高科技的隱形術–「有形無影」的新武器時代

以上各種隱形技巧的偵測方法各有不同，另就信號發射源、目標物、信號接收 ... 此外，塗層技術的發展，在反雷達探測上也是非常重要的一環，以俄國新式 ... 跳到主要內容 展開搜尋 全站搜尋 熱門關鍵字： 黑曜石鏡 琉球人 關閉搜尋 分類 分類項目 關閉分類項目 地理 天文 化學 醫學 科技 社會科學 人類文明 地科 心理 物理 數學 環境 生物 生活科學 醫療 地球科學 Menu 關於我們 文章 本月熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 TechTalk 影音&廣播 活動 學生專區 夥伴 認證 公務人員 教師 網站導覽 English 首長信箱 常見問答 雙語詞彙 關於我們 文章 文章 本月熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 影音 TechTalk 影音&廣播 活動 學生專區 夥伴 認證 認證 公務人員 教師 ::: 首頁 文章 最新文章 PleaceLogin! × 請先登入 登入 註冊 facebook twitter plurk line 中 列印 書籤 ::: 高科技的隱形術–「有形無影」的新武器時代 93/07/06 瀏覽次數 24916 郭佳憲｜ 中興大學材料工程學系 李貴琪｜ 文化大學紡織工程學系 二次大戰後，無線傳訊技術的發展可說是突飛猛進，尤其在軍事偵查方面的競爭，各國無所不用其極地希望能在探測技術上領先，同時，在匿蹤的隱形技術（stealthtechnology）方面也普遍受到重視。

基本上隱形技術並不是一種「不能被觀測到」的技術，而是透過降低武器裝備的信號特徵，使其難以被發現、識別、追蹤和攻擊的技術，其中包括了雷達隱形、紅外線隱形、雷射和聲納的隱形。

以上各種隱形技巧的偵測方法各有不同，另就信號發射源、目標物、信號接收體而言也有所不同，此外在材料的運用上亦有所區分，加上信號頻率的高低變化，使得此一技術在運用上變化多端。

本文針對電磁波吸收體、紅外線抑制材料和可用於偽裝技術的材料做一報導，希望能使讀者了解隱形材料的吸收原理與未來可能的應用方向。

電磁波吸收體 雷達發出的電磁波在前進時，遇到不同的介質，可能發生的行徑有反射、繞射、散射、穿透或在介質內產生共振吸收等現象。

一般而言，電磁波遇到金屬材料時，金屬表面會把入射的電磁波完全反射，而無穿透現象產生，故隱形技術和信號抑制並沒有考慮穿透的電磁波部分，而是著重於與金屬材質共振所產生的能量損失，和如何將電磁波「引入」吸收體的傳輸原理等問題。

電磁波在材料裡因共振所損失的能量，就是入射波在材料內部轉換成的熱量。

電磁波在材料中的能量損耗方式，因材料的差異，可分為電阻性、磁性、介電性三種，以下就針對這三種吸收材料分別加以說明。

電阻性吸收材料就如同在鎳線上通入電流使其產生熱一樣，其原理是材料中傳導帶的自由電子，在電磁波電場的加速作用下，衝撞到電阻性材料內的原子，電子的運動就會受到阻礙，此時電子的運動動能就會轉換成熱能，此一熱量就是電磁波在材料中所損失的能量。

以上是以微觀的材料性質來解釋。

另外在巨觀的共振效果中，則是利用吸收體材料本身有限的導電率與較小的自由電子密度，形成阻抗體或阻抗體薄膜，以多層的電阻性金屬護幕使電磁波在多層吸收體內產生共振，而消耗電磁波的能量，其中可以使用導電性金屬纖維或蒸鍍金屬氧化物、金屬氮化物薄膜製作多層電磁波吸收體的護幕。

當電磁波的磁場與磁性材料作用時，會使材料內部的磁偶矩（magneticmoment）順著磁場方向排列，當電磁波的磁場方向隨著頻率轉換時，磁場隨之改變，由於材料的矯頑力，發生磁滯現象，以致於消耗了電磁波的能量，所以材料的吸收特性會隨著電磁波頻率增加而有所改變。

磁性吸收體的重量比其他材料重，但是厚度可以比較薄，一般是由彈性膠體，如異戊烯橡膠、月青基橡膠、矽硐橡膠等添加磁性鐵氧磁粉，如尖晶鐵氧體、平板狀鐵氧體或軟磁性金屬粉，混煉成薄片。

由於電阻性材料自由電子密度很高，會使得電磁波產生反射現象，所以在介電性吸收材料中，可利用降低材料中的電子密度，來幫助電磁波的吸收，例如石墨粒子分散在發泡的聚乙烯中，本身的電阻與石墨粒子間的電容會形成複雜的結構，使得電磁波在材料間產生微觀的共振，以消耗電磁波的能量。

電磁波吸收體的應用 讓雷達「看」不到的隱形技術主要在提高反雷達偵測的能力，雷達偵測的能力決定於目標物的雷達散射截面積（radarcrosssection,RCS）的大小，RCS是指飛機對雷達波的有效反射面積，反雷達偵測的方法便是採用各種手段來減小飛機的RCS。

例如美國B-52轟炸機的RCS大約是一千平方公尺，很容易被雷達發現，然而與B-52轟炸機同一機型，但採用隱身技術的B-2轟炸機，其RCS僅0.01平方公尺左右，一般雷達很難偵測到它。

目前用來減小飛機RCS的主要途徑有兩種：一是改變飛機的外形和結構，二是採用吸收雷達波的塗敷材料和結構材料，在武器的匿蹤材料中多以蒙皮和塗料為主。

雷達和電磁波吸收體的應用，早期是為了軍事的目的，但是由於近來各種電機電子設備的數位化、高頻化，使得電磁波的干擾問題也越來越嚴重，所以電磁波吸收體在多數3C產品中是不可或缺的。

例如將電磁波吸收材料直接貼附在IC晶片、傳輸線、電纜線、電路板或機殼上，其目的即是在避免電磁波干擾到儀器的正常運作。

當電子產品運作時電磁波的相互干擾，可能會造成機器的故障或是訊號的失真，目前各國都已明文規定：在飛機上或醫院中不可使用手機，主要的用意即在於避免電磁波的干擾。

另外因為多路徑效應所產生的雷達假象，也可以利用電磁波吸收體加以克服。

目前日本Takenaka公司，特別研究開發出可以吸收電磁波的瀝青和混凝土，希望運用在電子收費站、隧道內、大型橋梁甚至是大廈建築上，來防止船舶或者是車輛上所裝置的雷達受到多路徑干擾。

隨著科技的快速發展，材料也邁入了奈米時代，在奈米碳管開發出來之後，科學家便不斷地尋找奈米材料的發展契機，其中發現某些奈米級粉體或是其特殊結構，在雷達波吸收上有令人意想不到的功效。

例如塗有奈米碳管或奈米鐵氧磁體的蒙皮，可以有效地降低戰鬥機被雷達偵測到的機會，在重量和厚度上也可大幅地降低。

此外，塗層技術的發展，在反雷達探測上也是非常重要的一環，以俄國新式戰鬥機蘇凱-47（SU-47）為例，它就使用了多層的匿蹤塗料。

二○○○年以後，俄國即開發出多層塗料的塗層技術，可以在很小的厚度中鋪上多層材料，每一層都有不同頻率的電磁波吸收範圍，因而可以大幅增加適用頻寬。

美國的B-2A隱形轟炸機已改用碳纖、環氧樹脂和陶瓷材料來替代金屬結構，此外更利用第四代奈米塗料，以奈米塗層技術包覆機體表面，使得雷達波的吸收率達到99％，而厚度僅有數微米，不像以往的塗料由於使用了大量的鐵氧磁體而使機體重量增加不少。

仿生技術的應用和電漿匿蹤，也是未來隱形技術的研究方向之一。

科學家發現某些生物雖然體積大小不同，但是以雷達掃瞄時，顯現出來的資料卻剛好相反，例如蜜蜂的體積遠比麻雀小，不過它的雷達反射截面積反而比麻雀要大上16倍，科學家也正在研究這些現象，試圖利用仿生科技，尋求更新的隱形技術。

而所謂電漿匿蹤的構想，是來自某次蘇聯太空船返回地球途中一度失聯，事後研究發現，歸因於當時太空船在回程時因高溫而產生的電漿等離子效應。

於是俄國開始在飛機的某些部分製造電漿，藉由外部氣流使電漿包覆於飛機外表，利用控制電漿的離子濃度，達到吸收雷達波和折射的效果，未來此一方面的發展空間也非常大。

反紅外線探測技術與材料 一八○○年，英國天文學家赫謝爾發現了紅外線，而紅外線技術在軍事上的實際應用，則是在二次世界大戰期間，當時德國研製了一些紅外線裝備，其中最典型的是紅外線通信設備和紅外線夜視儀，戰後由於紅外線探測器和紅外線光學材料的迅速發展，更引起了軍事部門的重視。

紅外線是一種人眼看不見的光波，在自然界中一切溫度高於絕對零度（攝氏零下273度）的物體都不斷地輻射著紅外線，這種現象稱為熱輻射。

它是由物質內部的分子、原子運動所產生的電磁輻射，是電磁頻譜的一部分，其波段介於可見光與微波波段之間，只要被測物體溫度和環境溫度差距大時，就非常容易偵測到。

在以往的匿蹤技術中多半以冷卻內燃機的排熱系統為主，由於材料科技的進步，現代化的武器也漸漸走向用水霧、煙幕、塗料和遮蔽材，來減少武器運作時所產生的熱輻射，降低被偵測到的可能性。

以煙幕為例，施放方式有許多種，有煙霧彈、油霧發煙機和煙霧迫擊炮等，如瑞典FFV公司研製的FFV266式迫擊炮彈所形成的煙幕，能有效干擾工作波長在14微米的紅外線傳感器材。

而美軍的油霧發煙機可發射直徑2～20微米，厚度0.3微米的鋁箔，形成鋁箔油霧，以此干擾15微米工作波長的紅外光器材。

一般而言，紅外線抑制塗料可分為吸收型與轉換型二種。

吸收型塗料是利用材料本身或某些結構，讓吸收的能量在塗層內部不斷消耗或轉換，避免引起明顯的溫升，減少物體熱輻射。

而轉換型塗料，其主要的作用是使吸收後再釋放出來的紅外線輻射，向長波長方向偏移，使得處於紅外線工作波長的探測系統無法有效地運作，而達到隱身的目的。

如今更有利用複合抽絲法，將奈米氧化鈦、氧化鋅、氧化矽等粉末包覆於纖維中製成軍服，這種衣服對人體釋放的紅外線不僅有良好的遮蔽效果，同時兼具保暖作用。

也有科學家希望未來可以利用儲能的方法，製作防紅外線探測塗料，其原理是利用化學上的吸熱反應把熱能轉換成化學能，以降低運作時產生的高溫，在無安全顧慮時再行可逆反應，把化學能轉為熱能發散出去。

變色材料發展與應用 以往戰地的偽裝技術多採用迷彩塗料和布料為主，它需要依不同的戰地地形、地貌和植被來做不同的選擇，一旦進入一個未經事先考量設計的戰場背景下作戰，偽裝過的軍事武器反而成了明顯的目標。

這時我們一定會想到武器如果可以和動物一樣，可以隨環境改變自身的保護色，必可降低被攻擊的機會，並方便不同戰場上軍事武器的調度。

在變色材料的分類中，大致可分為光致變材料和電致變材料兩種。

這兩種變色材料的變色原理可說是大同小異，主要是利用光或電來改變材料的氧化和還原的狀態，或改變順反異構物分子的排列，以達到材料對於不同光譜選擇性的吸收能力。

科學家更進一步發現，當材料的顆粒大小進入了奈米尺寸後，有一部分的物理現象已無法再用巨觀的理論加以解釋。

以光致變材料為例，東京大學工學系的藤昭教授及生產技研所的立間徹助教授等人發現，附著在氧化鈦載體上的銀奈米粒子，在藍光照射下會氧化成透明的銀離子，但在照射紫外線後，銀離子可還原回原先的銀奈米粒子，其中又可依粒徑大小呈現不一樣的顏色，遂將此一特殊功能應用在太陽眼鏡、戶外玻璃、光線感應器和戰鬥機的機艙玻璃罩上。

未來，科學家更計劃把此一特性應用在高容量的光學記憶體中。

而電致變材料，目前以氧化鎢、氧化鈦和氧化鋯混合物的技術較為成熟。

以氧化鎢為例，它是利用電子束蒸鍍或濺鍍的方法，以鍍有氧化鎢（WO）薄膜的導電玻璃（ITOglass）為基板，把含鋰原子的電解質鍍在基板上，當有電流通過時，會使其產生鋰化效應，依據鎢和鋰原子數量的比值x，會呈現不同的顏色。

當x從0到0.25時，薄膜呈深淺不同的藍色；x從0.25到0.3時，呈藍棕色；x大於0.3時，呈棕色。

且發現在x小於0.25時，材料的可逆性和穩定性表現都非常好，也就是說材料的耗損度很低，所以美國在很早以前就將電致變材料應用在軍事設備上了。

若不考慮材料的耐候性、強度、硬度等破壞因子，我們必須承認許多生物的偽裝欺敵本能，的確是現今科技所不及。

如今就有生物科學領域的專家，正在研究如何複製含不同色素的皮層細胞，如果可以控制色層的轉變，相信不久的將來士兵在偽裝皮衣的保護下，可以隨著周遭的環境改變偽裝裝備的顏色，藏匿在敵軍陣營中伺機而動，恐怕連眼尖的敵人也未必能夠發現其蹤影。

當然，我們希望未來的科學發展，不是為了持續地研究製造更尖端的武器，但是不可否認的，各國在武器上的競爭，無非是想讓區域性的武力可以相互制衡，就維持和平的角度思考，若代表正義的一方可以握有更精銳的軍事設備，對一些比較激進的國家能夠產生嚇阻作用的話，未來軍事科技的進步，在人類的發展史上會是重要的一環。

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