可见光-激光兼容隐身涂层的制备与性能研究

2021-03-19王真吴玉茵卜铁伟

电镀与精饰 2021年3期

王真，吴玉茵，卜铁伟

（山东交通职业学院，山东潍坊261206）

随着科技的发展，光电探测技术的迅速提升，激光制导武器具有命中率高、捕获目标快，识别目标能力强等特点，在军事中得到了广泛的应用［1-2］。在实际作战环境下，发现意味着被摧毁，因此，武器装备需要具备一定的反隐身能力，才能满足现代战场复杂的生存环境［3～6］。目前，外军装备的激光器主要有0.93 μm的砷化镓激光器、1.06 μm的钇铝石榴石激光器和10.6 μm 的二氧化碳激光器，特别是1.06 μm 的钇铝石榴石激光器应用广泛，因此，激光隐身材料主要针该波段的研究较多［7～9］。对于性能优异的激光隐身材料不仅在1.06 μm处应具有高的吸收率，还要实现与其他波段的兼容隐身，以及优良的理化及环境适应性能。现阶段，激光隐身涂料在实现激光隐身技术中具有重要意义，其原理是利用涂料对激光的强吸收作用，从而使得激光装置无法有效接收反射回来的激光，进而实现激光隐身［10～12］。一般而言，织物类装备具有可操作性强、机动性高、应用灵活等特点，在军事装备中扮演着重要的角色，具有广泛的应用价值。现阶段的隐身织物主要针对光学、红外和雷达波段的隐身，对在1.06 μm 波段激光隐身织物的研究较少，特别是针对可见光-激光兼容一体化的隐身织物鲜有报道。

本文采用水性聚氨酯树脂体系，选用纳米ATO（氧化锡锑）/ITO（氧化铟锡）为激光吸收填料，以激光吸收填料为基础进行调色，添加适当比例的铬绿、黄颜料、碳黑着色颜料，使涂层满足GJB 1082-1991《伪装网用颜色》中深绿色要求，实现了可见光-激光隐身的兼容；通过添加合适比例的十溴二苯醚和三氧化二锑，使涂层满足阻燃要求；此外，还对涂层的理化及环境性能进行了测试。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

水性聚氨酯树脂（安徽安大华泰新材料），消泡剂（东莞希尔），增稠剂（广东中联邦），铬绿（郑州瑞超化工），黄颜料（杭州映山花颜料），碳黑（上海稳颜化工），三氧化二锑（安化华宇锑业），十溴二苯醚（山东海王化工），纳米氧化锡锑（以下简称ATO）（北京德科岛金科技有限公司），纳米氧化铟锡（以下简称ITO）（北京德科岛金科技有限公司），涤纶织物（苏州择优纺织科技）。

1.2 隐身涂层的制备

将着色颜料（铬绿、黄颜料、碳黑）、激光吸收填料（纳米ATO/ITO）、去离子水按一定比例放入锥形磨内研磨制得浆料，研磨时间为30 min，控制浆料细度在10～15 μm；加入水性聚氨酯树脂、增稠剂和消泡剂，搅拌均匀制得隐身涂料；采用刮涂工艺，将上述涂料涂覆于织物上烘干制备均匀的涂层，烘干条件为：110 ℃下5 min，控制涂层厚度在40～45 μm，涂层重量为40～50 g/m2。

根据GJB 1082-1991《伪装网用颜色》设计光学特征符合深绿色（DG0847）涂层，涂料配方见表1。

表1 涂料配方设计Tab.1 Paint formulation design

1.3 测试与表征

采用广州标旗生产的光谱反射率测试仪测量涂层在400～1150 nm 波段的光谱反射曲线，根据反射率曲线找到1.06 μm 处的反射率值；采用光谱反射率测试仪自带的测色软件测试涂层的色度值；采用中科院物理所研制的IR-2 双波段发射率测量仪测量涂层8～14 μm波段的红外发射率。

式中：∆L*、∆a*、∆b*为伪装网样品色与其所对应标准色坐标L*、a*、b*之差。

2 结果与讨论

2.1 浆料研磨工艺对涂层的影响

分别选用玻璃珠砂磨和锥形磨研磨两种工艺制备所需浆料。通过对比可知，采用玻璃珠砂磨工艺存在的问题首先是，颜料和玻璃珠分离困难，且过筛后颜料损失严重，特别是过筛过程中极易导致碳黑又团聚在一起，过筛困难。其次，炭黑和激光吸收填料的粒径均为纳米级，难以混合均匀，使得涂层表面颜色不均匀。而采用锥形磨研磨工艺有效解决了上述问题，不仅浆料损失量少，易于混合均匀，且研磨过程简单。因此，下述实验优选锥形磨研磨方式，并控制浆料的粒径在10～15 μm。

2.2 激光吸收填料质量比对涂层光谱反射率的影响

研究了纳米ATO 与ITO 不同质量比下（分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1）对涂层在1.06 μm波段光谱反射率的影响。由图（1）可以看出，在未添加激光吸收填料下，涂层在1.06 μm 处的反射率为48.494%，有文献表明［13］，要想实现较好激光隐身性能，该波段的反射率要达到5%以下，因此，不满足激光隐身要求。通过添加一定量的激光吸收填料后，涂层的光谱反射率显著降低，并且当激光吸收填料质量比小于4∶1时，随着ATO与ITO质量比的增大，涂层的反射率降低显著；当质量比为3∶1 时，反射率可达5.041%；继续增大至4∶1时，反射率反而出现了升高的趋势。可见，在一定范围内，增大ATO 与ITO 质量比，有利于降低涂层的反射率。上述实验可以看出，在一定程度下，增大ATO的用量，更有利于降低涂层的反射率，但上述实验中最优值仍未达到5%以下；并且ATO 相较于ITO 更具有成本优势。因此，综合性能和成本考虑，下文选择ATO 作为激光吸收填料进行研究和验证。

图1 激光吸收填料质量比对涂层反射率的影响Fig.1 Effect of different laser absorbing fillers on reflectivity of coating

2.3 ATO添加量对涂层性能的影响

2.3.1 光谱反射率特性分析

因此，本实验制备了添加不同量纳米ATO（质量分数分别为45%、48%、51%、54%、57%、60%）的涂层，并控制涂层厚度在40～45 μm。由图（2）可以看出，随着纳米ATO 添加量的增加，涂层的光谱反射率逐渐降低，这是由于纳米ATO本身是一种较好的激光吸收材料，具有较强的吸收能力，在1.06 μm波段具有较低的激光反射性能［14-15］。因此，随着纳米ATO含量的增加，涂层表现出更低的反射率。

2.3.2 色差分析

对添加不同量纳米ATO 涂层的CIE1976（L*a*b*）色度值进行了测试，结果见表2。GJB 1082-1991 中规定深绿色涂层（DG0847）的CIE1976（L*a*b*）为L*=33.9，a*=-6.0，b*=9.98，其中，要求色差不大于3L*a*b*单位。由表2 可以看出，纳米ATO添加量对涂层的色差ΔE值影响较大，这是由于纳米ATO在体系中有着两方面的作用：一是担当了颜料的角色；二是起激光隐身作用，当纳米ATO 的添加量大于51%时，不能满足与标准色的色差≤3L*a*b，对体系的调色造成一定的困难；可见，当纳米ATO 添加量为51%时，涂层的性能最为优异，可实现较好的可见光、激光兼容隐身。

图2 不同纳米ATO添加量对涂层光谱反射率的影响Fig.2 Effect of different nano ATO addition on spectral reflectance of coating

表2 ATO添加量对涂层色度值的影响Tab.2 Influence of ATO addition on color value of coating

2.3.3 红外发射率分析

由图（3）中可以看出，随着纳米ATO 添加量的增加，涂层8～14 μm 波段的发射率有略微增大的趋势，并且始终保持在一个较高水平不低于0.90。这是由于随着纳米ATO添加量的增大，涂层的反射率逐渐降低，进而发射率略微升高。这主要是因为对于不透明的物体，发射率降低，其反射率会相应升高，这也与上述反射率的测试数据相吻合。

2.4 涂层的阻燃设计

实验选用十溴二苯醚和三氧化二锑的混合物作为阻燃剂，在未添加着色颜料及激光吸收剂的前提下，研究十溴二苯醚与三氧化二锑的最佳用量比（分别为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1）。由表3可知，当阻燃剂两者用量相等时，阻燃性能较差；当十溴二苯醚用量大于三氧化二锑时，阻燃性能较好，这也与文献中的研究结果相一致［16］。其中，当质量比为3∶1时，涂层的阻燃性能最好，继续增大十溴二苯醚用量，阻燃性能反而出现一定程度的下降，因此，实验中优选十溴二苯醚与三氧化二锑的用量比为3∶1。