國內(nèi)外隱身涂層環(huán)境適應(yīng)性研究發(fā)展現(xiàn)狀

文 | 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 張洪彬 閆 杰 王 忠

國內(nèi)外隱身涂層環(huán)境適應(yīng)性研究發(fā)展現(xiàn)狀

文 | 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 張洪彬 閆 杰 王 忠

隱身涂層在現(xiàn)代化武器裝備中的應(yīng)用越來越廣泛，其環(huán)境適應(yīng)性研究也越來越重要。文章探討了隱身涂層的失效行為及機(jī)理，并據(jù)此總結(jié)了國內(nèi)外常用的環(huán)境適應(yīng)性試驗方法和評價方法。

隱身涂層；失效機(jī)理；環(huán)境適應(yīng)性

引言

隱身技術(shù)能夠顯著提高國防體系中軍事目標(biāo)的生存能力、武器系統(tǒng)的突防和縱深打擊能力，各國均十分重視此項技術(shù)。在目前看來，隱身涂層、結(jié)構(gòu)隱身材料和外形技術(shù)是實現(xiàn)隱身的三項主要技術(shù)措施。在武器裝備表面涂敷隱身涂層具有工藝簡單、價格低、施工方便和不受工件形狀限制的特點，是目前使用最多、最有效的隱身技術(shù)手段之一[1]。

隱身涂層包括雷達(dá)波隱身涂層、紅外隱身涂層、可見光隱身涂層、激光隱身涂層、聲吶隱身涂層和兼容性隱身涂層（或稱多功能隱身涂層）等，按隱身原理又可分為吸波隱身涂層和透波隱身涂層。目前，隱身涂層正朝著多頻譜、寬頻帶的方向發(fā)展。

在武器裝備的服役過程中，暴露的隱身涂層要經(jīng)受各種應(yīng)力（環(huán)境應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力）的作用，這些作用會導(dǎo)致其外觀、力學(xué)性能和隱身性能發(fā)生變化，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致其隱身性能的整體喪失。所以作為武器裝備的重要質(zhì)量特性之一，隱身涂層的環(huán)境適應(yīng)性研究顯得尤為重要。

1.身涂層的失效行為及機(jī)理

隱身涂層的失效行為主要有涂層變色、粉化、起泡、開裂、附著力下降、隱身性能變差等，其失效機(jī)理可以從化學(xué)老化和機(jī)械破壞兩方面探究。

1.1.學(xué)老化

造成隱身涂層化學(xué)老化的因素主要有太陽光、氧氣、高溫、鹽霧、降水等，主要的老化方式有光降解、氧化降解、熱降解和水分、鹽霧的滲透等。

通常認(rèn)為，太陽光中紫外線部分是引起隱身涂層老化的主要因素之一，這是因為紫外線波長很短，具有能引起高分子鏈上各種化學(xué)鍵斷裂所需的能量。事實上僅靠紫外光輻射引起的光降解速率很低，而大氣中氧的存在大大促進(jìn)了光降解這一過程，所以隱身涂層的光降解過程可以看成光—氧化降解過程。具體反應(yīng)過程如下[2-4]。

鏈的引發(fā)：

鏈的增長：

R·+ O2→ ROO·

ROO·+ RH → ROOH + R·

ROOH → RO·+·OH

2ROOH → RO·+ ROO·+ H2O

RO·+ RH → ROH + RO·

·OH + RH → H2O + R·

鏈的終止：自由基 → 產(chǎn)物

熱和溫度是引起隱身涂層老化的另一個重要因素。武器裝備在儲備和使用的過程中，經(jīng)常要經(jīng)受高溫、低溫和溫度沖擊的考驗，所以武器裝備表面涂層的熱降解現(xiàn)象普遍存在。溫度升高會導(dǎo)致聚合物分子的熱運動加速，一旦超過化學(xué)鍵的離解能，涂層將發(fā)生降解；而低溫會導(dǎo)致聚合物分子鏈段的自由運動受阻，涂層柔韌性變差，易開裂、脫落；當(dāng)溫度從高于玻璃化溫度下降到低于玻璃化溫度時，涂層體積處于非平衡態(tài)值，其機(jī)械性能、熱性能和絕緣性能均發(fā)生變化[5]；當(dāng)溫度交替變化時，熱脹冷縮往復(fù)進(jìn)行，引起涂層內(nèi)應(yīng)力的變化，使涂層的附著力下降，導(dǎo)致開裂及破壞。另外，在大氣環(huán)境中，太陽光和氧的存在大大提高了涂層熱降解速度。

水分及鹽霧對隱身涂層的影響主要方式有滲透和溶脹。溶劑揮發(fā)后，涂層內(nèi)部產(chǎn)生微孔，水能通過這些微孔滲入到涂層內(nèi)部，使得涂層內(nèi)部的一些水溶性物質(zhì)溶解，從而改變其組成和比例，導(dǎo)致涂層的老化。Jacques LFE[6]則認(rèn)為，有機(jī)涂層在大氣環(huán)境中存在吸水、脫水的過程，這樣會使材料表面產(chǎn)生體積變化，從而導(dǎo)致涂層應(yīng)力發(fā)生變化，當(dāng)應(yīng)力值累積達(dá)到涂層和基底結(jié)合強(qiáng)度臨界值時，涂層發(fā)生剝落。對于執(zhí)行海上任務(wù)的武器裝備來講，鹽霧等對涂層的影響非常明顯，因為氯離子粒子半徑小，很容易滲入涂層內(nèi)部，導(dǎo)致金屬基體的腐蝕。

隱身涂層的化學(xué)老化并不是由于單一因素導(dǎo)致的，往往是太陽光、氧氣、熱、水和鹽霧等多個因素綜合作用的結(jié)果。所以，隱身涂層的環(huán)境適應(yīng)性也需從多個環(huán)境因素的綜合作用來考察。

1.2.械破壞

武器裝備在服役過程中，暴露的隱身涂層會受到沙塵、機(jī)體摩擦、碰撞等機(jī)械破壞的考驗，這些作用會導(dǎo)致涂層的外觀、力學(xué)性能及隱身性能發(fā)生變化。所以，在隱身涂層的環(huán)境適應(yīng)性的考察項目中，必須包括機(jī)械破壞的因素。

2.身涂層的環(huán)境適應(yīng)性研究

通過探討隱身涂層的失效機(jī)理及導(dǎo)致其失效的各個因素，可以發(fā)現(xiàn)能用于考察隱身涂層環(huán)境適應(yīng)性的試驗方法主要有：自然環(huán)境試驗和包括太陽輻射試驗、高溫試驗、低溫試驗、溫度沖擊試驗、鹽霧試驗、濕熱試驗和沙塵試驗等在內(nèi)的實驗室各種人工模擬環(huán)境試驗。

2.1.然環(huán)境試驗

自然環(huán)境試驗主要用于研究裝備選用的材料、工藝、元器件、部件乃至整機(jī)暴露在自然環(huán)境中經(jīng)受各種因素綜合作用后產(chǎn)生的變化，其中包括大氣、水（海水）和土壤環(huán)境試驗。對于隱身涂層的應(yīng)用環(huán)境來說，大氣暴露試驗是需要重點考慮的試驗。根據(jù)軍民產(chǎn)品的需求和我國環(huán)境特點，大氣暴露試驗應(yīng)包括寒冷、沙漠、高原、濕熱、海洋、熱帶雨林等環(huán)境條件。

國內(nèi)外并無針對隱身涂層的自然環(huán)境試驗方法標(biāo)準(zhǔn)，但可以采用GB/T 9276-96、DIN EN ISO 2810-04等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗研究。中國兵器59所通過自然暴露的方法研究了海洋、酸性污染、寒冷及沙漠環(huán)境對毫米波、厘米波隱身涂層的影響，并獲得不錯的試驗結(jié)果[7-8]。

自然環(huán)境試驗再現(xiàn)了各種環(huán)境因素（光、溫度、濕度等）對隱身涂層的影響，與實際自然環(huán)境影響的結(jié)果很接近，但存在試驗周期長的缺點。為平衡這兩者關(guān)系，科研人員研究并制定了自然環(huán)境加速試驗方法。美國Atlas集團(tuán)在20世紀(jì)70年代就研制出跟蹤太陽暴露試驗機(jī)，并廣泛用于高分子材料的自然加速暴露試驗。隨著這類試驗的推廣，ISO、ASTM、SAE等標(biāo)準(zhǔn)化組織相繼發(fā)布了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，并被各大公司采用[9]。隱身涂層的環(huán)境適應(yīng)性也可用自然加速環(huán)境試驗進(jìn)行評價，但在國內(nèi)這方面研究很少。

2.2.驗室人工模擬環(huán)境試驗

實驗室人工模擬環(huán)境試驗可以模擬自然環(huán)境因素的影響，也可以模擬誘發(fā)環(huán)境因素的影響；此外還可以較短時間內(nèi)獲得試驗結(jié)果。

2.2.1.陽輻射試驗

太陽輻射試驗是考察產(chǎn)品在戶外無遮蔽使用和儲存期間所受日光輻射的影響。試驗中，太陽光對隱身涂層的影響包括產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng)和加熱效應(yīng)，光化學(xué)效應(yīng)是由太陽光中的紫外部分產(chǎn)生，而加熱效應(yīng)是通過吸收太陽光中的紅外部分產(chǎn)生。

太陽輻射試驗所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)包括：GJB 150 7A、GB/T 2423.14-95、MIL-STD-810F 505.4、DEFSTAN-0035-3-03等。試驗中需考慮的主要試驗參數(shù)包括：總輻射強(qiáng)度及其譜能分布、試驗溫度、風(fēng)速、濕度和持續(xù)時間等，每個標(biāo)準(zhǔn)對各試驗參數(shù)的要求各有不同。

2.2.2.溫試驗

高溫試驗是考察高溫條件對產(chǎn)品的完整性、安全性和工作性能的影響。其對隱身涂層的環(huán)境產(chǎn)生的效應(yīng)表現(xiàn)為：導(dǎo)致涂層褪色、裂解或產(chǎn)生龜裂紋，隱身性能變差。

高溫試驗的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)包括：GJB 150 3A、GB11606.4-89、GB/T 2424.1-05、MIL-STD-810F 501.4等。試驗中常考慮的試驗參數(shù)包括：氣候條件、暴露條件、濕度、試驗持續(xù)時間等。

2.2.3.溫試驗

低溫試驗是用于考察低溫條件對產(chǎn)品的完整性、安全性和工作性能的影響。其對隱身涂層產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)主要表現(xiàn)為：導(dǎo)致涂層變脆，耐沖擊性能變差。

低溫試驗的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)包括GJB 150.4A、GB/T 2423.1、MIL-STD-810F 502.4、 IEC 68-2-3等，試驗中應(yīng)確定裝備使用地區(qū)的氣候條件、暴露持續(xù)的時間、溫度變化速率的試驗參數(shù)。

2.2.4.度沖擊試驗

隱身飛行器往往需要從地面高溫環(huán)境升到高空，或者在熱區(qū)域和低溫環(huán)境之間轉(zhuǎn)換，此時暴露的隱身涂層需經(jīng)歷大氣溫度的急劇變化。所以，溫度沖擊試驗是隱身涂層環(huán)境適應(yīng)性試驗方法中一個重要組成部分，其環(huán)境效應(yīng)主要是：涂層內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，嚴(yán)重時引起涂層開裂。

溫度沖擊試驗相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：GJB 150.5A、GB/T 2423.22-02、MIL-STD-810F 503.4等，試驗中需確定的試驗條件包括：氣候條件、沖擊次數(shù)、溫度穩(wěn)定、相對濕度、轉(zhuǎn)換時間等。

2.2.5.霧試驗

鹽霧試驗被認(rèn)為是評定與海洋氣氛有密切關(guān)系的材料性質(zhì)的最有效方法。若隱身武器裝備需執(zhí)行海上任務(wù)時，對隱身涂層進(jìn)行鹽霧試驗是必要的。鹽霧試驗可能對隱身涂層產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)為：導(dǎo)致涂層起泡、附著力下降，隱身性能產(chǎn)生波動。

鹽霧試驗的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)包括：ASTM B117-97、ASTM G85-09、ISO 9227-06、IEC 60068-2-11、GB/T 2423 117、JIS Z2371、GJB 150.11A、MIL-STD-810F 509.4等。最廣泛使用的鹽霧試驗方法為中性鹽霧試驗，但考慮到裝備的實際使用環(huán)境（如酸雨環(huán)境），需采用改進(jìn)鹽霧試驗。美國材料與試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM G85列出了五種改進(jìn)的鹽霧試驗方法，分別為醋酸連續(xù)鹽霧試驗、酸化鹽霧循環(huán)試驗、海水酸化鹽霧試驗、二氧化硫鹽霧循環(huán)試驗、電解質(zhì)稀釋干燥/噴霧循環(huán)試驗。值得一提的是，英國Timmins開發(fā)的間歇噴霧循環(huán)式鹽霧試驗（Prohesion test），將鹽霧、干燥、濕熱條件進(jìn)行綜合和循環(huán)，該方法更接近實際情況，效果更好[10]。鹽霧試驗中，需確定鹽溶液濃度和pH值、溫度、試驗持續(xù)時間、沉降率等試驗參數(shù)。

2.2.6.熱試驗

濕熱試驗雖不及鹽霧試驗的腐蝕強(qiáng)度，但有時卻更接近實際應(yīng)用場地，如熱帶地區(qū)幾乎全年都是濕熱氣候，中緯度地區(qū)也會季節(jié)性出現(xiàn)。溫濕試驗主要考察隱身涂層的耐水性和水汽滲透性，溫濕度的變化可以導(dǎo)致隱身涂層出現(xiàn)多種環(huán)境效應(yīng)，如發(fā)生化學(xué)老化，因吸收水分涂層膨脹，內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，附著力下降，隱身性能發(fā)生波動等。

濕熱試驗的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 1740-07、GJB 150.9 A、MIL-STD-810F 507.4、ASTM D2247-97等，試驗過程中，需確定溫濕度循環(huán)周期數(shù)、試驗持續(xù)時間、溫濕度量值等試驗參數(shù)。

2.2.7.塵試驗

干熱地區(qū)經(jīng)常會出現(xiàn)自然沙塵環(huán)境（沙塵暴），會對武器裝備的表面涂層造成磨損和磨蝕，導(dǎo)致其光學(xué)特性發(fā)生變化。沙塵試驗在隱身涂層的環(huán)境試驗體系中必不可少。

沙塵試驗包括吹塵、吹砂和降塵三個程序，其執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)有：GJB 150.12A、MIL-STD-810F 810.4、IEC 68-2-68等，試驗中，溫度、相對濕度和風(fēng)速等試驗參數(shù)對試驗結(jié)果有顯著的影響。

考察隱身涂層環(huán)境適應(yīng)性的各個環(huán)境試驗需按照實際應(yīng)用情況有序進(jìn)行。另外，有時候綜合環(huán)境試驗可能比一系列連續(xù)的單個試驗更能代表實際環(huán)境效應(yīng)，所以鼓勵進(jìn)行綜合環(huán)境試驗。

3.身涂層環(huán)境適應(yīng)性的評價方法

經(jīng)過各種環(huán)境試驗后，隱身涂層的外觀、力學(xué)性能和隱身性能均有不同程度的改變，需對其進(jìn)行檢測評價。

3.1.觀評價

隱身涂層的外觀評價，可以借助光澤度儀、色差計、顯微鏡、掃描電鏡等分析手段。主要參照的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3.2.學(xué)性能評價

涂層的力學(xué)性能包括硬度、附著力、柔韌性、耐沖擊性和耐磨性等。對隱身涂層來講，最重要的就是涂層的附著力。

一般隱身涂層，若測試條件滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其附著力可以采用劃格法、劃圈法和拉開法，按照GB/T1720-79、GB/T 9286-98、ANSI/ASTM D3359-87、JIS K5400-90等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測評價。但對于多層結(jié)構(gòu)、厚度大、含有顆粒狀吸收劑的隱身涂層，利用上述測試方法很難得到滿意的結(jié)果，田月娥[11]等人認(rèn)為，不切割涂層直接用拉伸的方法更符合涂層的使用狀態(tài)，更能顯示出附著力受環(huán)境影響發(fā)生的變化。隱身涂層其他力學(xué)性能的測試方法和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見表2。

3.3.身性能評價

各種隱身涂層的隱身機(jī)理不同，檢測及評價其隱身性能所使用的方法也有所不同。

3.3.1.達(dá)隱身涂層隱身性能評價

雷達(dá)是現(xiàn)代防空系統(tǒng)使用最廣、發(fā)展最快、最為重要的探測器，所以在隱身涂層體系中，雷達(dá)隱身涂層的應(yīng)用最為廣泛。雷達(dá)波隱身涂層的技術(shù)原理是涂層對入射電磁波實現(xiàn)有效吸收，將電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能或其他形式的能量而耗散掉[12]。

當(dāng)前，雷達(dá)隱身涂層性能的實驗室評價方法主要有微波暗室測量技術(shù)和弧形框測量技術(shù)。微波暗室測量技術(shù)方法目前主要有實驗室測量吸波材料發(fā)射率的標(biāo)準(zhǔn)方法（GJB 2038-94）：在一定尺寸的標(biāo)準(zhǔn)金屬板上面，涂覆一定厚度的待測吸波材料，在暗室內(nèi)通過散射測量得到吸波材料反射率?；⌒慰驕y量技術(shù)是由美國海軍研究室提出，是當(dāng)前最常用的方法，但這兩種測試方法均不能用于現(xiàn)場測量[13-14]。吳亮[15]等人提出一種在線測量的方法，并證明測試結(jié)果和實驗室測量結(jié)果基本一致，同時又具有良好的統(tǒng)計穩(wěn)定性。程啟煒[16]等提出了一種改進(jìn)的吸波材料特性測試方法，通過計算標(biāo)準(zhǔn)球和金屬平板的RCS理論值，得到二者的差值ΔRCS。利用標(biāo)準(zhǔn)球和金屬平板的真實值、測量值和背景的關(guān)系，并運用測試過程中環(huán)境不變的特性，得到金屬板的真實值。再利用公式較準(zhǔn)確的求出吸波材料的反射率。

3.3.2.外隱身涂層隱身性能評價

紅外隱身涂層主要是通過減少目標(biāo)與背景的亮度差別或溫度差別實現(xiàn)隱身，其主要性能參數(shù)是紅外發(fā)射率和熱慣量。一般情況下，可以將紅外隱身涂層看作朗伯體，并采用某一波段全發(fā)射率或光譜發(fā)射率來評價隱身性能。另外，隱身涂層的熱慣量需與背景的熱慣量一致，這樣才可以使目標(biāo)與環(huán)境因環(huán)境溫度變化產(chǎn)生太大的溫度差。

紅外隱身涂層性能評價主要是對涂層發(fā)射率進(jìn)行測定，即利用紅外輻射計測量在不同溫度時隱身涂層的輻射度，并將其測量數(shù)據(jù)與相同溫度的黑體相比較，測定材料的發(fā)射率。我國軍方對材料與涂層紅外發(fā)射率的測定制定了標(biāo)準(zhǔn)GJB 5023.2-03。

紅外隱身涂層投入應(yīng)用之前還要對其進(jìn)行隱身效果評估，包括指標(biāo)測試和綜合評價。指標(biāo)測試包括兩個方面：目標(biāo)等效空間寬度對紅外成像系統(tǒng)的張角是否小于紅外成像系統(tǒng)的空間分辨率；目標(biāo)與背景的黑體等效溫差是否小于紅外成像系統(tǒng)的溫度分辨率。綜合評價是觀察紅外成像系統(tǒng)對實施不同隱身目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識別概率[17-18]。

3.3.3.光隱身涂層隱身性能評價

與雷達(dá)隱身涂層相似，激光隱身涂層是通過減低目標(biāo)在激光工作波長的反射特性實現(xiàn)隱身，其主要性能參數(shù)是光譜反射比，即材料反射與入射的輻射通量或光通量的光譜密集度之比。由于激光隱身材料接近于漫反射體，鏡面反射比通常很小，所以可用漫反射比近似評價激光隱身材料的性能[19]。

表1.觀評價相關(guān)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

表2.身涂層力學(xué)性能測試方法和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

激光隱身涂層的隱身效果評價可以借助脈沖激光測距機(jī)來完成，主要考察項目激光測距機(jī)的最大測程和目標(biāo)發(fā)射率[20]，最大測程和目標(biāo)發(fā)射率越小，認(rèn)為隱身效果越好。

4.語

造成隱身涂層老化、失效的主要環(huán)境因素有太陽光、氧氣、高溫、鹽霧、降水等，通過各種環(huán)境試驗?zāi)M這幾種因素的作用過程，然后對結(jié)果進(jìn)行評價，可得出不同隱身涂層的環(huán)境適應(yīng)性情況，為設(shè)計、研制部門提供參考。

作為武器裝備的重要質(zhì)量特性之一，隱身涂層的環(huán)境適應(yīng)性研究在其設(shè)計、研制、應(yīng)用的過程中均起著至關(guān)重要的作用，而這方面研究在我國卻是薄弱環(huán)節(jié)，所以加強(qiáng)包括隱身涂層在內(nèi)各種武器裝備材料的環(huán)境適應(yīng)性研究勢在必行。

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Research Status and Development of Environmental Worthiness of Stealth Coatings

With increasing prevalent application of stealth coating in modern weaponry, the research of its environmental worthiness has become more and more important. The paper discusses the failure behavior and mechanism of stealth coating, and then accordingly summarizes the commonly used tests and evaluation methods of its environmental worthiness at home and abroad.

stealth coatings；failure mechanism；environmental worthiness

張洪彬（1985.03-），男，工學(xué)碩士，主要從事材料與裝備的環(huán)境適應(yīng)性研究