2022年隐身材料行业深度报告.docx
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1、2022年隐身材料行业深度报告、需求基础:隐身材料是实现装备隐身的物质基础(一)底层需求:隐身是作战装备重要特征,材料是实 现隐身重要途径飞行器生存力的主要威胁来自雷达和红外探测器。雷达 隐身方面,飞行器在执行任务过程中,雷达、通信、导航、 识别等系统往往要不断向外辐射电磁信号,这些电磁信号容 易被对方的无源探测系统截获,使己方暴露。红外隐身方面, 飞行器部分位置温度过高热辐射特征显著。飞机的热辐射主 要产生于发动机、发动机喷口、排气气流、机体蒙皮等。实 现飞机红外隐身的主要技术措施包括:采用红外辐射较弱的 涡扇发动机,并通过对发动机进行隔热,防止其热量传给机身; 在喷管内部涂低发射率材料;在
2、燃料中加入添加剂抑制和改 变尾焰的红外辐射频段;飞机表面涂红外隐身涂料;释放伪 装气溶胶烟幕;改进外形设计减小机体摩擦以降低蒙皮温度等。 在可见光隐身方面,涂料迷彩伪装的方法至今仍在采用。在飞 行器表面可以喷涂与背景一致的颜色和迷彩伪装图案,模拟 背景的色彩,破坏飞行器的目视外形,从而达到隐身的目的。图1:飞机各主要部件散射类型图彷缰衍射座舱腔7多径镜面反射镜面反射爬行匕準凜、 浄技”闪烁点 雷达舱您、反射器若电波不透射,进气道腔反射源、出现尖端货射:也缘行射 K若电波透射,3沿武器传推液盒内出现角反射巩杀来智库复盘国外隐身技术在飞机上的应用,隐身飞机重心从外形隐身转向材料隐身。根据隐身原理(
3、姬金祖等,北京 航空航天大学出版社,2018年),可将隐身技术在飞机上应 用的发展历程分为五个阶段:20世纪40年代,随着雷达越来 越广泛的运用,针对雷达探测技术的隐身设计也开始出现。 飞翼飞机开始得到初步发展,飞翼飞机去掉了厚重的尾翼, 将机身的主要部分与机翼融为一体,这种设计使得飞机对雷达 波的反射较小,隐身性能优良;20世纪50-60年代,美国试图 通过提高飞行器飞行高度与飞行速度以及研发的雷达吸波材 料,避免飞机被陆地上的视觉、听觉传感器以及初级的雷达 传感器探测到,但此阶段的隐身技术实用性并不强;20世纪70年代,美国飞机设计公司开始探索红外隐身技术,超级计 算机的发展与战争的需要进
4、步促使美国有计划地进行隐身 技术研究,使其初具实用性;20世纪80年代,隐身技术应用 领域拓宽,从战斗机发展到直升机、轰炸机、巡航导弹,隐身 技术在国防领域中的地位逐渐提高。尽管80年代的隐身飞机 已经趋于成熟,但隐身飞机研制和维护费用高昂,各国拥有的 隐身飞机数目也因此受到限制;20世纪90年代以后,飞机面 临着需要掩盖其他信号特征的问题,同时,隐身飞机的设计 开始追求多用途化与低成本,并开始由美国迅速渗透到其他 国家。以美国为例,隐身飞机向着低RCS、高性能、低成本、 多用途的方向发展。1975-1977期间,洛克希德公司为美国空 军研发了 F-117,其主要通过外形设计来减少RCS,并试
5、图 通过在机身相关部位应用吸波涂料以使其RCS减小。此外, F-117也将飞机的红外信号纳入飞机隐身的考虑范围,设计了 独特的外形使得红外辐射与RCS同时降低。F-117成为第一 架按照隐身要求设计的实用隐身战斗机,但为了达到隐身效果, 牺牲了它的机动性和灵活性。1990年,洛克希德公司研制的 F-22首飞。根据隐身材料研究进展(李江海等,2015 年),F-22表面主要应用镀银薄片混合聚氨酯材料的导电涂 料与含有金属基材料的涂层,以减少RCS与辐射的热量。此 外,F-22还在内部结构、航电系统、机身设计上针对隐身性 能进行了改进。这些技术使F-22具有超视距攻击能力、超音 速巡航能力、超机动
6、空战性能以及优秀的隐身能力。尽管F- 22性能十分出色,但实现前述性能的结合以及后续维护需要 非常高的成本。2006年,洛克希德公司研发的F-35战斗机, F-35机身表面使用了 HAVE GLASS V隐身涂层,该隐身涂层 具有更好的雷达和红外隐身性能,且在耐磨和坚固性能上将超 过F-22使用的隐身涂层。F-35还通过整机计算机模拟进行 RCS分析和计算,综合了进气道、吸波材料与机身结构等总 体影响,提高整体隐身性能。虽然F-35的隐身能力不及F22, 但相较于之前的隐身飞机,F-35的设计大大降低了飞机的制 造和维护成本,并实现了一机多用途。主要用于前线支援、 目标轰炸、防空截击等多种任务
7、,并因此发展出三种衍生版 本,为隐身飞机作战术提供更多可能。隐身性能是武器装备的重要性能之一,而隐身材料是实 现隐身性能的关键。(1)隐身性能成为武器先进性的衡量指 标:隐身技术是针对探测技术,在定环境中通过弱化呈现 目标存在的雷达、红外、声波和光学等信号特征,最大限度地 降低探测系统发现和识别目标能力的技术。现代战场上,随 着探测、控制、弹药技术的长足发展,先进侦察系统和精确 打击系统已经对地面武器装备构成了不可忽视的威胁。为了 提高武器装备的存活几率以形成战斗优势,往往通过隐身技术 来减少被探测概率,因此隐身性能也成为了判断武器装备先 进性的指标之一。(2)开展隐身材料的研究成为隐身技术的
8、 关键:现代隐身技术主要通过外形设计和使用隐身材料以减少 电磁波发射/反射,从而减小被探测到的概率。详细来说,一 是对作战武器装备(如飞机、坦克、舰艇等)外部形状进行 改进,通过减少目标反射或发射的电磁波信号;二是釆用隐 身材料,通过隐身材料降低武器装备的信号特征,达到隐身的 目的。图5:隐身技术根据不同探测技术的分类雷达吸波材料(RAM)是应对雷达探测的主要手段。吸 波材料通过吸收雷达波减少目标的雷达散射截面(RCS), 使探测器难以回收达到探测阈值的回波。其基本原理是当雷 达波辐射到隐身材料表面并加以渗透,吸波材料自身可将雷达 波能量转换成其他形式的能量(如机械能、电能或热能), 并加以吸
9、收,从而消耗掉雷达波部分能量,降低回波信号强 度,从而极大地降低被雷达发现的概率。若吸波材料自身结 构设计与阻抗匹配设计得当,再加上选材等配方及成型工艺合 理,雷达吸波材料几乎完全可衰减并吸收掉所入射的雷达波 能量,达到安全隐身的目的。理想的雷达吸收体应具有厚度 薄、重量轻、频带宽、黏附力强的特点。吸波材料分为磁损耗型和介电损耗型,磁性材料常用于 武器装备常温隐身,陶瓷材料配合介电材料常用于武器高温 部位隐身。根据材料对电磁波的损耗机理,吸波材料可分为 磁损耗型和介电损耗型:(1)磁损耗型吸波材料具有低频吸 波性能优异、吸波频带可调等优点,但缺点是密度大,且绝 大部分磁性吸收材料居里温度较低,
10、在高温下失去磁性从而 失去吸波性能,因此磁性吸波材料一般只能用于武器常温部 位的隐身。磁性吸波材料主要包括铁氧体、磁性金属微粉及多 晶铁纤维、纳米磁性吸波材料等。根据磁性吸波材料的研 究进展(刘祥萱等,2013年),由于磁性吸波材料具有磁 损耗强、成本低的特点,磁性吸波材料是目前应用得最多的 类。例如,铁氧体吸波材料在U-2、F-ll7A等飞机上均有应 用。(2)介电损耗型吸波材料具有质量轻、力学性能优异、 耐腐蚀、耐高温等优点,但介电材料往往低频吸波性能差、吸波频带较窄,吸波效率远低于磁性吸波材料,需要较大厚度。 通常将陶瓷吸波材料等介电材料通过元素掺杂等方式进行改 性后用于武器高温部位的隐
11、身。S8:唸身涂层材料组成结构雷达波吸收剂功能填料低发射率材料隱身涂层材料相変控温填料树脂點结剂陶瓷羞系圣来皆厚结构隐身材料则是兼具电磁吸收和高强度特性的结构型 材料,主要用于武器装备中需要结构功能和隐身功能一体化 的关键部位。结构隐身材料是在先进复合材料的基础上,将 吸收剂分散在特种复合材料中,经严格的电磁结构性能一体化 规划设计,采用多轴机加或3D打印精密成型制造而成。目前 国内外研究最多的是结构雷达隐身材料,其可以与红外隐身 涂层结合使用,从而达到红外/雷达兼容隐身效果。根据结构 隐身材料的类型不同,可以分为树脂基结构隐身材料和陶瓷基 结构隐身材料,其中树脂基结构雷达隐身材料的研究比较成
12、 熟,应用较为广泛。涂敷型吸波材料性价比高,结构型吸波材料性能好。涂 敷型吸波材料不参与结构承,是喷于或贴于金属表面或碳 纤维复合材料表面的一种涂料或膜层,一般由粘结剂与金属、 合金粉末、铁氧体、导电纤维等吸收剂混合而成。涂覆型雷达 吸波材料具有吸波效果好、艺简单、设计难度小、成本低 等特点,能在不改变飞机外形或外形改变较小的情况下实现隐 身。缺点在于涂层增加了飞机的重量,适用带宽受限制,涂 覆的吸波材料容易脱落和变质,保养和维护费用较高,且受涂 覆材料厚度限制,对S、L等波长较长的波段效果并不显著。 结构型雷达吸波材料是在先进复合材料的基础上,将吸收剂 分散在特种纤维增强的结构材料中而形成的
13、复合材料。结构型 雷达吸波材料作用机理是通过特殊的复合材料结构对雷达波 进行损耗,集吸波、承载于一体,不仅可以减轻飞行器自重, 而且允许设计厚度较大,具有更好的吸波性能以及更高的可 靠性,此种材料可直接做成飞行器的气动外形所必需的复杂曲 线结构,作为承力部件使用,如机翼前缘、机身边缘等。(二)产业链:中上游多为定制化供给,下游客户绑定 体系稳定性突出隐身材料产业链各环节业务层次明确,隐身材料制备企 业位于产业链中游。隐身材料产业链自上而下大致可分为原 材料厂商、隐身材料供应商、武器装备制造商,相互之间的 业务层级明确,从下游往上游依次传递产品需求,从上游至下 游依次交付合格产品。隐身材料上游为
14、原材料厂商,原材料包括靶材、粉体、树脂、纤维、合金、试剂、金属结构件及 连接件等。中游为隐身材料制备企业,隐身材料以涂覆型和结 构型结构方式广泛地在武器装备和尖端装备与设施上应用,包 括飞机、主战坦克、舰船和导弹,降低武器装备被探测率。下游为我国武器装备的制造商,多为军集团及其下属单位。图11:隐身材料产业链飞机L材 体 树 维 合金 试金爲结构件 及连接件隐身涂层材料结构隐身材料主战坦克航船导弹奈充来智库上游原料以粉体和靶材为主,不易制备。上游原材料包 括靶材、粉体、树脂、纤维、合金、试剂等,其中隐身涂层 材料中的功能填料和粘结剂的主要原材料为靶材和粉体。靶 材是通过专用设备采用物理气相沉积
15、技术在基材上制备涂层的 原材料,主要包括金属靶材、金属陶瓷靶材及氧化物靶材等, 粉体包括陶瓷粉、合金粉和金属粉等。隐身材料厂商通过设 计和定制不同成分及技术标准的靶材和粉体,并按照特定 艺在基材表面逐层制备功能填料和粘结剂,最终形成隐身涂层 材料。根据华秦科技招股说明书,靶材是公司的主要原材料, 占其主营业务相关的采购总额比例的80%以上,粉体的采购 占比逐渐升高。靶材作为主要原材料,需进行定制化设计和 艺探索,制备方法主要有熔炼法和粉末冶金法,制备艺较 为复杂,工艺过程控制要求较高。原材料以定制化生产为主,为保证质量,中游企业和原 材料厂商稳定合作。由于隐身材料制备是国防装备供应体系 中的一
16、个环节,中游企业在原材料采购方面受到国防装备供 应体系的统一管理。为控制原材料质量,隐身材料制备企业釆 购相对集中,严格执行供应商准入管理,从资质信誉、技术 水平、提供产品或服务的质量、交付能力等全方位对供应商 进行详细的评估,并对重要原材料进行试用,相关产品只有通 过试用后满足性能要求,并且经过军代表的审查会纳入供方 名单。原材料的采购遵循的流程是中游隐身材料制备商根据 下游企业依据武器装备交付计划提出的要求制定生产计划和 采购计划,依照采购计划向供应商采购,且为保障原材料的性 能满足要求,在入库时进行查验和抽检。终端产品型号设计 定型时已经对原材料做出限制,原材料样本需经过多批次试 制检验
17、,因此靶材一般是定制化生产,靶材厂商的客户相对 固定,合作关系比较稳定。且由于军品供应的特殊性,原材料采购量根据中游企业与主机厂沟通的生产计划而定,采购价 格提前协商,相对稳定。定制化生产设备和 工艺流程图14:隐身材料制备商核心技术体系批量生产高难度的技术艺铸就行业高进入壁垒,其中组分配方 对材料性能的实现起关键作用。由于隐身材料技术涉及重大 军事材料的研制,国外在该项技术方面对我国实行严密的封 锁,我国研究机构及参与企业难以取得可以借鉴的技术信息, 加大了研发难度。隐身材料制备的核心技术主要包括材料组 分配方、结构设计、装备定制化设计及工艺实现技术体系等。以雷达吸波材料为例,其主要由吸波剂
18、与高分子材料(如树 脂与橡胶及其改性材料)组成。其中决定吸波性能优劣的关键 则是所选取的吸波剂的类型及含量,吸波性能通常用介电常 数和磁导率表征。材料的吸波性能和材料的组分设计息息相 关。组分对微波磁导率的影响以多晶铁纤维为例,不同组分的 三种纤维镁、懸基铁和钻纤维,其中跋基铁纤维的微波磁导 率最高。因此,需要通过多次调配材料组分并结合电磁参数 观察,获得最佳的材料组成配方以达到隐身材料的性能需求, 对技术水平要求较高。隐身材料的结构设计作为实现隐身性能的关键因素之一, 对研发技术水平有着较高的要求。隐身涂层材料的结构设计 经历单层、双层和多层的涂覆结构的发展过程。结构设计的 复杂性和设计目标
19、的差异对算法提出了要求,需要基于多层传 输线理论,使具有不同电磁特性的各层材料结合厚度、复介 电常数和复磁导率参数。此外,当材料用于飞行器时,对质 量和体积有所限制,因此多层材料还需考虑增加的附加质量。 对于结构隐身材料,需要考虑吸波剂体积分数及铺排方式以及 层间界面结构的设计等。基本结构设计形式包括波纹板夹层 结构、角锥夹层结构、吸波材料充填结构等,需考虑多种结 构形式综合设计,对技术水平提出较高的要求。从制备艺流程角度出发,隐身材料行业存在高壁垒。 隐身涂层材料和结构隐身材料的工艺流程不同。隐身涂层材 料的生产经历预处理、隐身材料制备及涂覆、热处理、性能 测试等步骤,运用定制化开发的生产设
20、备及特定的生产艺将 特种功能材料直接制备并涂覆在客户零部件表面,其中涂覆 工艺是制备的最重要环节之,会直接影响涂层表面的微观 结构和取向,有研究发现仅操作工艺的不同就可使同种配方 涂料的发射率出现10%偏差。结构隐身材料的工艺遵循预制 体处理一浸渍固化制备毛坯件零件修型金属件连接-性能测试 这一流程,直接进行零部件生产。隐身材料技术标准现状 和标准发展设想(郑付来,2019年)一文中指出隐身材料 行业及以上相关标准全是国家军用标准,并且数量很少,目 前工艺标准无行业及以上标准可供使用,需要企业自己确定 各生产环节的工艺参数和条件,对企业的研发创新能力提出 高要求。图18:结构隐身材料生产艺流程
21、基础原材料捡险多功能蒙皮制备关键吸收材料制备链接鉢构制备复合成型及表处理I全性能,检验I ,成品入库耐温性能的提升为隐身材料的发展趋势,对研制技术提 出新要求。随着使用温度的升高,隐身材料的体系都会发生 改变,隐身材料研制难度变大。高温对材料研发提出了更高 的要求,可选用的材料范围更窄,同时对隐身材料性能调控和 制备艺提出了更高的挑战。耐高温隐身材料是目前武器装 备实现全方位隐身的短板。在中/高温隐身材料领域,国外 直在加强基础研究,综合优化材料应用性能与高温吸波性能。 技术思路以研发能长期耐受高温的陶瓷基隐身材料为主,产品 主要包括陶瓷涂层、陶瓷贴片和陶瓷基吸波结构复合材料等。 国内制备耐温
22、隐身涂层的技术路线是基于组分配方、结构设 计和制备艺的优化进行。采用耐温吸收剂,结合电磁参数, 耐温功能填料的优化、改性及特殊的包覆技术处理使得各组分 在高温下稳定共存,避免了高温环境下各组分间的化学反应; 设计扩散阻挡层,解决隐身性能退化问题;优化粘结层的成 分设计和艺以提高隐身涂层的附着力和抗热震性能;改进专 用设备和装、优化制备艺,解决工程化应用工程中制备 工艺重复性和均匀性差的问题。目前,耐温隐身涂层制备 艺均存在所需设备较为复杂、工艺要求控制高、成本高等问 题,会对耐高温隐身材料的发展造成阻碍,亟待解决。下游企业为装备制造商,隐身材料应用装备包括飞机、 主战坦克、舰船和导弹等。下游企
23、业多为军集团下属科研 生产企事业单位,根据军方要求研制生产指定型号的武器装 备,包括军机、坦克、导弹和舰船等。不同型号的武器装备在 材料、规格和性能等方面均具有特殊性要求,因此装备制造 商一般要求隐身材料生产企业配合其进行同步研发,隐身材 料最终能否实现定型批产不仅取决于供应商自身研制进展, 亦取决于下游应用装备的定型批产。从合作模式看,不同类 型隐身材料的产品交付方式及形态存在差异。对于非高温隐 身涂层,一般多为隐身材料公司将产品交付客户,并指导客户 材料喷涂过程中的参数控制等。在高温隐身涂层领域,一般 为下游用户将武器装备的零部件发运至隐身材料公司,隐身 材料公司完成隐身材料在零部件表面的
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