紅外低發(fā)射率顏料制備及其可見光/紅外特性研究

吳護(hù)林，朱敏

（1.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

紅外探測(cè)系統(tǒng)具有全天候性、隱蔽性、被動(dòng)性以及作用距離遠(yuǎn)、精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛用于偵察和制導(dǎo)領(lǐng)域，對(duì)軍事設(shè)施和武器裝備構(gòu)成巨大的威脅[1—2]。紅外探測(cè)系統(tǒng)主要根據(jù)目標(biāo)與所處背景的紅外輻射強(qiáng)度差來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別，因此采用紅外低發(fā)射率材料控制目標(biāo)的紅外輻射特性，使其與背景一致，是提高目標(biāo)戰(zhàn)場(chǎng)生存能力和增強(qiáng)作戰(zhàn)能力的有效技術(shù)手段[3]。

片狀鋁粉具有較低的發(fā)射率和較高的反射率，用于涂層可以屏蔽物體內(nèi)部的紅外輻射，是低發(fā)射率材料常用的金屬功能填料。國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)已經(jīng)系統(tǒng)研究了鋁粉形貌、尺寸、用量等因素與涂層發(fā)射率的關(guān)系，并研制出了一系列低發(fā)射率涂層[4—6]。片狀鋁粉存在的最大問題是在對(duì)紅外高反射的同時(shí)，對(duì)可見光也具有很強(qiáng)的反射，難以實(shí)現(xiàn)與可見光偽裝的兼容，這限制了其在多波段兼容偽裝材料中的應(yīng)用[7—8]。采用表面包覆技術(shù)對(duì)鋁粉進(jìn)行改性，維持紅外波段高反射的同時(shí)，降低可見光波段的反射特性，是金屬低發(fā)射率材料研究的熱點(diǎn)。有研究人員對(duì)鋁粉表面沉積 Fe3O4、TiO2等進(jìn)行了研究，制得了黃色、白色等各色中低發(fā)射率顏料[9—12]。文中采用液相沉積法，在片狀鋁粉表面包覆一層Cr(OH)3，然后在馬弗爐中煅燒，制得 Al/Cr2O3綠色低發(fā)射率顏料，并對(duì)該顏料及其涂層的性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

鋁粉漿：工業(yè)級(jí)，市售。硅酸鈉、碳酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、六水氯化鉻、聚乙烯吡咯烷酮：均為分析純，成都市科龍化工試劑廠。丙烯酸樹脂：工業(yè)級(jí)，美國JOHNSON公司。其余試劑均為國產(chǎn)。

在包覆實(shí)驗(yàn)前對(duì)鋁粉漿進(jìn)行脫脂處理。先將3 g硅酸鈉、2 g碳酸鈉、2 g十二烷基苯磺酸鈉加入到800 g無水乙醇中，制得清洗溶液，然后將80 g鋁粉漿加入清洗溶液中，用超聲波清洗機(jī)清洗 30 min，再經(jīng)抽濾、無水乙醇清洗、干燥，制得脫脂鋁粉。

1.2 Al/Cr2O3復(fù)合顏料及涂層制備

將60 g六水氯化鉻溶解于去離子水中，配制六水氯化鉻溶液。稱取26 g脫脂鋁粉、23 g AMP-95、5 g聚乙烯吡咯烷酮，溶解于去離子水中，配制混合溶液。將六水氯化鉻溶液滴加到混合溶液中，在(40～45) ℃恒溫反應(yīng)3～4 h，經(jīng)抽濾、去離子水清洗、干燥后，制得Al/Cr2O3復(fù)合顏料的前驅(qū)物Al/Cr(OH)3復(fù)合粒子。

將Al/Cr(OH)3復(fù)合粒子置于馬弗爐中煅燒，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，于 400 ℃煅燒 4 h，最終制得Al/Cr2O3綠色復(fù)合粉體顏料。

取適量的Al/Cr2O3粉體顏料與丙烯酸樹脂，添加適量的分散劑、消泡劑和流平劑等助劑，混合均勻后，用稀釋劑調(diào)整黏度至13～15 s，在馬口鐵板上均勻噴涂厚度約23～27 μm的涂層，固化后制得Al/Cr2O3涂層。鋁粉涂層、Cr2O3涂層的制備方法同上。

1.3 性能測(cè)試

粉體材料的成分、微觀形貌分別采用英國OXFORD公司的INCA能譜儀和荷蘭FEI儀器公司的QUANTA200掃描電鏡進(jìn)行分析；涂層光譜反射率采用鉑金埃爾默儀器公司的Lambda750紫外/可見光分光光度計(jì)進(jìn)行分析；涂層紅外發(fā)射率采用上海技術(shù)物理研究所的 IR-2型紅外輻射率測(cè)試儀進(jìn)行分析，測(cè)試頻段為 3～5 μm和 8～14 μm；涂層紅外熱像采用武漢高德公司生產(chǎn)的 ThermoProTP8熱像儀進(jìn)行分析，工作波段為8～14 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al/Cr2O3復(fù)合顏料的微觀形貌與組成

采用能譜儀分析脫脂鋁粉和 Al/Cr2O3復(fù)合粉體的表面元素。由于能譜分析中電子束入射深度很淺（約1 μm），因此可以將表面元素視為粉體材料的表層成分組成。每個(gè)樣品選3個(gè)部位測(cè)試，脫脂鋁粉和 Al/Cr2O3復(fù)合粉體樣品的選取部位及元素測(cè)試結(jié)果分別見圖1和圖2。由圖1可知，脫脂鋁粉表面主要以Al元素為主，附有少量的O、P等雜質(zhì)元素。由圖2可知，Al/Cr2O3復(fù)合粉體表面主要以 Al、Cr、O元素為主，說明鋁粉經(jīng)過表面包覆處理后，Cr2O3已經(jīng)附著在鋁粉表面。這種結(jié)構(gòu)既屏蔽了可見光波段的高反射，又削弱了表面包覆層對(duì)鋁粉紅外發(fā)射率的影響。

為進(jìn)一步表征Cr2O3在片狀鋁粉表面的包覆狀態(tài)，采用 SEM（二次電子像）分析脫脂鋁粉和Al/Cr2O3粉體顏料的微觀形貌。圖3為脫脂鋁粉的電鏡照片。從圖 3a可以看出，脫脂鋁粉為不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)，尺寸大小不一，粒徑基本在10～25 μm之間。放大后（圖3b）發(fā)現(xiàn)，鋁粉表面平整光潔，無雜質(zhì)附著，片狀形態(tài)保持完好，無破損。

圖4為 Al/Cr2O3粉體顏料的電鏡照片。從圖4a可以看出，鋁粉表面包覆Cr2O3后，粒徑變化不大，外形仍維持片狀結(jié)構(gòu)，但表面變?yōu)椴还饣瑺顟B(tài)。放大后（圖 4b）也可以看出，包覆后的鋁粉表面由原來的光滑狀態(tài)變?yōu)榇植诮Y(jié)構(gòu)，表面附有一層包覆基本完整的絮狀物質(zhì)，粉體的能譜分析表明該絮狀物質(zhì)為Cr2O3。另外，在鋁粉表面及鋁粉之間還分散存在許多小顆粒。這可能是在Cr(OH)3沉淀過程中異相成核，煅燒后形成的Cr2O3顆粒附著于粉體表面及粉體之間。

2.2 包覆處理對(duì)涂層可見光和近紅外特性的影響

為分析鋁粉包覆Cr2O3前后對(duì)涂層可見光、近紅外反射特性的影響，分別測(cè)試了鋁粉涂層、Cr2O3涂層及Al/Cr2O3涂層在400～2000 nm可見光/近紅外波段的光譜反射曲線，如圖5所示。

綠色偽裝材料一般要求其在可見光/近紅外波段的光譜反射曲線與自然背景植被一致，而自然背景中的樹葉等綠色植物因含葉綠素、葉黃素等多種色素，其光譜反射曲線在540 nm附近有一個(gè)反射峰，稱為“綠色反射峰”；在670～800 nm之間是一個(gè)陡坡，反射率急劇升高，稱為“紅邊”；在800 nm以后反射率變化不大，形成了一個(gè)“近紅外反射高原”[13]。

由圖5可知，鋁粉涂層在可見光、近紅外波段的反射率均較高，可作為紅外低發(fā)射率顏料，但難以滿足可見光偽裝要求。Cr2O3涂層在540 nm左右出現(xiàn)一個(gè)反射峰，在近紅外波段反射率急劇上升，可較好模擬自然綠色植被的可見光/近紅外光譜反射特性，但近紅外反射率較低，紅外發(fā)射率較高。Al/Cr2O3涂層的光譜曲線綜合了鋁粉涂層與 Cr2O3涂層的光譜反射曲線特點(diǎn)，整體趨勢(shì)與Cr2O3涂層基本一致，在540 nm左右也出現(xiàn)一個(gè)反射峰，到近紅外波段后反射率急劇上升，與鋁粉涂層接近，說明制備的 Al/Cr2O3涂層在可見光與近紅外波段可較好模擬自然背景綠色植被的光譜反射特征，同時(shí)在近紅外波段反射率較高，可實(shí)現(xiàn)紅外低發(fā)射率。

2.3 Al/Cr2O3涂層熱紅外特性調(diào)控

自然背景一般由樹木、草地、砂土等植被和裸露的地表組成，由于地表各類材料的物性差異，在紅外熱像下呈現(xiàn)明暗不同的斑塊分割，因而在背景中實(shí)現(xiàn)紅外偽裝的有效措施之一就是通過不同紅外發(fā)射率材料的組合應(yīng)用，形成與背景紅外輻射分布特征相近的斑塊分割效果。涂層的紅外發(fā)射率與低發(fā)射率功能填料的含量密切相關(guān)，按照Al/Cr2O3顏料與丙烯酸樹脂質(zhì)量比為1:5、1:10和1:20制備不同 Al/Cr2O3含量的涂層，測(cè)試涂層在 8～14 μm波段的紅外發(fā)射率，結(jié)果見圖 6。可以看出，Al/Cr2O3顏料含量對(duì)涂層紅外發(fā)射率影響顯著，隨Al/Cr2O3顏料含量增加，涂層的發(fā)射率降低?？梢娡ㄟ^調(diào)節(jié)涂層中Al/Cr2O3顏料的含量，能夠獲得不同紅外發(fā)射率的涂層材料。

將 Al/Cr2O3涂層試板放置在玻璃鋼復(fù)合材料板上，置于戶外陽光下曝曬30 min后，采集涂層的紅外熱像，如圖7a所示。利用與熱像儀配套的紅外圖像分析系統(tǒng)分析熱像圖，得到涂層試板的輻射溫度曲線和平均輻射溫度，結(jié)果見圖7b、c。

由圖7a可見，隨著涂層中Al/Cr2O3顏料含量的增加，發(fā)射率降低，相應(yīng)地，涂層紅外熱像變暗。當(dāng)涂層中Al/Cr2O3顏料與丙烯酸樹脂的比例為1:5和 1:10時(shí)，涂層的紅外輻射特征明顯低于玻璃鋼復(fù)合材料背板，表明低發(fā)射率材料可明顯抑制物體內(nèi)部向外輻射能量，降低物體的紅外輻射強(qiáng)度，具有較好的紅外偽裝效果。圖 7b的涂層輻射溫度曲線和圖 7c的涂層平均輻射溫度統(tǒng)計(jì)也證明了這點(diǎn)，隨著涂層中Al/Cr2O3顏料含量增加，涂層的平均輻射溫度由27.9 ℃降低到22.7 ℃?？梢?，不同發(fā)射率涂層的輻射溫度有較大差別，可以通過控制涂層中Al/Cr2O3顏料的含量，獲得不同發(fā)射率梯度差的涂層，應(yīng)用于目標(biāo)能夠改變表面輻射溫度分布特征，從而實(shí)現(xiàn)有效的熱圖像分割效果及與背景紅外輻射特性的融合。

3 結(jié)論

1）采用液相沉積法及煅燒工藝制備出了Al/Cr2O3紅外低發(fā)射率顏料。測(cè)試結(jié)果表明，Cr2O3在鋁粉表面包覆基本完整，包覆后的鋁粉粒徑變化不大，外形仍維持片狀結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)紅外低發(fā)射率。

2）含Al/Cr2O3的涂層在可見光、近紅外波段的光譜反射曲線與背景綠色植被相似，可以較好地模擬自然背景中的綠色植物，具有良好的可見光/近紅外偽裝性能，滿足可見光/近紅外偽裝的要求。

3）涂層的紅外發(fā)射率與低發(fā)射率功能填料Al/Cr2O3的含量密切相關(guān)，通過調(diào)節(jié)涂層中Al/Cr2O3顏料的含量，能夠獲得紅外發(fā)射率不同的涂層。不同發(fā)射率涂層的輻射溫度差較大，可以實(shí)現(xiàn)紅外熱像圖的有效分割和與背景紅外輻射特征的融合。