可見光-激光兼容隱身涂層的制備與性能研究

王真，吳玉茵，卜鐵偉

（山東交通職業(yè)學(xué)院，山東濰坊261206）

隨著科技的發(fā)展，光電探測技術(shù)的迅速提升，激光制導(dǎo)武器具有命中率高、捕獲目標快，識別目標能力強等特點，在軍事中得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。在實際作戰(zhàn)環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)意味著被摧毀，因此，武器裝備需要具備一定的反隱身能力，才能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場復(fù)雜的生存環(huán)境［3～6］。目前，外軍裝備的激光器主要有0.93 μm的砷化鎵激光器、1.06 μm的釔鋁石榴石激光器和10.6 μm 的二氧化碳激光器，特別是1.06 μm 的釔鋁石榴石激光器應(yīng)用廣泛，因此，激光隱身材料主要針該波段的研究較多［7～9］。對于性能優(yōu)異的激光隱身材料不僅在1.06 μm處應(yīng)具有高的吸收率，還要實現(xiàn)與其他波段的兼容隱身，以及優(yōu)良的理化及環(huán)境適應(yīng)性能。現(xiàn)階段，激光隱身涂料在實現(xiàn)激光隱身技術(shù)中具有重要意義，其原理是利用涂料對激光的強吸收作用，從而使得激光裝置無法有效接收反射回來的激光，進而實現(xiàn)激光隱身［10～12］。一般而言，織物類裝備具有可操作性強、機動性高、應(yīng)用靈活等特點，在軍事裝備中扮演著重要的角色，具有廣泛的應(yīng)用價值。現(xiàn)階段的隱身織物主要針對光學(xué)、紅外和雷達波段的隱身，對在1.06 μm 波段激光隱身織物的研究較少，特別是針對可見光-激光兼容一體化的隱身織物鮮有報道。

本文采用水性聚氨酯樹脂體系，選用納米ATO（氧化錫銻）/ITO（氧化銦錫）為激光吸收填料，以激光吸收填料為基礎(chǔ)進行調(diào)色，添加適當(dāng)比例的鉻綠、黃顏料、碳黑著色顏料，使涂層滿足GJB 1082-1991《偽裝網(wǎng)用顏色》中深綠色要求，實現(xiàn)了可見光-激光隱身的兼容；通過添加合適比例的十溴二苯醚和三氧化二銻，使涂層滿足阻燃要求；此外，還對涂層的理化及環(huán)境性能進行了測試。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

水性聚氨酯樹脂（安徽安大華泰新材料），消泡劑（東莞希爾），增稠劑（廣東中聯(lián)邦），鉻綠（鄭州瑞超化工），黃顏料（杭州映山花顏料），碳黑（上海穩(wěn)顏化工），三氧化二銻（安化華宇銻業(yè)），十溴二苯醚（山東海王化工），納米氧化錫銻（以下簡稱ATO）（北京德科島金科技有限公司），納米氧化銦錫（以下簡稱ITO）（北京德科島金科技有限公司），滌綸織物（蘇州擇優(yōu)紡織科技）。

1.2 隱身涂層的制備

將著色顏料（鉻綠、黃顏料、碳黑）、激光吸收填料（納米ATO/ITO）、去離子水按一定比例放入錐形磨內(nèi)研磨制得漿料，研磨時間為30 min，控制漿料細度在10～15 μm；加入水性聚氨酯樹脂、增稠劑和消泡劑，攪拌均勻制得隱身涂料；采用刮涂工藝，將上述涂料涂覆于織物上烘干制備均勻的涂層，烘干條件為：110 ℃下5 min，控制涂層厚度在40～45 μm，涂層重量為40～50 g/m2。

根據(jù)GJB 1082-1991《偽裝網(wǎng)用顏色》設(shè)計光學(xué)特征符合深綠色（DG0847）涂層，涂料配方見表1。

表1 涂料配方設(shè)計Tab.1 Paint formulation design

1.3 測試與表征

采用廣州標旗生產(chǎn)的光譜反射率測試儀測量涂層在400～1150 nm 波段的光譜反射曲線，根據(jù)反射率曲線找到1.06 μm 處的反射率值；采用光譜反射率測試儀自帶的測色軟件測試涂層的色度值；采用中科院物理所研制的IR-2 雙波段發(fā)射率測量儀測量涂層8～14 μm波段的紅外發(fā)射率。

式中：?L*、?a*、?b*為偽裝網(wǎng)樣品色與其所對應(yīng)標準色坐標L*、a*、b*之差。

2 結(jié)果與討論

2.1 漿料研磨工藝對涂層的影響

分別選用玻璃珠砂磨和錐形磨研磨兩種工藝制備所需漿料。通過對比可知，采用玻璃珠砂磨工藝存在的問題首先是，顏料和玻璃珠分離困難，且過篩后顏料損失嚴重，特別是過篩過程中極易導(dǎo)致碳黑又團聚在一起，過篩困難。其次，炭黑和激光吸收填料的粒徑均為納米級，難以混合均勻，使得涂層表面顏色不均勻。而采用錐形磨研磨工藝有效解決了上述問題，不僅漿料損失量少，易于混合均勻，且研磨過程簡單。因此，下述實驗優(yōu)選錐形磨研磨方式，并控制漿料的粒徑在10～15 μm。

2.2 激光吸收填料質(zhì)量比對涂層光譜反射率的影響

研究了納米ATO 與ITO 不同質(zhì)量比下（分別為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1）對涂層在1.06 μm波段光譜反射率的影響。由圖（1）可以看出，在未添加激光吸收填料下，涂層在1.06 μm 處的反射率為48.494%，有文獻表明［13］，要想實現(xiàn)較好激光隱身性能，該波段的反射率要達到5%以下，因此，不滿足激光隱身要求。通過添加一定量的激光吸收填料后，涂層的光譜反射率顯著降低，并且當(dāng)激光吸收填料質(zhì)量比小于4∶1時，隨著ATO與ITO質(zhì)量比的增大，涂層的反射率降低顯著；當(dāng)質(zhì)量比為3∶1 時，反射率可達5.041%；繼續(xù)增大至4∶1時，反射率反而出現(xiàn)了升高的趨勢?？梢?，在一定范圍內(nèi)，增大ATO 與ITO 質(zhì)量比，有利于降低涂層的反射率。上述實驗可以看出，在一定程度下，增大ATO的用量，更有利于降低涂層的反射率，但上述實驗中最優(yōu)值仍未達到5%以下；并且ATO 相較于ITO 更具有成本優(yōu)勢。因此，綜合性能和成本考慮，下文選擇ATO 作為激光吸收填料進行研究和驗證。

圖1 激光吸收填料質(zhì)量比對涂層反射率的影響Fig.1 Effect of different laser absorbing fillers on reflectivity of coating

2.3 ATO添加量對涂層性能的影響

2.3.1 光譜反射率特性分析

因此，本實驗制備了添加不同量納米ATO（質(zhì)量分數(shù)分別為45%、48%、51%、54%、57%、60%）的涂層，并控制涂層厚度在40～45 μm。由圖（2）可以看出，隨著納米ATO 添加量的增加，涂層的光譜反射率逐漸降低，這是由于納米ATO本身是一種較好的激光吸收材料，具有較強的吸收能力，在1.06 μm波段具有較低的激光反射性能［14-15］。因此，隨著納米ATO含量的增加，涂層表現(xiàn)出更低的反射率。

2.3.2 色差分析

對添加不同量納米ATO 涂層的CIE1976（L*a*b*）色度值進行了測試，結(jié)果見表2。GJB 1082-1991 中 規(guī) 定 深 綠 色 涂 層（DG0847）的CIE1976（L*a*b*）為L*=33.9，a*=-6.0，b*=9.98，其中，要求色差不大于3L*a*b*單位。由表2 可以看出，納米ATO添加量對涂層的色差ΔE值影響較大，這是由于納米ATO在體系中有著兩方面的作用：一是擔(dān)當(dāng)了顏料的角色；二是起激光隱身作用，當(dāng)納米ATO 的添加量大于51%時，不能滿足與標準色的色差≤3L*a*b，對體系的調(diào)色造成一定的困難；可見，當(dāng)納米ATO 添加量為51%時，涂層的性能最為優(yōu)異，可實現(xiàn)較好的可見光、激光兼容隱身。

圖2 不同納米ATO添加量對涂層光譜反射率的影響Fig.2 Effect of different nano ATO addition on spectral reflectance of coating

表2 ATO添加量對涂層色度值的影響Tab.2 Influence of ATO addition on color value of coating

2.3.3 紅外發(fā)射率分析

由圖（3）中可以看出，隨著納米ATO 添加量的增加，涂層8～14 μm 波段的發(fā)射率有略微增大的趨勢，并且始終保持在一個較高水平不低于0.90。這是由于隨著納米ATO添加量的增大，涂層的反射率逐漸降低，進而發(fā)射率略微升高。這主要是因為對于不透明的物體，發(fā)射率降低，其反射率會相應(yīng)升高，這也與上述反射率的測試數(shù)據(jù)相吻合。

2.4 涂層的阻燃設(shè)計

實驗選用十溴二苯醚和三氧化二銻的混合物作為阻燃劑，在未添加著色顏料及激光吸收劑的前提下，研究十溴二苯醚與三氧化二銻的最佳用量比（分別為1∶1、2∶1、3∶1和4∶1）。由表3可知，當(dāng)阻燃劑兩者用量相等時，阻燃性能較差；當(dāng)十溴二苯醚用量大于三氧化二銻時，阻燃性能較好，這也與文獻中的研究結(jié)果相一致［16］。其中，當(dāng)質(zhì)量比為3∶1時，涂層的阻燃性能最好，繼續(xù)增大十溴二苯醚用量，阻燃性能反而出現(xiàn)一定程度的下降，因此，實驗中優(yōu)選十溴二苯醚與三氧化二銻的用量比為3∶1。

圖3 納米ATO添加量對涂層紅外發(fā)射率的影響Fig.3 Effect of nano ATO addition on infrared emissivity of coating

此外，還對表1 不同阻燃劑用量制備的涂層分別測試了其阻燃性能。由表4 可以看出，隨著體系中納米ATO添加量的增大，阻燃劑在體系中的占比逐漸減小，當(dāng)阻燃劑的添加量低于30%時（表中4、5和6涂層），涂層阻燃性能不理想。

表4 涂層阻燃性能測試Tab.4 flame retardant performance test of coating

表5 涂層的的理化及環(huán)境性能測試Tab.5 Physical，chemical and environmental perfor?mance test of coating

2.5 物理及環(huán)境適應(yīng)性測試

對納米ATO 添加量為51%時制備的涂層進行了物理及環(huán)境適應(yīng)性測試。由表5 可以看出，各項指標性能均滿足實用要求。

3 結(jié)論

（1）研制了一種可見光/激光兼容隱身涂層，涂層在1.06 μm波段反射率可達5%以下，并且光學(xué)性能符合GJB 1082-1991中深綠色（DG0847）的要求。

（2）與ITO 相比，納米ATO 對降低涂層的光譜反射率有著更好的效果。當(dāng)其添加量為51%時，涂層在1.06 μm處反射率可達4.79%，滿足激光隱身要求，繼續(xù)增大納米ATO的添加量不僅不利于體系的調(diào)色，對涂層的阻燃性能也會造成一定影響。

（3）涂層綜合性能測試結(jié)果表明：涂層日曬牢度、阻燃性、色牢度等各項指標性能優(yōu)異，符合軍用要求。