热红外隐身涂料的研制与应用

哈尔滨理工大学论文热红外隐身涂料的研制与应用学科、专业名称：化学与环境工程学院化学工程与工艺专业学生姓名：高冠雄，化工09-3班26号指导教师姓名：王虹2012年4月29日1摘要：简述了热红外隐身的机理、热红外隐身涂料的组成，综述了国内外热红外隐身涂料的研究现状，并分析了其发展方向。关键词：热红外隐身；隐身涂料；热伪装；红外发射率引言自20世纪50年代开始，红外探测技术在军事领域的研究及应用不断深入并日趋完善。作为非常成熟的技术，它己在侦察、精确制导、火控等方面显示出巨大的威力。与此同时，作为矛盾的另一面，针对红外探测隐身技术的研究自然成为人们十分关注的课题。作为热抑制技术中主要的技术手段和材料，低发射率隐身涂料具有使用方便、工艺简单、品种多样、成本低廉等优点，因此一直是各国隐身技术研究的重点，在热红外隐身技术中占有重要地位。1热红外隐身的机理红外探测系统是依靠探测目标自身和背景的辐射差别来发现和识别目标。红外隐身涂料主要针对红外热像仪的侦察，在降低目标在红外波段的亮度，掩盖或变形目标在红外热像仪中的形状，降低其被发现和识别的概率。在斯蒂芬一玻耳兹曼定律中:4式中，ε为物体的发射率，σ为斯蒂芬一玻耳兹曼常量;T为目标的绝对温度。从玻耳兹曼定律可以看出，由于目标的辐射强度与ε和T4成正比，所以实现红外隐身最有效的途径是降低材料的发射率和控制目标的表面温度[1]。实现红外隐身的途径，从理论上可以从4个方面来实现:(1)改变目标的红外辐射特征，使目标的红外辐射波段避开红外大气窗日或红外制导导弹的工作频率;(2)降低目标的红外辐射强度，主要为降温和采用低发射率材料;(3)控制目标红外辐射的传输过程，增加其在传输过程中的吸收、散射和反射以改变目标红外辐射的功率分布;(4)干扰目标的红外辐射信号，造成假象。热红外隐身材料主要从第两个途径来实现目标的伪装。采用热红外隐身材料的目的就是使目标和背景的辐射能量差减小到红外探测器探测不到或识别不出的程度，因此对红外隐身材料，一方面要求其与背景的辐射能量差要小，另一方面要求其响应频带要宽，即要求该材料的覆盖波段为3-5μm和8-14μm,同时要有利于实现多波段兼容。红外隐身材料按照其工作原理可分为降温材料、低发射率材料、热迷彩材料、变频材料、杂化材料和双层材料。日前，报道较多，应用较广的主要为降温材料和低发射率材料。2热红外隐身涂料的组成及研究现状中红外、远红外隐身涂料是一种使3~5μm和8~14μm工作波段的红外线探测设备难以探测或造成错觉的隐身技术，也称为热红外隐身涂料。目前，以降低发射率为目标的热红外隐身涂料主要性能指标是：目标表面的发射率εTIR包括3~5μm和8~14μm中远红外波段），在可见光和近红外波段的太阳能吸收率ASUN2及其他波段隐身要求的兼容性[2]。它主要包括颜填料、基料和添加剂三部分。2.1颜料颜料是决定材料发射率、吸收率、以及与可见光、近红外隐身兼容性的关键成分。其中的颜料可分为金属颜料、着色颜料和半导体颜料3类。金属颜料对降低涂料的红外比辐射率效果最好，着色颜料主要用于改善涂料的可见光隐身特性，而掺杂半导体颜料是使涂料同时具有红外隐身和宙达隐身两种功能的有效途径。金属颜料是迄今为止报道较多的热隐身颜料。从基尔霍夫定律可知，不透明体的反射率越高，发射率就越低，而金属粉末一般为不透明体，因此其发射率一般都较低。适用的金属或合金颜料有Al、还原Fe,Cu,Zn,N,Sn,Au等，其涂层的红外发射率如表1。表1几种金属颜料粉末及其涂料的红外发射率金属颜料粉末发射率涂料发射率（酚醛树脂为粘合剂）Al0.4780.748还原Fe0.6430.674Cu0.6250.710Zn0.6890.730N0.7830.806中晶Si0.6130.825中晶Si(A1)0.7770.851由表1可知，金属铝粉末的发射率最低，但是制成涂料以后，还原Fe的发射率最低。金属颜料粒了的形状及尺寸对发射率也有一定的影响。鳞片状铝粉粒了尺寸在50-70μm时，其发射率最小[3]。同时铝粉的含量对发射率也有一定的影响，当铝粉的含量超过一定范围之后，使发射率下降的作用就减弱了，而目过高的铝粉含量不利于可见光和宙达隐身。因此，铝粉的含量以25%,30%为宜，最大不超过40%[4]。红外隐身涂料选用着色颜料(通常是非金属颜料)是为了满足与可见光伪装兼容的要求。大多数着色颜料不具备降低发射率的作用，仅要求其不损害涂料的热隐身性能即可。因此，着色颜料的筛选一直是隐身涂料研制工作的难点之一。着色颜料主要有两大类:有机颜料和无机颜料。无机颜料主要有金属氧化物和氢氧化物、非金属氧化物和一些盐，如氧化锌、一氧化钛、五氧化二钒、氧化铁、氧化铬(绿、黄)、氢氧化铬、硫化镉、硒化镉、钦酸盐、磷酸盐、醋酸盐、碳酸盐等;有机颜料种类繁多，最常见的是偶氮化合物，如四氯二苯基重氮酸等[5]。其中硫化镉的红外透明性好，吸收峰在红外大气窗口之外，有希望成为新一代的热隐身材料。金属颜料虽具有良好的红外隐身性能，但不利于宙达隐身和可见光伪装，而着色颜料一般难以调低涂料的发射率值。兼容性能良好的宽波段隐身涂料日渐成为判断涂料好坏的最重要指标之一，半导体材料有望解决这一矛盾。目前报道最多的掺杂锡的氧化钢(简称ITO)具有高可见光透过率和中远红外波段优良的红外反射性能及微波衰减性能，因而可望解决宽频谱轻质伪装隐身材料难题[6-8]。掺锡氧化铟填料，可以通过调整SnO2和In2O3的含量来控制涂层的表面红外辐射率。经测试得知当SnO2摩尔含量为5%左右时，涂层的发射率最低[9]。32.2粘合剂为了不使自身成为辐射源，选用的粘合剂必须有较低的红外吸收率。因此，适宜的粘合剂应是对红外辐射高透明或高反射的材料。粘合剂分有机粘合剂和无机粘合剂两大类，既有较低的红外吸收率，又有较好的物理机械性能的红外透明聚合物，是进行选择的较理想的红外隐身涂料粘合剂。现有的对红外高透明的有机粘结剂聚烯烃类(聚乙烯、聚乙烯与聚苯乙烯的共聚物，商品名称为Kraton)，橡胶类(丁基橡胶、氯化橡胶)，以及其他聚合物(醇酸树脂、环氧树脂)等。红外涂层用树脂有两个基本要求:首先必须保护好填料，并在涂层的整个使用期保持它们的红外特性不变;其次，树脂须在所选光谱范围红外透明。根据美国涂料技术协会会的研究结果，可以从有机化合物连接键和基团来大致判断其红外吸收能力。大多数树脂在近红外区并无强烈吸收，但在热红外区由于其官能团的分了振动，如波段位于3.3μm(碳氢仲缩振动),5.7μm(狱基仲缩振动),7.0μm(碳氢变形振动),8.0μm(域碳氧仲缩振动)，有强烈的吸收。选用不适合这些官能团的树脂可以减少红外频段的强烈吸收[10]。表2中列举了部分粘合剂对ITO涂料发射率的影响。表2不同粘介剂对ITO涂料一发射率的影响粘合剂种类颜料8~14μm平均发射率环轨树脂ITO颜料粉末0.852酚醛树脂ITO颜料粉末0.673醇酸树脂ITO颜料粉末0.861聚氨酯漆ITO颜料粉末0.815水晶漆ITO颜料粉末0.805银粉漆ITO颜料粉末0.752Kraton树脂ITO颜料粉末0.624ITO颜料粉末中Sn02摩尔含量均为5%。董延庭等通过改性方法用内烯酸树脂单体对聚丁一烯和二元乙内橡胶线型聚合物进行接枝聚合，研制出在红外波段发射率最低可达0.19的高透明红外隐身涂料粘合剂，是目前己见报道的发射率最低的粘合剂。除了以上的有机粘合剂以外，还有一些无机粘剂，如无机磷酸盐粘合剂。但是与有机粘合剂相比，机粘合剂的物理机械性能和工艺性能都不如有机粘合剂。因此，现有的粘合剂大部分围绕在有机方面。涂层的吸收率还可通过加入填料而降低，这些填料通过控制散射率和粒了半径可将树脂吸收波段的辐射光有效地散射掉，这项技术在热红外频段有很大的优越性。3发展概况通过检索文献可知，国外热红外隐身涂料的发展大概经历了以下4个阶段：第一阶段：从20世纪60年代末到70年代末，为热红外隐身涂料探索阶段；第二阶段：从20世纪70年代末到80世纪中期，为第一代热隐身涂料成熟应用阶段；第三阶段：始于20世纪80年代中期，为第二代热隐身涂料探索阶段；第四阶段：始于20世纪80年代中后期，为第二代热隐身涂料逐渐成熟阶段。这4个阶段国外一些典型的红外隐身涂料的配方和性能在文献中有报道。由于美国研制的部分情况陆续有所披露，因而引起了各国军方的高度关注，西方4各国也纷纷介入热隐身涂料研究，其研究进展呈明显加速趋势。西德专利报道所研制的涂料红外发射率可达到0.2以下，瑞典的DlabBarracudaAB公司，其伪装产品的开发也已经达到国际先进水平。英国杜菲—狄坦宁公司生产的热隐身涂料，几乎能适应任何需要的红外反射率。近年来，随着先进红外探测器、毫米波雷达、激光雷达等先进探测设备的相继问世。国外先进的多频谱隐身涂料在可见光、近红外、远红外、8mm和3mm五波段一体化方面也取得较大进展。美国研制的多功能隐身涂层在毫米波30~100GHz的吸收率为10~15dB，中红外3~5um发射率为0.5~0.9，远红外波段8~14um,发射率为0.6~0.95，可见光的光谱特性与背景基本一致。法国研制出一种宽频纳米隐身涂料，这种涂料由粘合剂和纳米级微填充材料（由Co、Ni合金和SiC纳米颗粒组成）组成，对50MHz~50GHz范围内的电磁波具有良好的吸收性能。这种由多层薄膜叠合而成的结构具有很好的磁导率和红外辐射率，在较宽的频带内有很好的隐身效果[11]。综上所述，从国外现状看，第一，国外的热红外隐身涂料已形成了彩色化，但彩色品种仍不够丰富，实用化的较少；第二，国外研制的低发射率涂料在对付可见光、红外和微波探测的兼容性方面虽然有了长足的发展，仍没有完全解决好。我国热红外隐身涂料的研究起步较晚，近几年典型的热红外隐身涂料的配方见表3。4结语由于热红外隐身涂料属于及其敏感的军事技术，因此从公开渠道透露出来的信息极少，但从热红外隐身涂料的使命和目前存在的一些问题推断，今后应在以下几个方面加紧努力。(1)在不影响基料在热红外波段高透明的同时，进一步提高基料的物理机械性能并且降低在热红外波段的发射率。(2)研究和开发经济实用的颜填料。(3)选择适当的消光剂和填料粒径，使涂层表面有适当的粗糙度，从而达到漫反射效果，降低涂层在热红外波段的发射率。(4)加快复合隐身材料的研究，以同时满足可见光、红外、激光和雷达隐身的要求。(5)探索低发射率薄膜以及隔热材料、相变材料、树脂基复合材料等用于热隐身的可能性。(6)降低材料光学性能对表面污染的敏感性。(7)完善红外隐身材料的性能测评系统。参考文献[l]付伟.飞机的光电隐身技术.航空兵器.[2]田乃林.红外隐身方法与材料的发展.化工进展.[3]昌绪良，府寿宽.鳞片状铝粉及其涂层对红外发射率的影响.工程兵工程学院学报.[4]费逸伟，黄之杰，唐卫红，等.颜料对低发射率涂料红外辐射特性的影响.材料科学与工程.[5]王自荣，余大斌，孙晓泉.红外隐身涂料颜料发射率研究.上海航天.[6]张明瑜，姚吉升，陈志飞.ITO宽频谱隐身材料的作用机理探讨.矿冶工程.5[7]於定华，叶熙源，余大斌.ITO作填料的涂层光谱特性研究.功能材料.[8]马格林，曹个喜，黄云霞.红外和需达复合隐身材料—掺杂轨化物半导体.红外技术.[9]王自荣，余大斌，价定华，等.ITO涂料在8-14μm波段红外发射率的研究.红外技术[10]郦江涛，姜卫陵，赵云峰.红外隐身涂料的研究进展.宇航材料工艺.[11]辛宇天，王强.纳米隐身涂料特性及应用分析.光电技术应用.表3国内近几年典型的热红外隐身涂料的配方和性能时间研制者主要成分红外发射率其他性能1999年王自容KRATON树脂、ITO颜料粉末（SnO2摩尔含量为）ε8~14um=0.6241999年余大斌改性乙丙橡胶粘合剂、铝粉ε8~14um=0.582001年崔占臣等环氧三元乙丙橡胶（溶于甲苯）、铝粉(25%)、2—甲基咪唑ε8~14um=0.5842001年翁小龙等环化橡胶、Sb2S5、酞菁绿ε8~14um=0.441~0.574