填料表面改性技術(shù)在紅外隱身涂料中的應(yīng)用

葉圣天，劉朝輝，賈藝凡，王 飛，班國東，孫文杰

填料表面改性技術(shù)在紅外隱身涂料中的應(yīng)用

葉圣天1，劉朝輝1，賈藝凡1，王 飛1，班國東1，孫文杰2

（1. 后勤工程學(xué)院化學(xué)與材料工程系，重慶 401311；2. 中國人民解放軍 69056部隊，新疆 烏魯木齊 830001）

填料是決定紅外隱身涂料紅外性能的關(guān)鍵因素。從紅外隱身原理出發(fā)，得出降低目標(biāo)紅外輻射強度的2個措施：降低紅外發(fā)射率和控制表面溫度。綜述了包覆改性、微膠囊改性、化學(xué)鍍表面改性和表面化學(xué)改性等4種填料表面改性技術(shù)及其在紅外隱身涂料中的應(yīng)用進(jìn)展情況。最后，展望了填料表面改性技術(shù)在紅外隱身涂料中應(yīng)用的發(fā)展方向。

紅外隱身；填料表面改性；包覆改性；微膠囊；化學(xué)鍍；表面化學(xué)改性

0 引言

隨著紅外探測技術(shù)的快速發(fā)展，軍事設(shè)施、裝備和人員等目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)的概率明顯增加，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭“發(fā)現(xiàn)即摧毀”的形勢下，軍事目標(biāo)的生存受到嚴(yán)重威脅。紅外探測系統(tǒng)的主要探測波段集中在3～5mm和8～14μm，其通過識別目標(biāo)與背景的紅外輻射反差偵測目標(biāo)，通常情況下，目標(biāo)的紅外輻射強度高于背景，尤其是目標(biāo)的高溫部位，使得目標(biāo)在紅外探測系統(tǒng)中的紅外成像很明顯[1]。

紅外隱身涂料通過涂覆在目標(biāo)表面等方式弱化目標(biāo)的紅外輻射強度，降低目標(biāo)被探測到的概率，提高目標(biāo)的戰(zhàn)場生存能力。紅外隱身涂料因不受裝備外形的影響、涂覆方便、應(yīng)用簡單等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于軍事目標(biāo)。紅外隱身涂料主要由粘合劑和填料等組成。粘合劑是涂料的成膜物質(zhì)，滿足涂料應(yīng)有的物理機械性能和耐久性，并且粘合劑應(yīng)在紅外波段具有較高的透過性，減少對紅外輻射的吸收；填料是決定紅外隱身涂料紅外性能的關(guān)鍵因素，要求其具有高紅外反射率、低紅外發(fā)射率及控溫功能等。

1 紅外隱身原理

目標(biāo)的紅外輻射強度取決于Stefan-Boltzmann定律[2]：

＝4(1)

式中：為紅外輻射強度；為玻爾茲曼常數(shù)；為目標(biāo)表面的紅外發(fā)射率；為目標(biāo)表面的絕對溫度。

從式(1)中可知，目標(biāo)的紅外輻射強度分別同紅外發(fā)射率和表面絕對溫度的四次方成正比。因此，降低目標(biāo)紅外輻射強度的途徑有2個：降低目標(biāo)表面的絕對溫度；降低目標(biāo)表面的紅外發(fā)射率。

紅外隱身涂料中填料是影響紅外隱身材料紅外發(fā)射率和表面溫度性能的關(guān)鍵因素，通過填料的作用，目標(biāo)可以獲得低紅外發(fā)射率和低表面溫度。但是，填料的應(yīng)用仍有一些不足，例如填料同粘合劑相容性不良，填料在粘合劑中的分散性不佳，金屬填料表面易氧化，金屬填料的高光澤度不利于兼容可見光、激光隱身等。利用表面改性技術(shù)對填料進(jìn)行有目的地改性，可以綜合多種材料的特性，改善填料在涂料中的流動性、相容性，制備出耐久性和耐腐蝕性能良好，兼容多波段隱身要求的復(fù)合粒子，提高紅外隱身涂料的隱身性能。

2 填料表面改性技術(shù)

填料表面改性技術(shù)是采用物理或化學(xué)的方法對填料表面進(jìn)行有目的地處理，改變填料的物理或化學(xué)性質(zhì)，改善填料的性能。填料表面改性技術(shù)可分為表面包覆改性、微膠囊改性、化學(xué)鍍表面改性、機械化學(xué)改性和表面化學(xué)改性等[3]。

2.1 包覆改性

包覆改性技術(shù)是利用物理、化學(xué)方法，通過吸附、附著和沉積等方式制備包覆式復(fù)合粒子，綜合多種材料的特性，達(dá)到功能復(fù)合的目的。包覆式粒子由中心粒子和包覆層組成。包覆層材料可以是金屬、金屬氧化物、半導(dǎo)體以及有機物等。根據(jù)包覆改性方法的不同，包覆改性主要包括化學(xué)液相沉積法、機械化學(xué)法和單體聚合法等。

2.1.1 化學(xué)液相沉積法

化學(xué)液相沉積法是利用原料在液相中通過化學(xué)反應(yīng)形成微粒，并在中心粒子表面經(jīng)過成核、生長的過程沉積而成包覆式復(fù)合粒子的工藝流程。常用的包覆材料有金屬氧化物和半導(dǎo)體材料。通過在金屬填料表面包覆著色的金屬氧化物和半導(dǎo)體材料，降低金屬填料的光澤度，改善填料的雷達(dá)波吸收特性，紅外隱身涂料可以達(dá)到兼容可見光、雷達(dá)和激光隱身的目的。表1[4-10]中列舉了采用化學(xué)液相沉積法制備的包覆式紅外隱身復(fù)合粒子及其主要紅外性能。

2.1.2 機械化學(xué)法

機械化學(xué)法是將粒徑不同的粒子混合，在高速機械攪拌、研磨、球磨等機械力的作用下，粒子的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)吸附特性等發(fā)生變化，增強其表面活性，這種活性使改性粒子均勻包裹在被改性粒子的表面形成復(fù)合粒子。Yan X[11]采用機械球磨法，以Ag作為表面改性，當(dāng)Ag、Cu的球磨質(zhì)量比為2:3時，制備得到球磨Ag-Cu填料，并以PU為粘合劑制得涂層，涂層的紅外發(fā)射率為0.129，且具有良好的耐腐蝕性和抗沖擊性能。

2.1.3 單體聚合法

單體聚合法適用于有機物改性紅外隱身填料，單體在中心粒子表面成核、核生長，最后交聯(lián)聚合形成包覆式復(fù)合粒子。通過在金屬填料表面包覆一層有機物，填料的耐腐蝕性能及與粘合劑的相容性得到改善。蘇青林[10]通過原位分散聚合法，對Al粉進(jìn)行PS包覆，復(fù)合粉體的紅外發(fā)射率有更好的耐久性，在空

表1 化學(xué)液相沉積法包覆改性技術(shù)的應(yīng)用

氣氛圍中保持4個月后紅外發(fā)射率基本不變，為0.68。Wu G[12]在鋁粉表面包覆一層聚乙烯蠟，并以此為填料、聚氨酯為粘合劑制備了紅外隱身涂層，當(dāng)鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，包覆式鋁粉具有較低的金屬光澤度，涂層的最低紅外發(fā)射率為0.52。

包覆改性是一種最為常見的填料表面改性技術(shù)，通過包覆改性制備的填料，在兼容隱身、耐久性等方面的性能有較大的提升，并且能夠使其紅外發(fā)射率維持在一個較低的水平。但是，包覆改性制備的填料的產(chǎn)量一般較低，要適應(yīng)工程應(yīng)用需改進(jìn)工藝、設(shè)備等條件。

2.2 微膠囊改性

微膠囊改性是以相變材料為囊芯材料，高分子有機物為囊壁材料，通過將相變材料微膠囊化的手段，制備出可以控制目標(biāo)表面溫度的相變微膠囊。由于相變材料在相變的過程中存在吸熱和放熱的現(xiàn)象，所以相變微膠囊可以將目標(biāo)的表面溫度控制在一定的范圍之內(nèi)。根據(jù)相變微膠囊相變溫度的不同，相變微膠囊可以分為低溫、中低溫和中溫相變微膠囊，其相變溫度分別為15℃以下、15～40℃和40～70℃。孫文艷[13]以正十四烷為囊芯材料，聚酰胺為囊壁材料，采用原位聚合法制備低溫相變微膠囊，相變溫度7.6℃，相變潛熱141J/g，控溫范圍7～8℃。馬永強[14]以MF樹脂為囊壁材料，硬脂酸丁酯和正十四醇混合物為囊芯材料，通過原位聚合制備了中低溫相變微膠囊，并分析了其熱性能，微膠囊的相變溫度33～41℃，相變潛熱154J/g，涂層紅外輻射量降低率最低為59%。武世偉[15]以石蠟、月桂酸和正癸酸為芯材，明膠為壁材，通過單凝聚法制備了中溫相變微膠囊，該相變微膠囊的吸熱峰為46.8℃，放熱峰為39.47℃，相變潛熱26J/g，制得的涂層涂覆目標(biāo)后其表面溫度降低5℃。

從研究進(jìn)展看，相變微膠囊的降溫效果有限，使其在紅外隱身涂料中的應(yīng)用受到一定程度的限制，因此，有必要進(jìn)行高相變潛熱囊芯材料的課題研究。

2.3 化學(xué)鍍表面改性

化學(xué)鍍表面改性是在沒有外加電場的情況之下進(jìn)行的電化學(xué)過程，是一種利用氧化還原反應(yīng)的原理在具有催化活性的金屬表面反應(yīng)沉積成鍍層的方法。化學(xué)鍍的沉積過程是液相中離子通過液相中的還原劑在金屬等材料表面還原并以一定的方式形核、長大和聚集形成鍍層，而不是固液界面間的金屬原子和離子的交換?；瘜W(xué)鍍的關(guān)鍵在于還原劑的選擇和應(yīng)用，其中最常用的還原劑有次磷酸鹽等。

鋇鐵氧體是一種具有良好雷達(dá)波吸波特性的材料，在鋇鐵氧體表面進(jìn)行化學(xué)鍍鍍一層金屬，可以增加材料的紅外反射率，降低材料在紅外波段的發(fā)射率。通過復(fù)合兩種材料的特點，有利于開發(fā)鋇鐵氧體紅外、雷達(dá)多波段兼容隱身的性能。武曉威[16]采用化學(xué)鍍的方法在鋇鐵氧體表面鍍一層Ni-P合金，通過正交試驗設(shè)計確定最佳工藝條件：硫酸鎳（主鹽）30g/L，次亞磷酸鈉（還原劑）20g/L，檸檬酸鈉（絡(luò)合劑）70g/L，硫酸銨（緩沖劑）50g/L，溫度85℃，pH＝10。結(jié)果表明，鋇鐵氧體的8～14μm紅外發(fā)射率由原來的0.8542降至0.591，在2～18GHz頻段內(nèi)的最大反射率為－24.3dB。韋韓[17]對鋇鐵氧體表面鍍Ni-P合金做了進(jìn)一步的研究，在Ni-P合金中引入Co元素，形成Ni-Co-P鍍層，制備的改性鋇鐵氧體的紅外發(fā)射率為0.5854。

中空微珠是一種隔熱性能良好的隔熱材料，在隔熱涂層中有較為廣泛的應(yīng)用，為了進(jìn)一步提高中空微珠的反射率，可以采用化學(xué)鍍的方法在微珠表面鍍一層金屬鍍層。杜軍[18]通過化學(xué)鍍的方法改性玻璃微珠，在微珠表面鍍銀并考察了其紅外發(fā)射率的性能，結(jié)果表明，鍍銀玻璃微珠的紅外發(fā)射率降至0.7，涂層紅外發(fā)射率為0.8。吳進(jìn)喜[19]利用金屬鍍膜空心玻璃微珠制備紅外偽裝篷布用涂層，在照射強度為1.88kW/m2時，篷布溫度升高為7℃，能達(dá)到一定的隱身效果。

2.4 表面化學(xué)改性

表面化學(xué)改性是有機物的官能團在填料表面通過吸附或者化學(xué)反應(yīng)的方式對填料進(jìn)行包覆，達(dá)到填料表面改性目的的方法，經(jīng)過表面改性后的填料，其耐腐蝕性、在粘合劑中的分散性及與粘合劑的相容性能夠得到一定程度的改善。表面化學(xué)改性包括官能團改性、偶聯(lián)劑處理改性等改性方法。表面化學(xué)改性的關(guān)鍵是表面改性劑的選擇和應(yīng)用，其中以硅烷偶聯(lián)劑應(yīng)用最為廣泛。表2[20-22]所示是典型幾種硅烷偶聯(lián)劑改性填料及其主要性能。

表面化學(xué)改性是一種較為簡單方便的改性方法，適用于表面化學(xué)改性的表面改性劑的選擇種類較多，具體選用時要綜合考慮填料的表面性質(zhì)以及改性后填料的用途和要求等因素。

3 結(jié)語

紅外探測技術(shù)的發(fā)展使軍事目標(biāo)的安全生存受到威脅，因此，針對削弱目標(biāo)紅外輻射強度、降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)概率的紅外隱身技術(shù)受到各國重視。采用紅外隱身材料是降低目標(biāo)紅外輻射強度的重要手段。目前，探測手段的多元化使單一波段隱身材料已經(jīng)不能滿足隱身要求，復(fù)合材料的研究和應(yīng)用為多波段兼容隱身提出了新的思路和研究方向。填料表面改性技術(shù)制備復(fù)合粒子能夠綜合多種材料的特性，有利于實現(xiàn)填料的多波段兼容隱身和提高其耐久耐候性。隨著研究的深入和發(fā)展，表面改性技術(shù)在紅外隱身涂料中的應(yīng)用有以下發(fā)展方向：

1）填料表面改性技術(shù)的研究仍處在實驗室研究階段并不斷向縱深發(fā)展，但就從實際應(yīng)用方面看，尚未達(dá)到大規(guī)模在軍事裝備、設(shè)施上工程應(yīng)用的程度，工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用有待進(jìn)一步改善；

2）探究表面改性技術(shù)的新工藝、新方法和新設(shè)備，加強填料表面改性的深加工，加快粉體材料制備及表面改性的成果轉(zhuǎn)化，提升表面改性技術(shù)在功能化領(lǐng)域的應(yīng)用，改善填料的紅外隱身性能；

3）現(xiàn)階段粉體的制備及表面改性一般歸屬于兩個分離的過程，工序較為復(fù)雜，有機結(jié)合填料的制備以及填料的表面改性，在填料制備的同時對其進(jìn)行表面改性，精簡紅外隱身涂料用填料的制備過程；

4）目前經(jīng)過表面改性技術(shù)改性后的填料只能滿足紅外、可見光及雷達(dá)等1～2個波段兼容隱身要求，利用表面改性技術(shù)綜合多種材料的特性，制備能夠滿足可見光、紅外、雷達(dá)、激光等多波段兼容隱身需求的復(fù)合材料。

表2 硅烷偶聯(lián)劑改性填料及其主要性能

[1] 成聲月, 劉朝輝, 鄧智平, 等. 軍用目標(biāo)紅外輻射特征研究進(jìn)展[J]. 紅外技術(shù), 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] 付偉. 紅外隱身原理及其應(yīng)用技術(shù)[J]. 紅外與激光工程, 2002, 31(1): 88-93.

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

[3] 鄭水林. 粉體表面改性[M]. 北京: 中國建材工業(yè)出版社, 2011.

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

[4] 陳嬌, 黃嘯谷, 韓朋德, 等. Al/Cr2O3復(fù)合粒子的制備及其多波段兼容隱身性能的研究[J]. 無機材料學(xué)報, 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] 吳婷婷. 紅外-可見光兼容隱身材料的制備與性能研究[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 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, 陳嬌, 張樂, 等. 紅外迷彩用中低發(fā)射率Al/Bi2O3復(fù)合粒子的制備及性能研究[J]. 人工晶體學(xué)報, 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] 武曉威, 馮玉杰, 陳宇, 等. ZnS:Al復(fù)合粒子的制備及其多波段兼容隱身性能的研究[J]. 人工晶體學(xué)報, 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] 武曉威, 馮玉杰, 陳宇, 等. 均勻共沉淀法制備NiO包覆Al粉體及性能研究[J]. 人工晶體學(xué)報, 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] 蘇青林. Al/PS, Al/CdS和銅粒子的制備及紅外發(fā)射率研究[D]. 太原: 中北大學(xué), 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] 孫文艷, 呂緒良, 鄭玉輝, 等. 微膠囊相變材料制備及其在紅外隱身涂料中的應(yīng)用[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)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] 馬永強. 微膠囊相變材料的制備及其在熱紅外隱身中的應(yīng)用[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué), 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] 武世偉. 相變熱紅外隱身及復(fù)合控溫涂層[D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué), 2010.

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

[16] 武曉威, 馮玉杰, 韋韓, 等. Ni-P化學(xué)鍍制備鋇鐵氧體基紅外-微波一體化隱身材料[J]. 無機材料學(xué)報, 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] 韋韓. 幾種低發(fā)射率紅外隱身材料的研制[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2007.

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

[18] 杜軍, 史廣旭, 陶長元, 等. 玻璃微珠的表面化學(xué)鍍銀及紅外輻射性能研究[J]. 壓電與聲光, 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] 吳進(jìn)喜. 紅外偽裝篷布的制備與測試[J]. 遼寧化工, 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, 劉亞青, 張志毅, 等. 改性鋁粉在天然膠乳隱身涂層中的應(yīng)用與研究[J]. 中國膠粘劑, 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] 陳硯朋, 徐國躍, 陳慧敏, 等. 鐵基合金粉包覆改性及在雷達(dá)/紅外兼容隱身中的應(yīng)用[J]. 材料導(dǎo)報, 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] 閆小星. 金屬/聚氨酯紅外低發(fā)射率復(fù)合涂層界面改性及性能研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 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.

葉圣天（1992-），男，河南開封人，碩士研究生，主要從事紅外隱身材料方面的研究工作。E-mail:15520083639@163.com。

重慶市自然科學(xué)基金，編號：CSTC2012gg-sfgc00002；總后勤部預(yù)先研究項目。