓調(diào)控。該材料可打印出多種電子器件和設(shè)備，如制備軍用雷達(dá)中可調(diào)諧電子器件的重要元件——變壓電容器；用于控制相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射波束的打印移相器；能阻止或允許通過特定頻率的電磁輻射，抵御干擾，實(shí)現(xiàn)隱身的濾波器頻率選擇性表面。打印過程主要由機(jī)械臂控制噴頭實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)噴頭精確沉積含銀的導(dǎo)電“墨水”，另一個(gè)噴頭依靠微振動(dòng)布撒新型“墨水”。目前，利用該材料已經(jīng)可以在塑料表面打印出移相器和頻率選擇性表面的變抗器，且已實(shí)驗(yàn)室證實(shí)其具備制造適形天線的潛力，可應(yīng)用于多種射頻裝置。新型鐵電“墨水”的軍事應(yīng)用潛力巨大，可用于在坦克、裝甲車、飛機(jī)和艦船等裝備表面直接打印二維雷達(dá)天線或隱身外衣，解決長期以來的雷達(dá)小型化、隱身化問題，也為裝備的主動(dòng)隱身提供了新思路。