紅外偽裝涂料的研究探討

王興起　王洪坤　施旭耀

摘 要：本文介紹了紅外偽裝涂料的作用機(jī)理，概括了影響紅外偽裝涂料的顏料及粘合劑；綜述了國(guó)內(nèi)外紅外偽裝涂料的特性及其研究現(xiàn)狀并展望了紅外偽裝涂料的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：紅外偽裝；涂料；影響因素；研究進(jìn)展

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

0 引言

隨著現(xiàn)代偵察技術(shù)的飛速發(fā)展與完善，各種軍事重要目標(biāo)、特殊裝備等面臨著日趨嚴(yán)重的威脅。傳統(tǒng)的可見光偽裝技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。針對(duì)該問(wèn)題，世界各國(guó)已經(jīng)成功研制出了許多先進(jìn)的偽裝技術(shù)，其中紅外偽裝涂料以其制造方便、成本低廉、堅(jiān)固耐用、施工方便等優(yōu)勢(shì)在偽裝中占有重要的地位。

1 紅外偽裝涂料的原理

在0K以上的溫度下，一切物體均會(huì)輻射紅外線。但是由于空氣中存在二氧化碳、氧氣、水等極性分子，處于極遠(yuǎn)紅外區(qū)域的紅外線會(huì)被空氣吸收，只有波長(zhǎng)正常處于“大氣窗口”，即3～5μm、8～14μm區(qū)域的紅外線能在大氣中無(wú)阻礙傳播。而其中8～14μm波段為熱成像的重要波段[1]。目前，紅外探測(cè)主要有兩種探測(cè)方法：一是點(diǎn)源探測(cè)；二是成像探測(cè)，利用目標(biāo)與背景的紅外輻射差別通過(guò)成像來(lái)識(shí)別目標(biāo)。因此，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)紅外偽裝，應(yīng)設(shè)法使目標(biāo)熱圖與背景熱圖相似，使目標(biāo)在紅外熱圖像上看與背景相融合。由斯蒂芬-玻耳茲曼定律及發(fā)射率定義，一個(gè)物體在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射的輻射出射度為：。式中：W為物體的總輻射出射度，σ為玻耳茲曼常數(shù)，ε為物體的發(fā)射率，T為物體的絕對(duì)溫度。溫度相同的物體，由于發(fā)射率的不同，在紅外探測(cè)器上會(huì)顯示出不同的紅外圖像。另一方面，為降低目標(biāo)表面的溫度，紅外偽裝涂料在可見光和近紅外還具有較低的太陽(yáng)能吸收率和一定的隔熱能力，以使目標(biāo)表面的溫度盡可能接近背景的溫度，從而降低目標(biāo)和背景的輻射對(duì)比度，減小目標(biāo)的被探測(cè)概率。

2 紅外偽裝涂料的影響因素

目前，以降低發(fā)射率為主要目標(biāo)的偽裝涂料主要性能指標(biāo)是：目標(biāo)表面的發(fā)射率，在可見光和近紅外波段的太陽(yáng)能吸收率及與其它波段偽裝要求的兼容性。為此，紅外偽裝涂料應(yīng)具有以下基本要求：

（1）具有符合要求的紅外發(fā)射率；

（2）具有良好的熱穩(wěn)定性和基料結(jié)合性；

（3）多頻段兼容性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便堅(jiān)固，成本低廉。

2.1 顏料的影響

顏料是影響涂料偽裝性能的重要因素之一，涂料的偽裝能力主要是通過(guò)顏料的選擇和顏料間的合理配比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前用于紅外偽裝涂料配方中的顏料主要有三種：金屬顏料、著色顏料和半導(dǎo)體顏料。

2.1.1 金屬顏料

基爾霍夫定律表明，不透明體的反射率越高，發(fā)射率越低。因此，有較高反射率的金屬粒子是熱偽裝涂料最常用和最重要的顏料種類。可用的有Al、Zn、Sn、Au、青銅等，實(shí)際選用集中于性能優(yōu)良、價(jià)廉易得的Al。隨著金屬顏料的增加，可使紅外偽裝涂層的發(fā)射率降低至0.5甚至更低，但是金屬顏料含量超過(guò)一定范圍后，即會(huì)使發(fā)射率升高。迄今報(bào)道的熱偽裝涂料金屬顏料含量一般不超過(guò)40%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），通常在20%～30%居多。

2.1.2 著色顏料

選用著色顏料主要是為了滿足與可見光偽裝兼容的要求，大多數(shù)著色染料不具備低發(fā)射率，僅能要求其不損害涂料的熱偽裝性能。因此，著色顏料的篩選一直是偽裝涂料研究工作的難點(diǎn)之一。目前，已知的著色顏料分為無(wú)機(jī)顏料和有機(jī)顏料兩大類，無(wú)機(jī)顏料大致以金屬氧化物和氫氧化物、金屬非氧化物、無(wú)機(jī)顏料鹽等3類為主，而在眾多的有機(jī)顏料中最常見的是偶氮化合物。

2.1.3 半導(dǎo)體顏料

半導(dǎo)體顏料是20世紀(jì)80年代興起的一種摻雜顏料，在紅外偽裝涂料中前景較好。摻雜半導(dǎo)體由金屬氧化物（主體）和摻雜劑（載流子給予體）構(gòu)成，它能夠彌補(bǔ)金屬顏料與著色顏料的自身缺陷。常見的半導(dǎo)體顏料有SnO2與In2O3，可摻雜制成銦錫氧化物（ITO）粉末，其顏色可調(diào)，能使涂料的發(fā)射率降低至0.624[2]，是一類兼容性良好的紅外偽裝涂料。

2.2 粘合劑的影響

粘合劑是影響涂料隱身性能的另一個(gè)基本因素。很多研究者認(rèn)為，涂料在紅外波段的吸熱能力在很大程度上取決于粘合劑。研究證實(shí)，粘合劑對(duì)涂料發(fā)射率的影響超過(guò)60%[3]因此，要求粘合劑在紅外波段保持透明，從而體現(xiàn)填料的光學(xué)性能。粘合劑可分為有機(jī)粘合劑與無(wú)機(jī)粘合劑兩大類，目前有機(jī)粘合劑研究較多。

2.2.1 有機(jī)粘合劑

有機(jī)粘合劑既有較低的紅外發(fā)射率又有良好的物理機(jī)械性能而被廣泛關(guān)注。研究人員在有機(jī)類粘合劑做了大量工作，南京航空航天大學(xué)徐國(guó)躍課題組、中北大學(xué)劉亞青課題組、電子科技大學(xué)鄧龍江課題組等在紅外偽裝材料研究方面取得了一定的進(jìn)展[4]?，F(xiàn)在研究較熱的用于紅外偽裝涂料的有機(jī)粘合劑有聚乙烯、EVA樹脂、三元乙丙橡膠、Kraton樹脂、聚氨酯樹脂、有機(jī)硅樹脂、氟碳樹脂等。其中聚乙烯在8～14μm波段沒有強(qiáng)吸收基團(tuán)，是較理想的控溫兼紅外透明性材料，且防腐蝕和耐低溫性優(yōu)良。

2.2.2 無(wú)機(jī)粘合劑

與有機(jī)粘合劑相比，無(wú)機(jī)粘合劑的性能比較簡(jiǎn)單，紅外吸收率也較低，但物理機(jī)械性能和施工性能較差。國(guó)外研制了發(fā)射率值較低的熱偽裝涂料，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成分別為：磷酸24.2%、氧化鎂4.3%、鉻酸4.7%、乙醇1.7%、水65.1%。盡管磷酸鹽和鉻酸鹽離子在熱紅外波段強(qiáng)烈吸收，但它們的混合物在高溫下燒結(jié)形成一種玻璃質(zhì)材料，其漫反射率高達(dá)60%，這樣也就降低了涂層的發(fā)射率值。Kiyoshi等[5]表示，鉻酸鹽及磷酸鹽離子雖然在紅外窗口波段吸收強(qiáng)烈，但高溫?zé)Y(jié)后，生成一種準(zhǔn)玻璃物質(zhì)，大大提高紅外的漫反射率，可達(dá)到60%，從而降低紅外涂層的發(fā)射率。

3 國(guó)內(nèi)外在偽裝涂料的研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外發(fā)展endprint

英國(guó)杜菲-狄坦寧公司研制的熱偽裝涂料，具有良好的紅外反射率，可適應(yīng)很多紅外波段的需要。德國(guó)研制的一種飛行器用紅外偽裝涂料，由碳化硼、石墨、導(dǎo)電炭黑、碳化硅或聚乙炔等組成，在<14μm的波段內(nèi)提供紅外隱蔽。另有一些美國(guó)學(xué)者將直徑為70μm的片狀鋁（質(zhì)量比占38%）摻雜到無(wú)機(jī)磷酸鹽粘合劑中，獲得了在10.6μm頻譜區(qū)發(fā)射率為0.18的紅外偽裝涂料[2，6]。KiyoshiChiba等[5]利用中層摻銀的多層涂覆方式獲得了低發(fā)射率涂層材料。國(guó)外的紅外偽裝涂料雖已形成了色彩化，但實(shí)用化的較少，且在復(fù)合偽裝兼容性方面仍沒有完全解決好。

3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展

（下轉(zhuǎn)第10頁(yè)）

（上接第11頁(yè)）

目前國(guó)內(nèi)的紅外偽裝涂料主要有金屬粉（如Al粉）樹脂型的有機(jī)紅外偽裝涂料，低發(fā)射多層薄膜型無(wú)機(jī)金屬氧化物類，或以金屬氧化物作為填料類等。華東理工大學(xué)國(guó)家超細(xì)粉末工程研究中心將表面包覆了薄薄一層二氧化硅的鋁片用作紅外偽裝涂料的顏料，所得涂層的發(fā)射率僅為0.35。山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計(jì)院研制的白色材料紅外發(fā)射率在0.3～0.4之間，中綠色顏料紅外發(fā)射率為0.6～0.7，制備出的涂層紅外發(fā)射率為0.7～0.75[4，7]。王庭慰[8]等利用有機(jī)硅清漆和三元乙丙橡膠的接枝聚合物與Al粉等顏料制得了低發(fā)射率紅外涂料。翁小龍等[9]則用異戊二烯橡膠合成的環(huán)化橡膠制備了紅外發(fā)射率為0.55～0.6的低紅外發(fā)射率涂料。此外國(guó)內(nèi)也對(duì)復(fù)合型雙層偽裝材料進(jìn)行了研究，其低紅外發(fā)射率面層材料的法向發(fā)射率介于0.23和0.54之間[10]。

4 紅外偽裝涂料的發(fā)展趨勢(shì)

由于高科技的飛速發(fā)展，各種紅外偵測(cè)手段相應(yīng)的越來(lái)越先進(jìn)，為了與未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)相適應(yīng)，紅外偽裝涂料將會(huì)呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：

（1）改進(jìn)完善現(xiàn)有技術(shù)的缺陷漏洞，用高光譜成像的原理，避開綠色偽裝涂料在780～1300nm波段的“近紅外高原”和1300～2600nm波段的“分吸收帶”相似度較低的缺點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

（2）完善與開發(fā)波普轉(zhuǎn)移新材料，完善與開發(fā)具有多功能的波普段新材料，實(shí)現(xiàn)多功能偽裝，是今后偽裝涂料領(lǐng)域研究熱點(diǎn)與重點(diǎn)。

（3）拓寬防偵視范圍，達(dá)到防紅外、防雷達(dá)等多譜兼容的偽裝效果。

（4）追求偽裝效果與環(huán)境保護(hù)并重，由于現(xiàn)有的偽裝涂料存在有毒的元素如鉛、鉻、汞等，因此在保證涂料使用性能的前提下，應(yīng)減小技術(shù)材料對(duì)人和環(huán)境的危害。

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