红外伪装涂料的研究探讨

2017-11-28王兴起王洪坤施旭耀

山东工业技术 2017年23期

关键词：涂料研究进展影响因素

王兴起　王洪坤　施旭耀

摘要：本文介绍了红外伪装涂料的作用机理，概括了影响红外伪装涂料的颜料及粘合剂；综述了国内外红外伪装涂料的特性及其研究现状并展望了红外伪装涂料的发展前景。

关键词：红外伪装；涂料；影响因素；研究进展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.007

0 引言

随着现代侦察技术的飞速发展与完善，各种军事重要目标、特殊装备等面临着日趋严重的威胁。传统的可见光伪装技术已经远远不能满足需求。针对该问题，世界各国已经成功研制出了许多先进的伪装技术，其中红外伪装涂料以其制造方便、成本低廉、坚固耐用、施工方便等优势在伪装中占有重要的地位。

1 红外伪装涂料的原理

在0K以上的溫度下，一切物体均会辐射红外线。但是由于空气中存在二氧化碳、氧气、水等极性分子，处于极远红外区域的红外线会被空气吸收，只有波长正常处于“大气窗口”，即3～5μm、8～14μm区域的红外线能在大气中无阻碍传播。而其中8～14μm波段为热成像的重要波段[1]。目前，红外探测主要有两种探测方法：一是点源探测；二是成像探测，利用目标与背景的红外辐射差别通过成像来识别目标。因此，实现目标红外伪装，应设法使目标热图与背景热图相似，使目标在红外热图像上看与背景相融合。由斯蒂芬-玻耳兹曼定律及发射率定义，一个物体在全波长范围内发射的辐射出射度为：。式中：W为物体的总辐射出射度，σ为玻耳兹曼常数，ε为物体的发射率，T为物体的绝对温度。温度相同的物体，由于发射率的不同，在红外探测器上会显示出不同的红外图像。另一方面，为降低目标表面的温度，红外伪装涂料在可见光和近红外还具有较低的太阳能吸收率和一定的隔热能力，以使目标表面的温度尽可能接近背景的温度，从而降低目标和背景的辐射对比度，减小目标的被探测概率。

2 红外伪装涂料的影响因素

目前，以降低发射率为主要目标的伪装涂料主要性能指标是：目标表面的发射率，在可见光和近红外波段的太阳能吸收率及与其它波段伪装要求的兼容性。为此，红外伪装涂料应具有以下基本要求：

（1）具有符合要求的红外发射率；

（2）具有良好的热稳定性和基料结合性；

（3）多频段兼容性好、结构简单、轻便坚固，成本低廉。

2.1 颜料的影响

颜料是影响涂料伪装性能的重要因素之一，涂料的伪装能力主要是通过颜料的选择和颜料间的合理配比来实现的。目前用于红外伪装涂料配方中的颜料主要有三种：金属颜料、着色颜料和半导体颜料。

2.1.1 金属颜料

基尔霍夫定律表明，不透明体的反射率越高，发射率越低。因此，有较高反射率的金属粒子是热伪装涂料最常用和最重要的颜料种类。可用的有Al、Zn、Sn、Au、青铜等，实际选用集中于性能优良、价廉易得的Al。随着金属颜料的增加，可使红外伪装涂层的发射率降低至0.5甚至更低，但是金属颜料含量超过一定范围后，即会使发射率升高。迄今报道的热伪装涂料金属颜料含量一般不超过40%（质量百分数），通常在20%～30%居多。

2.1.2 着色颜料

选用着色颜料主要是为了满足与可见光伪装兼容的要求，大多数着色染料不具备低发射率，仅能要求其不损害涂料的热伪装性能。因此，着色颜料的筛选一直是伪装涂料研究工作的难点之一。目前，已知的着色颜料分为无机颜料和有机颜料两大类，无机颜料大致以金属氧化物和氢氧化物、金属非氧化物、无机颜料盐等3类为主，而在众多的有机颜料中最常见的是偶氮化合物。

2.1.3 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，在红外伪装涂料中前景较好。掺杂半导体由金属氧化物（主体）和掺杂剂（载流子给予体）构成，它能够弥补金属颜料与着色颜料的自身缺陷。常见的半导体颜料有SnO2与In2O3，可掺杂制成铟锡氧化物（ITO）粉末，其颜色可调，能使涂料的发射率降低至0.624[2]，是一类兼容性良好的红外伪装涂料。

2.2 粘合剂的影响

粘合剂是影响涂料隐身性能的另一个基本因素。很多研究者认为，涂料在红外波段的吸热能力在很大程度上取决于粘合剂。研究证实，粘合剂对涂料发射率的影响超过60%[3]因此，要求粘合剂在红外波段保持透明，从而体现填料的光学性能。粘合剂可分为有机粘合剂与无机粘合剂两大类，目前有机粘合剂研究较多。

2.2.1 有机粘合剂

有机粘合剂既有较低的红外发射率又有良好的物理机械性能而被广泛关注。研究人员在有机类粘合剂做了大量工作，南京航空航天大学徐国跃课题组、中北大学刘亚青课题组、电子科技大学邓龙江课题组等在红外伪装材料研究方面取得了一定的进展[4]。现在研究较热的用于红外伪装涂料的有机粘合剂有聚乙烯、EVA树脂、三元乙丙橡胶、Kraton树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、氟碳树脂等。其中聚乙烯在8～14μm波段没有强吸收基团，是较理想的控温兼红外透明性材料，且防腐蚀和耐低温性优良。

2.2.2 无机粘合剂

与有机粘合剂相比，无机粘合剂的性能比较简单，红外吸收率也较低，但物理机械性能和施工性能较差。国外研制了发射率值较低的热伪装涂料，其质量分数组成分别为：磷酸24.2%、氧化镁4.3%、铬酸4.7%、乙醇1.7%、水65.1%。尽管磷酸盐和铬酸盐离子在热红外波段强烈吸收，但它们的混合物在高温下烧结形成一种玻璃质材料，其漫反射率高达60%，这样也就降低了涂层的发射率值。Kiyoshi等[5]表示，铬酸盐及磷酸盐离子虽然在红外窗口波段吸收强烈，但高温烧结后，生成一种准玻璃物质，大大提高红外的漫反射率，可达到60%，从而降低红外涂层的发射率。

3 国内外在伪装涂料的研究进展

3.1 国外发展endprint

英国杜菲-狄坦宁公司研制的热伪装涂料，具有良好的红外反射率，可适应很多红外波段的需要。德国研制的一种飞行器用红外伪装涂料，由碳化硼、石墨、导电炭黑、碳化硅或聚乙炔等组成，在<14μm的波段内提供红外隐蔽。另有一些美国学者将直径为70μm的片状铝（质量比占38%）掺杂到无机磷酸盐粘合剂中，获得了在10.6μm频谱区发射率为0.18的红外伪装涂料[2，6]。KiyoshiChiba等[5]利用中层掺银的多层涂覆方式获得了低发射率涂层材料。国外的红外伪装涂料虽已形成了色彩化，但实用化的较少，且在复合伪装兼容性方面仍没有完全解决好。

3.2 国内发展

（下转第10页）

（上接第11页）

目前国内的红外伪装涂料主要有金属粉（如Al粉）树脂型的有机红外伪装涂料，低发射多层薄膜型无机金属氧化物类，或以金属氧化物作为填料类等。华东理工大学国家超细粉末工程研究中心将表面包覆了薄薄一层二氧化硅的铝片用作红外伪装涂料的颜料，所得涂层的发射率仅为0.35。山东工业陶瓷研究设计院研制的白色材料红外发射率在0.3～0.4之间，中绿色颜料红外发射率为0.6～0.7，制备出的涂层红外发射率为0.7～0.75[4，7]。王庭慰[8]等利用有机硅清漆和三元乙丙橡胶的接枝聚合物与Al粉等颜料制得了低发射率红外涂料。翁小龙等[9]则用异戊二烯橡胶合成的环化橡胶制备了红外发射率为0.55～0.6的低红外发射率涂料。此外国内也对复合型双层伪装材料进行了研究，其低红外发射率面层材料的法向发射率介于0.23和0.54之间[10]。

4 红外伪装涂料的发展趋势

由于高科技的飞速发展，各种红外侦测手段相应的越来越先进，为了与未来战争相适应，红外伪装涂料将会呈现以下趋势：

（1）改进完善现有技术的缺陷漏洞，用高光谱成像的原理，避开绿色伪装涂料在780～1300nm波段的“近红外高原”和1300～2600nm波段的“分吸收带”相似度较低的缺点，进行技术改进。

（2）完善与开发波普转移新材料，完善与开发具有多功能的波普段新材料，实现多功能伪装，是今后伪装涂料领域研究热点与重点。

（3）拓宽防侦视范围，达到防红外、防雷达等多谱兼容的伪装效果。

（4）追求伪装效果与环境保护并重，由于现有的伪装涂料存在有毒的元素如铅、铬、汞等，因此在保证涂料使用性能的前提下，应减小技术材料对人和环境的危害。

参考文献：

[1]张凯，马艳.低发射率红外隐身涂料研究进展[J].化学推进剂与高分子材料，2008，6（01）：21.

[2]庄海燕，郑添水，任润桃等.红外伪装涂料的研究现状及发展趋势[J].材料开发与应用，2006，21（03）：43-46.

[3]胡传忻.隐身涂层技术[M].北京：化学工业出版社，2004：9-10.

[4]杨力祥，程海峰，张朝阳等.红外隐身涂料粘结剂的研究进展[J].MaterialProtection，2016（49）：112.

[5]Kiyoshi Chiba.Low-emissivity coating of amorphous diamond like carbon/Ag-alloy multilayer on glass[J].Appl SurfSci，2005（246）：28.