红外隐身材料的研究进展

第21卷第1期2011年3月洛阳理工学院学报（自然科学版）JournalofLuoyangInstituteofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.21No.IMar.2011红外隐身材料的研究进展张拦，王璐，刘琼（洛阳理工学院环境工程与化学系，河南洛阳471023)摘要z红外隐身技术是当前隐身技术研究的一个热点，采用红外隐身材料可以降低或改变目标的红外辐射特征，实现目标的低可探测性，提高武器装备的战场生存和突防能力．介绍了红外隐身材料产生的背景、工作原理以及组成，并结合红外隐身材料的研究现状，展望了其未来的发展趋势．关键词：红外辐射；隐身材料；涂层；隐身技术；研究进展DOI:10.3969/j.issn.1674-5043.2011.01.002中固分类号：TN976;TQ637;TN219文献标志码：A文章编号：1674-5043(2011)01-0005-05现代战争中战场日益透明，发现就意味着摧毁。为了对抗各种红外线探测器的探测、识别和跟踪，提高军事目标在战争中的生存、突防和纵深打击能力，世界各主要军事大国都在致力于发展反红外探测技术Ill。红外隐身技术作为一种反侦察手段，已成为继防雷达探测技术之后隐身技术研究中的又一项重要内容，如美国在联合攻击战斗机SF）的喷管上采用特殊涂层以降低红外线特征信号1210因此，红外隐身材料作为红外抑制技术中的重要手段和材料，以其制备简单、使用方便、成本低廉等优势而成为有效对抗红外线探测的关键技术。1红外隐身材料的隐身机理红外隐身材料主要通过降低目标表面的红外发射率和绝对温度，改变目标的红外辐射特征，降低武器在红外波段的亮度，改变武器在红外热像仪中的形状，降低其被发现和识别的概率。工作状态的热目标红外隐身区域包括近红外波段（0.76-1.5µ川、中红外波段（35µm）和远红外波段（8-14µ则，而非工作状态的常温目标主要是近红外隐身。由斯蒂芬波尔兹曼定律以及发射率的定义，一个物体在全波长范围内辐射出射度为：E=c£h=E:σT4式中zE为物体的发射率：Eb为黑体的辐射出射度，W/m2;1为目标的绝对温度，K：σ为斯蒂芬波尔兹曼常数，其值为5.67×10-3W•m-2•K斗。从斯蒂芬波尔兹曼定律可以看出，目标的红外辐射特性取决于材料的温度和发射率，温度在OK以上的所有物体，都会不断地产生红外辐射。因此，与雷达探测有所不同，红外探测是一种无源探测，直接接收目标发射的红外辐射，或者说是探测目标与背景的红外辐射差异。降低目标的红外辐射强度是隐身技术的关键所在（3（，而对于热平衡辐射体，也可以理解为降低目标的吸收率是降低目标红外辐射强度的重要手段。2红外隐身材料的主要组成目前红外隐身材料的研究重点是涂料型材料1飞红外隐身涂料通常由吸收剂（颜料）、粘合剂（基料）和添加剂组成。由于红外隐身涂料的低发射率是吸收剂、粘合剂和添加剂的综合体现，这就要求颜料具有高反射低吸收的特性，而粘合剂具有很好的红外透明性，不掩盖颜料的光学性能。红外隐身涂层是由红外隐身涂料在装备表面上涂制而成，按其构成的涂层数可以分为单层和多层复合涂层。单层涂层由同一种涂料涂成的涂层，而多层涂层则考虑到多波段、与雷达波及激光隐身涂层兼容，由不同涂料组成。收稿日期：2010-11-26作者简介：张拦（1979），男，河南洛阳人，博士，讲师，主妥从事纳米功能材料及有机元机杂化材料方面的研究．基金项目：洛阳理工学院博士科研启动基金资助项目（2009BZ20).。1994-2011ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http：刀卷洛阳理工学院学报（自然科学版）2.1颜料颜料是影响涂层红外隐身性能的最主要因素，涂料的隐身能力主要是通过颜料的选择和颜料间的科学组合来实现的。一般将其分为金属颜料、着色颜料和半导体颜料三类。1）金属颜料．金属颜料是迄今为止报道最多的热隐身颜料。由基尔霍夫定律可知，不透明体的反射率越高，发射率就越低。由于金属粉末一般属于不透明体，其载流子密度较高，所以具有较高反射率的金属粉末的发射率一般都较低l坷。金属颜料虽然在热红外（TIR）频段的吸收很少，但在整个波段散射和反射很大。其高反射性虽有利于降低红外发射率，却增加了对雷达波、可见光和激光的反射，不利于雷达、可见光和激光隐身，并有可能在这些波段具有“显形”作用。适用的金属或合金颜料有Al、Zn,Sn、Au,Cu等，但实际中多选用性能优良、廉价易得的Al粉，其发射率最低可达到0.47161。随着金属颜料含量的增加，可使红外隐身涂层的发射率降低至0.5甚至更低川，但是金属颜料含量超过一定范围后，就产生会减弱降低发射率的作用。迄今报道的红外隐身涂料中金属颜料的含量一般不超过46%，通常在20%30%居多。徐文兰等181对金属颜料粒子形态和尺寸对其发射率的影响进行了研究，认为片状金属颜料降低红外隐身涂料发射率的作用最大，小棒状次之，空心或实心球较差，发现鳞片状的金属粒子尺寸在5070um时发射率最小。2）着色颜料。红外隐身涂料选用着色颜料是为了满足可见光与近红外伪装兼容性的要求。选用的大多数着色颜料并不具备降低目标表面发射率的作用，一般仅要求其不损害涂料的热隐身性能。着色颜料的筛选和制备一直是红外隐身涂料研究的重点与难点。着色颜料主要分为两大类：有机颜料和无机颜料。有机颜料种类繁多，最常见的是偶氮化合物，如歌菁蓝、散菁绿、四氯二苯基重氨酸、N,N别是基乙基）在3,4,9,10四援基二酷亚肢l坷。由于有机颜料复杂的C-N-0结构，在红外线波段都有强吸收，将会使涂料的发射率显著升高。根据美国涂料协会的研究结果，可从有机化合物所含的连接键和基团来大致判断有机颜料的红外吸收能力。大多数有机颜料虽然在近红外区无明显吸收，但其在热红外区由于自身官能团的分子振动，如热红外波段位于3.3um（碳·氢伸缩振动）、5.7llm（旗基伸缩振动）、7.0µm（碳氢变形振动）、8.0J.1m（碳氧伸缩振动）处有强烈的吸收。因此，为了实现视频隐身，多选用无机颜料作为低发射率红外隐身涂料的填料。无机颜料主要有金属氧化物、氢氧化物、非金属氧化物和一些盐等，如氧化停、二氧化铁、五氧化二筑、氧化铁、氧化锚、氢氧化铝、硫化铺、硫化锦、石由化铺、铁酸盐、磷酸盐、锦酸盐、醋酸盐、碳酸盐等（IOI。大部分无机颜料在热红外波段（TIR）都具有明显的宽吸收频谱。例如，碳酸盐在7.11m吸收最强，硅酸盐在大约9um、氧化物在930llm之间有吸收峰。Areson曾比较了硫化锅、氧化铁、铭绿和锚黄4种颜料的计算机模拟光谱，认为硫化锅的红外线透明性最好，其吸收峰在红外线大气窗口之外，能使军用绿色涂层产生额外的散射，有希望用于新一代热隐身涂料1111.3）半导体颜料．半导体颜料是20世纪80年代兴起的一种掺杂颜料，它是由金属氧化物（主体）和掺杂剂（载流子给予体）两种基本成分构成，是研制兼容性能良好的多频谱宽波段隐身材料的理想选择。对于掺杂性材料，由于杂质离子的进入，破坏了正常晶格的平移对称性，将产生以杂质离子或缺陷为中心的局域振动模式，此外杂质能级处于禁带之内，容易发生跃迁，增加自由载流子的浓度112］。从理论上说，通过适当选择载流子密度，载流子迁移率和载流子碰撞频率等参数，可以使掺杂半导体在红外波段杳较低的发射率，而在微波和毫米波段具布较高的吸收率，实现红外光与可见光、雷达波、激光等波段的兼容隐身。半导体颜料在红外隐身涂料中所占的百分比一般在10%93%，粒子形状通常为细杆状、细片状和扁平状：尺寸大小→般为5100µm。最常见的掺杂半导体颜料是SnOi和ln203，可掺杂制成锢锡氧化物(ITO）粉末，其颜色可调，能使涂料的发射率降至0.6241叭是一类兼容性能良好的红外隐身材料。但ITO粉的价格偏高，有待寻找→种价格适宣且效果良好的掺杂半导体来取代它。2.2粘合剂粘合剂是热红外隐身涂料的主要成膜物质，也是影响隐身涂层发射率的主要因素之二。研究认为，。I994-20IIChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allriβtsreserved.htψ／／取决于粘合剂JI飞因此，采用在红外区高透明低发射率的粘合剂，对于实现涂料的低发射率具有重要作用。粘合剂分有机粘合剂和无机粘合剂两大类，其中以有机粘合剂种类最多，目前研究的也最多。1）有机粘合剂．为了不使自身成为辐射源，既有较低的红外发射率，又有较好的物理机械性能的红外透明聚合物是隐身涂层粘合剂的理想选择。现有的可供热隐身涂层用有机粘合剂有聚烯怪类（聚乙烯、聚乙烯与聚苯乙烯的共聚物，商品名称为Krato川、橡胶类（嵌丁基橡胶、氯化橡胶）以及其他聚合物（醇酸树脂、环氧树脂）等。其中以聚乙烯为基本结构的改性聚合物在814µm的TIR频段范围内，红外透明度可达0.8，是比较理想的粘合剂。2）导也或半导体聚合物．将具有共辄主链的绝缘高分子通过化学或电化学方法的掺杂，使之具有半导体或导体的性能，可用作热隐身涂料粘合剂。与红外透明有机粘合剂不同，导电聚合物可直接提供热隐身效果，因此对制备热隐身涂科具有特殊的意义。目前西方国家正在研究电导率随频率分布、红外发射率随时间改变的半导体聚合物，以用于热伪装。导电聚合物材料按其组成和导电机理可以分为本征型和复合型两种类型。前者指聚合物本身具有导电性或经掺杂处理后才具有导电功能的聚合物，因其加工合成困难、成本高，仍处于研究阶段。所以研究重点为复合型导电高分子材料。其获得方法有两种：①在基体聚合物中填充各种导电填料：②将结构型导电聚合物或亲水性聚合物与基体聚合物共混。3）无机粘合剂．与有机粘合剂相比，无机粘合剂的红外吸收率较低，但物理机械性能与施工性能较差。Kalvert等JISI认为无机磷酸盐粘合剂是热红外性能较好的粘合剂，研制了一种无机磷酸盐粘合剂，它的组成为z磷酸24.2%、氧化镇4.3%、铭酸4.7%、乙醇1.7%、7J65.1%，并以此制成了热发射率较低的涂料。除此之外，在无机粘合剂中，无机硅酸盐低聚物可形成只含有硅氧键的聚合物，除9µm处之外，发射率都很低。2.3添加剂除了吸收剂和粘合剂之外，还有一些添加剂能够改善红外隐身涂料的隐身性能。例如加入硫化铮（Zn町、晒化辞（Z峭的、硫化锢钙（Caln2S4）、呻化稼（GaAs）、磷化稼（GaP）和错（Ge）等，可以便铝粉含量低的红外隐身涂料的发射率降低和漫反射率增加。另外，环芳径是一类具有可调控孔径的空穴结构的大环化合物，它对814µm波段的红外热像仪具有隐身性，且其本身化学稳定性高，还能和一些小分子物质形成主·客体包结物，作为添加剂用在涂料中能够减小目标的红外发射率。研究发现，一些芳香族的Schiff碱J161用做红外隐身涂层的添加剂，制得的不同颜色的隐身涂料，在远红外波段的的最低红外发射系数达0.60，是一种具有很大发展前途的添加剂。另据报道，为降低目标表面温度，在一般彩色涂料中要加入大热惯量隔热材料和相变材料。一方面它不会增加涂料的发射率，另一方面却具有显著的降温效果，这样就同样起到了抑制目标红外辐射的作用。隔热材料一般是泡沫塑料和陶瓷材料。己报道的中空微珠的隔热降温效果较好，费逸伟等1171研究的中空微珠在60目时降温效果最好，而且当其用量小于20%时，中空微珠对涂层的发射率基本没有影响。相变材料在发生物相转变时，伴随吸热、放热效应而引起温度变化，利用这种特性可以从温度上对目标的热辐射能量加以控制。该相变材料体系通过将内装相变物质的胶囊埋置在泡沫状物质中、分散在织物中或是与胶粘剂混合后用在军事目标上，通过吸收目标放出的热量，降低其热红外辐射强度。3红外隐身材料的研究现状及发展趋势3.1红外隐身材料的研究现状红外隐身材料属于及其敏感的军事技术，从公开渠道透露的信息极少，