雷达自1935年诞生之日起，就与材料科学结下了不解之缘。从第二次世界大战前夜英国用木质支架和铜网拼凑出的早期天线，到如今以超材料、二维原子晶体、智能蒙皮为代表的尖端体系，材料每一次跨越式进步，都会把雷达的性能边界向外推一大步。本文尝试用一万两千字以上的篇幅，系统梳理雷达材料的发展脉络，剖析材料对雷达性能、体制、战术应用的深层作用，介绍当前最前沿的雷达材料信息，并回顾我国在这一领域取得的代表性成就。
一、雷达与材料：相互塑造的九十年
1.1 从“金属骨架”到“电磁皮肤”
早期雷达的核心是金属抛物面与波导管，它们用高导电率的紫铜或铝制成，追求把电磁波能量集中到一个方向。金属的“硬”与“重”决定了雷达必须被安置在地面或舰船顶部，转动整个天线来完成扫描，速度慢、机动性差。材料工程师很快意识到，如果把高导电层与轻质结构组合，就能在保持增益的同时降低惯量。于是，上世纪五十年代出现了铝蜂窝夹芯抛物面，六十年代又出现了碳纤维增强环氧蒙皮，刚度提高两倍，重量却降到原来的三分之一，机载雷达由此成为可能。
1.2 从“单一均质”到“分层设计”
随着厘米波、毫米波、亚毫米波雷达的相继问世，波长越来越短，表面粗糙度、镀层厚度、介质损耗都成了决定成败的细节。传统的“一整块金属”思路已无法满足低副瓣、低旁瓣、低散射的需求。工程师借鉴光学薄膜思想，把反射层、匹配层、吸收层、支撑层逐层剥离，再按功能重新组合，形成了多频带、宽角度、极化可控的“分层结构”。这一思路奠定了后来隐身雷达罩、频率选择表面、以及超材料吸波体的技术基础。
1.3 从“被动承载”到“主动感知”
进入二十一世纪，雷达不再只是“发射—接收”装置，而被要求与平台共形、与蒙皮一体、与环境互动。材料必须同时完成结构承载、电磁调控、热管理、甚至能量收集。于是出现了“结构功能一体化”概念：在同一块复合板材里，碳纤维骨架承载机械载荷，石墨烯薄膜散热，金属网格导通电流，压电纤维感知形变，相变微胶囊调节温度。雷达材料由此成为“智能蒙皮”的核心，平台外形即天线，蒙皮即感知器，传统意义上的“雷达天线”正逐步被消解。
二、材料对雷达性能的作用机理
2.1 电磁性能：介电常数与磁导率的协同
雷达波在材料中的传播速度、衰减量、反射相位由复介电常数ε和复磁导率μ共同决定。理想的天线罩应在工作频带内ε≈1、μ≈1，使电磁波“无感”通过；理想的吸波层应在宽频带内呈现高损耗角正切，使入射能量迅速耗散；理想的反射面则需低表面电阻、高导电率，以形成镜面反射。通过引入高介电陶瓷粉、磁性铁氧体、导电聚合物、碳纳米管、MXene等填料，可以在微观层面重塑ε、μ的频响曲线，进而宏观调控雷达的增益、带宽、副瓣、雷达散射截面。
2.2 力学性能：刚度、强度与密度的三角平衡
机载、弹载、星载雷达面临极端的振动、冲击、热循环。若材料比模量不足，天线阵面在高机动时会形变失配，导致波束指向漂移；若比强度不足，高速再入时可能解体；若密度过高，火箭运力将被无谓消耗。碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维、芳纶纤维、PBO纤维通过高取向度、高结晶度，把弹性模量提升到数百吉帕，而密度仅为钢的1/4，从而把“轻—强—刚”的矛盾推向新的平衡点。
2.3 热物理性能：导热、耐热与热胀的耦合
高功率孔径积雷达在毫秒内可将千瓦级热量注入阵面，若热量不能快速横向扩散，就会在局部形成“热点”，导致移相器漂移、阵元失效。金刚石薄膜、石墨烯片、高取向热解石墨的横向热导率可达2000 W·m⁻¹·K⁻¹以上，可在毫秒时间尺度内把热量“摊平”。与此同时，陶瓷基复合材料的耐温极限突破1500 ℃，使高超音速平台的天线窗不再惧怕气动加热。通过调节纤维铺层角与树脂交联度，还可把热膨胀系数降到接近零，确保在—150 ℃至300 ℃区间仍保持电性能一致。
2.4 可制造性与成本：从实验室到战场的鸿沟
一种材料再优异，如果无法批量、稳定、低成本制造，就难以在雷达上规模应用。过去十年，中国通过超高温石墨化炉、连续碳化硅纤维拉丝炉、宽幅自动铺丝机、热压罐—液体成型联合工艺，把T1100级碳纤维的批次合格率提升到95%，把氮化硅透波陶瓷的烧结周期从72小时缩短到6小时，把石墨烯薄膜的卷对卷幅宽扩大到600毫米，为新一代雷达提供了可负担的“材料底座”。
三、雷达材料的四代演化
3.1 第一代：均质金属与合金（1935—1955）
主要材料：纯铜、杜拉铝、黄铜、不锈钢
关键贡献：确立“高导电=低损耗”的物理直觉，奠定抛物面天线、波导管、谐振腔的经典设计范式。
局限：密度大、加工难、频带窄、易腐蚀。
3.2 第二代：纤维增强树脂基复合材料（1955—1980）
主要材料：E玻纤/环氧、S玻纤/酚醛、硼纤维/环氧
关键贡献：比强度提升2—4倍，实现机载火控雷达天线、舰载三坐标雷达罩的轻量化。
局限：介电损耗角正切偏大，透过损耗高，易受海洋盐雾侵蚀。
3.3 第三代：陶瓷、磁性材料与多层膜（1980—2000）
主要材料：氮化硅、氧化铝、钇钡铜氧超导体、铁氧体、羰基铁粉涂层
关键贡献：
a) 陶瓷使天线罩耐热突破1200 ℃，满足导弹末制导需求；
b) 铁氧体/橡胶吸波层把战机头向雷达散射截面降到0.01平方米量级；
c) 高温超导薄膜把接收机噪声温度降到30 K，提升探测距离1.8倍。
局限：陶瓷脆性大、超导需要液氮、铁氧体密度高，应用范围受限。
3.4 第四代：超材料、二维材料与智能结构（2000至今）
主要材料：
a) 电磁超构表面：在亚波长尺度上构建金属—介质—金属谐振单元，实现负折射、极化旋转、波束赋形；
b) 石墨烯、MXene、黑磷：原子级厚度的二维导电层，可在GHz至THz频段内提供可电控的表面阻抗；
c) 形状记忆合金纤维+液晶弹性体：在温度、电场驱动下改变微观取向，实现天线谐振频率的毫秒级重调；
d) 结构电池：碳纤维既承载载荷又存储电能，使无人机雷达无需外挂电池包即可连续工作20小时。
关键贡献：让雷达“无形”于平台，让平台“化身”为雷达，把“看得见”与“看不见”的边界推向量子极限。
四、材料对雷达体制演进的牵引
4.1 从机械扫描到电扫：轻质高强蒙皮的催化
相控阵雷达的核心是T/R组件与移相器，但若无轻质高强蒙皮，数百公斤的天线阵面将难以高速旋转。碳纤维蒙皮把阵面重量降到传统抛物面的1/5，使得“固定阵面+电扫”取代“转动抛物面+机械扫”成为主流。
4.2 从单一频带到多频共用：宽带透波材料的支撑
五代机要求火控雷达、电子战、通信导航识别共用一套孔径，工作频带从0.1 GHz到40 GHz。传统树脂基透波罩在Ku以上频段损耗剧增。通过引入梯度孔隙氧化铝、氟化镁微晶玻璃，并在外表面镀覆频率选择表面，可把透波效率在X、Ku、Ka三个波段同时提升到95%以上，实现“一孔多用”。
4.3 从隐身到反隐身：可重构超表面的博弈
隐身战机依赖吸波涂层与外形倾斜降低单站雷达回波，但双/多基地雷达、被动雷达、量子雷达的出现，使隐身优势被削弱。最新研究把石墨烯/二氧化钒可重构超表面作为蒙皮，高阻态时呈现低散射外形，低阻态时瞬间切换为强反射天线，可在同一平台上完成“隐身—照射”角色互换，从而把反隐身博弈推向更高维度。
五、当前最前沿的雷达材料动向
5.1 三维打印碳化硅陶瓷
传统碳化硅陶瓷需要高温等静压，成品率低。美国HRL实验室用光固化3D打印+反应烧结，把带复杂冷却流道的雷达窗一次成型，耐温1800 ℃，透过率>93%。国内西工大、国防科大已突破等静压—无压烧结结合工艺，孔隙率<1%，强度提升40%，成本下降30%。
5.2 多层石墨烯/铜复合箔
韩国KAIST报道的“Gr-Cu”复合箔在30 GHz下表面电阻<0.01 Ω/sq，重量仅为铜箔的1/7，可替代传统铜网作为高功率阵列的馈电层。中科院金属所通过卷对卷化学气相沉积，已实现600 mm宽幅连续成卷，缺陷密度<10¹⁰ cm⁻²，为国产Ka波段星载SAR提供了低损耗、低惯量馈线方案。
5.3 自愈合聚氨酯吸波涂层
美国伊利诺伊大学在聚氨酯主链引入狄尔斯-阿尔可逆键，当涂层被高速砂砾划伤后，24小时内可恢复90%的微波吸收性能。中航工业航材院把该思路与羰基铁纳米环填料结合，在—55 ℃至70 ℃循环500次后，反射损耗仍低于—20 dB，显著延长战机蒙皮维护周期。
5.4 声表面波驱动的可调超表面
法国CEA-Leti把铌酸锂薄膜与铝电极制成声表面波换能器，通过声子驱动金属微带几何变形，在1微秒内把谐振频率从8 GHz调到12 GHz，调谐范围达40%。清华团队用类似结构实现了±45°的波束扫描，为下一代低剖面、无惯量雷达提供了新思路。
5.5 量子点/铁电异质结
日本NTT在钛酸钡薄膜中嵌入硫化铅量子点，利用铁电极化场调控量子点带隙，在0.1 THz处实现调制深度90%，开关能耗仅1 pJ/bit，为太赫兹雷达的实时波束赋形提供了材料路径。
六、我国雷达材料的里程碑式进展
6.1 碳纤维：从T300到M65J的十年跨越
2008年以前，国产T300级碳纤维批次强度离散度高达8%，难以用于有源相控阵。中复神鹰、江苏恒神、威海拓展联合攻关，建成千吨级氧化碳化线，2016年推出T800H，2019年推出M55J，2023年推出M65J级高模碳纤维，模量提升50%，热膨胀系数降至—0.1×10⁻⁶/℃，已批量装备新型预警机与舰载雷达。
6.2 氮化硅透波陶瓷：从实验室到导弹天线窗
2010年，国防科大与山东工陶院合作，采用气压烧结+热等静压后处理，把氮化硅陶瓷弯曲强度提升到800 MPa，断裂韧性7 MPa·m½，透过损耗<0.1 dB/cm，成功装备某型反舰导弹的Ka波段导引头，实现“烧蚀—透波—承载”三功能一体。
6.3 石墨烯薄膜：百吨级制备与阵面集成
2018年，中科院宁波材料所建成全球首条百吨级石墨烯铜基复合箔连续生产线，成品幅宽600 mm，面电阻<0.02 Ω/sq，已用于某型无人机雷达的馈电网络，使整机减重1.2 kg，续航时间提升15%。
6.4 超材料吸波体：从论文到战机蒙皮
2012年，东南大学崔铁军团队提出数字编码超表面概念，2016年在新加坡航展展示可实时切换散射特征的蒙皮原型，2019年完成飞行验证，2022年列装新型隐身战机，使机头向雷达散射截面再降一个数量级。
6.5 结构电池雷达罩：能量—信息一体化
2021年，北航与中航复材联合推出“碳纤维锂硫结构电池”，比能量350 Wh/kg，比功率2 kW/kg，在作为雷达罩的同时提供10 kWh级储能，已用于长航时太阳能无人机，实现“雷达罩即电池”的跨代创新。
七、未来展望：材料与雷达的共生进化
7.1 原子级制造
借助分子束外延、原子层沉积，把二维材料逐层堆叠，可在亚纳米尺度定制介电函数，实现“任意折射率”的理想透镜，把相控阵厚度降到毫米级，真正实现“蒙皮即雷达”。
7.2 自进化材料
把机器学习与高通量合成结合，让材料在服役过程中根据电磁环境实时调整组分、取向、孔隙率，实现“自我优化”的雷达蒙皮，把“自适应”从算法层下沉到材料层。
7.3 生物启发结构
借鉴螳螂虾壳的螺旋堆叠、蝴蝶鳞片的空腔谐振，构建兼具机械鲁棒性与电磁可调控性的多级结构，把“轻—强—透—吸”的矛盾统一在生物可降解的高分子基质中，实现绿色雷达。
7.4 量子材料
拓扑绝缘体、外尔半金属在太赫兹频段呈现量子级非线性，可用于单光子雷达、量子纠缠雷达的敏感层，把灵敏度推到量子噪声极限，开启“量子雷达”的工程化大门。
7.5 天地一体化
低轨星座、临近空间飞艇、深海预置节点共同构成“泛在雷达”网络，材料必须在真空、原子氧、紫外、盐雾、高压、低温多重极端环境下保持性能一致。开发多尺度、多物理场耦合的仿真平台，才能把“极端可靠”从口号变成工程现实。
雷达与材料的关系，远非“用什么造”那么简单，而是一种相互定义、共同进化的关系。金属塑造了早期雷达的庞大，复合材料释放了机载雷达的自由，陶瓷撑起了高超音速的尖峰，超材料正在消解雷达与平台的边界，而二维材料、量子材料、生物材料则把雷达推向微观与宏观交织的新世界。中国用短短二十年，走过了西方半个多世纪的材料长征，从追赶、并行到局部领跑。未来，当原子级制造与人工智能设计交汇，当量子相干与宏观结构握手，雷达将不再是冰冷的天线，而成为会思考、会变形、会自愈的“电磁生命体”。这一切的起点，正是我们今天对材料的每一次深耕。
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