填料表面改性技术在红外隐身涂料中的应用

叶圣天，刘朝辉，贾艺凡，王 飞，班国东，孙文杰

填料表面改性技术在红外隐身涂料中的应用

叶圣天1，刘朝辉1，贾艺凡1，王 飞1，班国东1，孙文杰2

（1. 后勤工程学院化学与材料工程系，重庆 401311；2. 中国人民解放军 69056部队，新疆 乌鲁木齐 830001）

填料是决定红外隐身涂料红外性能的关键因素。从红外隐身原理出发，得出降低目标红外辐射强度的2个措施：降低红外发射率和控制表面温度。综述了包覆改性、微胶囊改性、化学镀表面改性和表面化学改性等4种填料表面改性技术及其在红外隐身涂料中的应用进展情况。最后，展望了填料表面改性技术在红外隐身涂料中应用的发展方向。

红外隐身；填料表面改性；包覆改性；微胶囊；化学镀；表面化学改性

0 引言

随着红外探测技术的快速发展，军事设施、装备和人员等目标被发现的概率明显增加，在现代战争“发现即摧毁”的形势下，军事目标的生存受到严重威胁。红外探测系统的主要探测波段集中在3～5mm和8～14μm，其通过识别目标与背景的红外辐射反差侦测目标，通常情况下，目标的红外辐射强度高于背景，尤其是目标的高温部位，使得目标在红外探测系统中的红外成像很明显[1]。

红外隐身涂料通过涂覆在目标表面等方式弱化目标的红外辐射强度，降低目标被探测到的概率，提高目标的战场生存能力。红外隐身涂料因不受装备外形的影响、涂覆方便、应用简单等优点被广泛应用于军事目标。红外隐身涂料主要由粘合剂和填料等组成。粘合剂是涂料的成膜物质，满足涂料应有的物理机械性能和耐久性，并且粘合剂应在红外波段具有较高的透过性，减少对红外辐射的吸收；填料是决定红外隐身涂料红外性能的关键因素，要求其具有高红外反射率、低红外发射率及控温功能等。

1 红外隐身原理

目标的红外辐射强度取决于Stefan-Boltzmann定律[2]：

＝4(1)

式中：为红外辐射强度；为玻尔兹曼常数；为目标表面的红外发射率；为目标表面的绝对温度。

从式(1)中可知，目标的红外辐射强度分别同红外发射率和表面绝对温度的四次方成正比。因此，降低目标红外辐射强度的途径有2个：降低目标表面的绝对温度；降低目标表面的红外发射率。

红外隐身涂料中填料是影响红外隐身材料红外发射率和表面温度性能的关键因素，通过填料的作用，目标可以获得低红外发射率和低表面温度。但是，填料的应用仍有一些不足，例如填料同粘合剂相容性不良，填料在粘合剂中的分散性不佳，金属填料表面易氧化，金属填料的高光泽度不利于兼容可见光、激光隐身等。利用表面改性技术对填料进行有目的地改性，可以综合多种材料的特性，改善填料在涂料中的流动性、相容性，制备出耐久性和耐腐蚀性能良好，兼容多波段隐身要求的复合粒子，提高红外隐身涂料的隐身性能。

2 填料表面改性技术

填料表面改性技术是采用物理或化学的方法对填料表面进行有目的地处理，改变填料的物理或化学性质，改善填料的性能。填料表面改性技术可分为表面包覆改性、微胶囊改性、化学镀表面改性、机械化学改性和表面化学改性等[3]。

2.1 包覆改性

包覆改性技术是利用物理、化学方法，通过吸附、附着和沉积等方式制备包覆式复合粒子，综合多种材料的特性，达到功能复合的目的。包覆式粒子由中心粒子和包覆层组成。包覆层材料可以是金属、金属氧化物、半导体以及有机物等。根据包覆改性方法的不同，包覆改性主要包括化学液相沉积法、机械化学法和单体聚合法等。

2.1.1 化学液相沉积法

化学液相沉积法是利用原料在液相中通过化学反应形成微粒，并在中心粒子表面经过成核、生长的过程沉积而成包覆式复合粒子的工艺流程。常用的包覆材料有金属氧化物和半导体材料。通过在金属填料表面包覆着色的金属氧化物和半导体材料，降低金属填料的光泽度，改善填料的雷达波吸收特性，红外隐身涂料可以达到兼容可见光、雷达和激光隐身的目的。表1[4-10]中列举了采用化学液相沉积法制备的包覆式红外隐身复合粒子及其主要红外性能。

2.1.2 机械化学法

机械化学法是将粒径不同的粒子混合，在高速机械搅拌、研磨、球磨等机械力的作用下，粒子的晶体结构、化学吸附特性等发生变化，增强其表面活性，这种活性使改性粒子均匀包裹在被改性粒子的表面形成复合粒子。Yan X[11]采用机械球磨法，以Ag作为表面改性，当Ag、Cu的球磨质量比为2:3时，制备得到球磨Ag-Cu填料，并以PU为粘合剂制得涂层，涂层的红外发射率为0.129，且具有良好的耐腐蚀性和抗冲击性能。

2.1.3 单体聚合法

单体聚合法适用于有机物改性红外隐身填料，单体在中心粒子表面成核、核生长，最后交联聚合形成包覆式复合粒子。通过在金属填料表面包覆一层有机物，填料的耐腐蚀性能及与粘合剂的相容性得到改善。苏青林[10]通过原位分散聚合法，对Al粉进行PS包覆，复合粉体的红外发射率有更好的耐久性，在空

表1 化学液相沉积法包覆改性技术的应用

气氛围中保持4个月后红外发射率基本不变，为0.68。Wu G[12]在铝粉表面包覆一层聚乙烯蜡，并以此为填料、聚氨酯为粘合剂制备了红外隐身涂层，当铝粉的质量分数为30%时，包覆式铝粉具有较低的金属光泽度，涂层的最低红外发射率为0.52。

包覆改性是一种最为常见的填料表面改性技术，通过包覆改性制备的填料，在兼容隐身、耐久性等方面的性能有较大的提升，并且能够使其红外发射率维持在一个较低的水平。但是，包覆改性制备的填料的产量一般较低，要适应工程应用需改进工艺、设备等条件。

2.2 微胶囊改性

微胶囊改性是以相变材料为囊芯材料，高分子有机物为囊壁材料，通过将相变材料微胶囊化的手段，制备出可以控制目标表面温度的相变微胶囊。由于相变材料在相变的过程中存在吸热和放热的现象，所以相变微胶囊可以将目标的表面温度控制在一定的范围之内。根据相变微胶囊相变温度的不同，相变微胶囊可以分为低温、中低温和中温相变微胶囊，其相变温度分别为15℃以下、15～40℃和40～70℃。孙文艳[13]以正十四烷为囊芯材料，聚酰胺为囊壁材料，采用原位聚合法制备低温相变微胶囊，相变温度7.6℃，相变潜热141J/g，控温范围7～8℃。马永强[14]以MF树脂为囊壁材料，硬脂酸丁酯和正十四醇混合物为囊芯材料，通过原位聚合制备了中低温相变微胶囊，并分析了其热性能，微胶囊的相变温度33～41℃，相变潜热154J/g，涂层红外辐射量降低率最低为59%。武世伟[15]以石蜡、月桂酸和正癸酸为芯材，明胶为壁材，通过单凝聚法制备了中温相变微胶囊，该相变微胶囊的吸热峰为46.8℃，放热峰为39.47℃，相变潜热26J/g，制得的涂层涂覆目标后其表面温度降低5℃。

从研究进展看，相变微胶囊的降温效果有限，使其在红外隐身涂料中的应用受到一定程度的限制，因此，有必要进行高相变潜热囊芯材料的课题研究。

2.3 化学镀表面改性

化学镀表面改性是在没有外加电场的情况之下进行的电化学过程，是一种利用氧化还原反应的原理在具有催化活性的金属表面反应沉积成镀层的方法。化学镀的沉积过程是液相中离子通过液相中的还原剂在金属等材料表面还原并以一定的方式形核、长大和聚集形成镀层，而不是固液界面间的金属原子和离子的交换。化学镀的关键在于还原剂的选择和应用，其中最常用的还原剂有次磷酸盐等。

钡铁氧体是一种具有良好雷达波吸波特性的材料，在钡铁氧体表面进行化学镀镀一层金属，可以增加材料的红外反射率，降低材料在红外波段的发射率。通过复合两种材料的特点，有利于开发钡铁氧体红外、雷达多波段兼容隐身的性能。武晓威[16]采用化学镀的方法在钡铁氧体表面镀一层Ni-P合金，通过正交试验设计确定最佳工艺条件：硫酸镍（主盐）30g/L，次亚磷酸钠（还原剂）20g/L，柠檬酸钠（络合剂）70g/L，硫酸铵（缓冲剂）50g/L，温度85℃，pH＝10。结果表明，钡铁氧体的8～14μm红外发射率由原来的0.8542降至0.591，在2～18GHz频段内的最大反射率为－24.3dB。韦韩[17]对钡铁氧体表面镀Ni-P合金做了进一步的研究，在Ni-P合金中引入Co元素，形成Ni-Co-P镀层，制备的改性钡铁氧体的红外发射率为0.5854。

中空微珠是一种隔热性能良好的隔热材料，在隔热涂层中有较为广泛的应用，为了进一步提高中空微珠的反射率，可以采用化学镀的方法在微珠表面镀一层金属镀层。杜军[18]通过化学镀的方法改性玻璃微珠，在微珠表面镀银并考察了其红外发射率的性能，结果表明，镀银玻璃微珠的红外发射率降至0.7，涂层红外发射率为0.8。吴进喜[19]利用金属镀膜空心玻璃微珠制备红外伪装篷布用涂层，在照射强度为1.88kW/m2时，篷布温度升高为7℃，能达到一定的隐身效果。

2.4 表面化学改性

表面化学改性是有机物的官能团在填料表面通过吸附或者化学反应的方式对填料进行包覆，达到填料表面改性目的的方法，经过表面改性后的填料，其耐腐蚀性、在粘合剂中的分散性及与粘合剂的相容性能够得到一定程度的改善。表面化学改性包括官能团改性、偶联剂处理改性等改性方法。表面化学改性的关键是表面改性剂的选择和应用，其中以硅烷偶联剂应用最为广泛。表2[20-22]所示是典型几种硅烷偶联剂改性填料及其主要性能。

表面化学改性是一种较为简单方便的改性方法，适用于表面化学改性的表面改性剂的选择种类较多，具体选用时要综合考虑填料的表面性质以及改性后填料的用途和要求等因素。

3 结语

红外探测技术的发展使军事目标的安全生存受到威胁，因此，针对削弱目标红外辐射强度、降低目标被发现概率的红外隐身技术受到各国重视。采用红外隐身材料是降低目标红外辐射强度的重要手段。目前，探测手段的多元化使单一波段隐身材料已经不能满足隐身要求，复合材料的研究和应用为多波段兼容隐身提出了新的思路和研究方向。填料表面改性技术制备复合粒子能够综合多种材料的特性，有利于实现填料的多波段兼容隐身和提高其耐久耐候性。随着研究的深入和发展，表面改性技术在红外隐身涂料中的应用有以下发展方向：

1）填料表面改性技术的研究仍处在实验室研究阶段并不断向纵深发展，但就从实际应用方面看，尚未达到大规模在军事装备、设施上工程应用的程度，工业化生产及应用有待进一步改善；

2）探究表面改性技术的新工艺、新方法和新设备，加强填料表面改性的深加工，加快粉体材料制备及表面改性的成果转化，提升表面改性技术在功能化领域的应用，改善填料的红外隐身性能；

3）现阶段粉体的制备及表面改性一般归属于两个分离的过程，工序较为复杂，有机结合填料的制备以及填料的表面改性，在填料制备的同时对其进行表面改性，精简红外隐身涂料用填料的制备过程；

4）目前经过表面改性技术改性后的填料只能满足红外、可见光及雷达等1～2个波段兼容隐身要求，利用表面改性技术综合多种材料的特性，制备能够满足可见光、红外、雷达、激光等多波段兼容隐身需求的复合材料。

表2 硅烷偶联剂改性填料及其主要性能

[1] 成声月, 刘朝辉, 邓智平, 等. 军用目标红外辐射特征研究进展[J]. 红外技术, 2014, 36(7): 577-581.

Cheng Sheng-yue, Liu Zhao-hui, Deng Zhi-ping, et al. Research progress on infrared characteristic of military target[J]., 2014, 36(7): 577-581.

[2] 付伟. 红外隐身原理及其应用技术[J]. 红外与激光工程, 2002, 31(1): 88-93.

Fu Wei. Principle and application technology of IR stealth[J]., 2002, 31(1): 88-93.

[3] 郑水林. 粉体表面改性[M]. 北京: 中国建材工业出版社, 2011.

Zheng Shui-lin.[M]. Beijing: China Building Materials Press, 2011.

[4] 陈娇, 黄啸谷, 韩朋德, 等. Al/Cr2O3复合粒子的制备及其多波段兼容隐身性能的研究[J]. 无机材料学报, 2010(12): 1298-1302.

Chen Jiao, Huang Xiao-gu, Han Peng-de, et al. Preparation and multiple-band stealth properties of Al/Cr2O3composite particles[J]., 2010(12): 1298-1302.

[5] Yuan L, Weng X, Du W, et al. Optical and magnetic properties of Al/Fe3O4core-shell low infrared emissivity pigments[J]., 2014, 583: 492-497.

[6] 吴婷婷. 红外-可见光兼容隐身材料的制备与性能研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2009.

Wu Ting-ting. Preparation and Properties of Visible Light and Infrared Camouflage Materials[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2009.

[7] 李少炳, 陈娇, 张乐, 等. 红外迷彩用中低发射率Al/Bi2O3复合粒子的制备及性能研究[J]. 人工晶体学报, 2012, 41(3): 764-770.

Li Shao-bing, Chen Jiao, Zhang Le, et al. Preparation and properties of Al/Bi2O3composite particles with medium-low infrared emissivity for infrared camouflage[J]., 2012, 41(3): 764-770.

[8] 武晓威, 冯玉杰, 陈宇, 等. ZnS:Al复合粒子的制备及其多波段兼容隐身性能的研究[J]. 人工晶体学报, 2012, 41(3): 798-802.

Wu Xiao-wei, Feng Yu-jie, Chen Yu, et al. Preparation of ZnS:Al composite particles and its multiple-band stealth function[J]., 2012, 41(3): 798-802.

[9] 武晓威, 冯玉杰, 陈宇, 等. 均匀共沉淀法制备NiO包覆Al粉体及性能研究[J]. 人工晶体学报, 2012, 41(2): 479-484.

Wu Xiao-wei, Feng Yu-jie, Chen Yu, et al. Preparation and properties of NiO coated Al powders by homogeneous coprecipitation method[J]., 2012, 41(2): 479-484.

[10] 苏青林. Al/PS, Al/CdS和铜粒子的制备及红外发射率研究[D]. 太原: 中北大学, 2011.

Su Qing-lin. Preparation and Infrared Emissivity property of Al/PS, Al/CdS and Copper[D]. Taiyuan: North University of China, 2011.

[11] Yan X, Xu G. Effect of surface modification of Cu with Ag by ball- milling on the corrosion resistance of low infrared emissivity coating[J]., 2010, 166(2): 152-157.

[12] Wu G, Yu D. Preparation and characterization of a new low infrared- emissivity coating based on modified aluminum[J]., 2013, 76(1): 107-112.

[13] 孙文艳, 吕绪良, 郑玉辉, 等. 微胶囊相变材料制备及其在红外隐身涂料中的应用[J]. 解放军理工大学学报: 自然科学版, 2009, 10(2): 156-159.

Sun Wen-yan, Lv Xu-liang, Zheng Yu-hui, et al. Preparation of microencapsulated phase change materials and its application in IR stealth paint[J].:, 2009, 10(2): 156-159.

[14] 马永强. 微胶囊相变材料的制备及其在热红外隐身中的应用[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2012.

Ma Yong-qiang. Preparation of microencapsulated phase change materials and its application in thermal infrared stealth[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2012.

[15] 武世伟. 相变热红外隐身及复合控温涂层[D]. 北京: 北京工业大学, 2010.

Wu Shi-wei. Phase-changed thermal infrared stealthy and composite temperature-control coatings[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2010.

[16] 武晓威, 冯玉杰, 韦韩, 等. Ni-P化学镀制备钡铁氧体基红外-微波一体化隐身材料[J]. 无机材料学报, 2009, 24(1): 97-102.

Wu Xiao-wei, Feng Yu-jie, Wei Han, et al. Preparation of IR and microwave absorbing barium ferrite material by electroless Ni-P plating[J]., 2009, 24(1): 97-102.

[17] 韦韩. 几种低发射率红外隐身材料的研制[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2007.

Wei Han. The Preparation of Some Low Emissivity Infrared Stealthy Materials[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2007.

[18] 杜军, 史广旭, 陶长元, 等. 玻璃微珠的表面化学镀银及红外辐射性能研究[J]. 压电与声光, 2006, 28(1): 96-98.

Du Jun, Shi Guang-xu, Tao Chang-yuan, et al. Electroless silver-plating and infrared radiation performance of hollow microsphere glass[J]., 2006, 28(1): 96-98.

[19] 吴进喜. 红外伪装篷布的制备与测试[J]. 辽宁化工, 2011, 40(1): 18-21.

Wu Jin-xi. Preparation and measurement of the infrared camouflage tarpaulin[J]., 2011, 40(1): 18-21.

[20] 李冬琳, 刘亚青, 张志毅, 等. 改性铝粉在天然胶乳隐身涂层中的应用与研究[J]. 中国胶粘剂, 2014, 23(4): 29-32.

Li Dong-lin, Liu Ya-qing, Zhang Zhi-yi, et al. Study on modified aluminum powder and its application in natural rubber latex invisibility coating[J]., 2014, 23(4): 29-32.

[21] 陈砚朋, 徐国跃, 陈慧敏, 等. 铁基合金粉包覆改性及在雷达/红外兼容隐身中的应用[J]. 材料导报, 2011, 25(14): 50-52.

Chen Yan-peng, Xu Guo-Yue, Chen Hui-min, et al. Surface modification of Fe-based alloy powders and application in radar/infrared compatible stealth coatings[J]., 2011, 25(14): 50-52.

[22] 闫小星. 金属/聚氨酯红外低发射率复合涂层界面改性及性能研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2011.

Yan Xiao-xing. Interface modification and properties of metal/polyurethane infrared low emissivity composite coatings[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2011.

Research on Surface Modification of Fillers in Infrared Stealth Coatings

YE Sheng-tian1，LIU Zhao-hui1，JIA Yi-fan1，WANG Fei1，BAN Guo-dong1，SUN Wen-jie2

（1.,,401331,；2.69056,830001,）

The filler is the key factor which determines the infrared stealth coating properties. Based on the principle of infrared stealth, it is concluded that there are two measures of reducing the infrared radiation intensity of targets, including reducing the infrared emissivity and controlling the surface temperature. Four kinds of filler modification methods and their application progress are reviewed in this paper, including coating technology modification, microcapsules modification, chemical plating modification and surface chemical modification. In the end, the development tendency of the filler surface modification technology applied in the infrared stealth coating is prospected.

infrared stealth，surface modification of fillers，coating technology modification，microcapsules modification，chemical plating modification，surface chemical modification

TQ637

A

1001-8891(2015)12-1058-05

2015-06-01；

2015-07-15.

叶圣天（1992-），男，河南开封人，硕士研究生，主要从事红外隐身材料方面的研究工作。E-mail:15520083639@163.com。

重庆市自然科学基金，编号：CSTC2012gg-sfgc00002；总后勤部预先研究项目。