新型仿形多頻譜復(fù)合偽裝材料的研究

張曉忠,徐 戎,吳 曉

(湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湖南 常德 415000)

1 引 言

現(xiàn)代信息化作戰(zhàn)條件下,面對(duì)多頻譜多波段集成化探測,被發(fā)現(xiàn)即意味著被摧毀,因此單一波段的偽裝材料已不能滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需求,多譜段偽裝材料,尤其是雷達(dá)與紅外、可見光兼容偽裝材料是偽裝技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。雷達(dá)與紅外、可見光兼容偽裝材料指的是同時(shí)具有雷達(dá)與紅外、可見光三種偽裝性能的偽裝材料。一方面,它的表面材料應(yīng)具有可調(diào)節(jié)的可見光反射率,以使目標(biāo)的可見光反射系數(shù)與背景環(huán)境的可見光反射系數(shù)盡量接近,達(dá)到可見光偽裝效果；另一方面,它要具有較低的紅外輻射性能,以控制目標(biāo)與背景之間的紅外輻射能量差,使紅外探測與成像系統(tǒng)不能夠識(shí)別目標(biāo)的性狀特征,從而實(shí)現(xiàn)紅外偽裝目的；同時(shí),它要具有良好的吸波性能,可大幅減少雷達(dá)回波,以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)偽裝目標(biāo)[1-8]。

目前對(duì)多波段偽裝材料的報(bào)道還不是很多。俞科靜等[9]采用金屬鋁粉和摻錫氧化銦粉末作為紅外吸收劑,與聚丙烯進(jìn)行熔融混合,制備了紅外偽裝材料,并發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻錫氧化銦粉末與鋁粉的比例為2∶1時(shí),透過率最小,偽裝效果最好。吳春等[10]結(jié)合人體紅外輻射特征,制備了一種新型可見光/熱紅外兼容偽裝復(fù)合材料,性能測試結(jié)果表明:材料的有關(guān)性能均符合可見光與熱紅外偽裝的要求,可用做單兵偽裝織物面料。顧紅軍等[11]采用來源廣、價(jià)格低廉、偽裝效果好的普通材料,制作了一種新型多層復(fù)合偽裝器材,性能測試表明該偽裝器材在紅外到雷達(dá)波波段內(nèi)都有良好的偽裝隱身效果。楊玉杰等[12]利用植物單葉光譜模型分析了植物葉片結(jié)構(gòu)和組分對(duì)其反射光譜的影響,并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種由粗糙透明防水表面、 葉綠素、 水和多孔材料四層構(gòu)成的新型仿生偽裝材料。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明,該偽裝材料與植物葉片光譜相似度高,耐候性好,有望成為對(duì)抗高光譜偵察的有效手段。高永芳等[13]基于其光子禁帶的高反射特性設(shè)計(jì)了一種新型人工結(jié)構(gòu)功能材料,該結(jié)構(gòu)光子晶體較好地滿足了中遠(yuǎn)紅外雙波段兼容偽裝的要求,但入射角度增大會(huì)降低偽裝效果。易怡等[14]通過構(gòu)建由碲化鉛和氟化鋇組成的一維光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu),研究了實(shí)現(xiàn)近、中、遠(yuǎn)紅外光與波長為1.060 μm 和 10.600 μm 的激光兼容偽裝的可行性。結(jié)果表明,正入射時(shí)兼容偽裝效果良好,但入射角增大會(huì)降低激光偽裝效果和縮小紅外波段偽裝頻譜范圍。

從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看,各個(gè)波段單一功能的偽裝材料已達(dá)到應(yīng)用階段,但是能真正兼容可見光、近紅外、熱紅外、厘米波、毫米波等多個(gè)波段的偽裝材料還比較少見。有些兼容材料最多也僅僅能兼容到兩三個(gè)波段,但兼容效果并不太理想,還未進(jìn)入實(shí)用階段,對(duì)于能兼容三個(gè)波段的,其偽裝效果還不能滿足使用要求。

本論文的研究目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種能滿足多頻譜兼容要求、偽裝效果好、價(jià)格相對(duì)低廉、制作工藝簡單、適應(yīng)多應(yīng)用場景的新型仿形復(fù)合偽裝材料及制備方法。

2 偽裝材料結(jié)構(gòu)

為滿足多頻譜兼容偽裝的需求,本論文采用多種材料合理匹配與多功能層結(jié)構(gòu)合理組合的思路,研究設(shè)計(jì)多種功能層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,既能較有效模擬特定目標(biāo)外部形狀與色彩等參數(shù),又能滿足對(duì)雷達(dá)波及紅外等的有效衰減,還能形成與環(huán)境近似的漫反射。該偽裝材料共分為七層,從內(nèi)到外依次為防水層、里層基體、紅外反射層、過渡層、外層基體、仿形吸波層和迷彩層,如圖1所示。其中,主要功能層包括紅外反射層、仿形吸波層和迷彩層,其余四層為輔助功能層。各功能層的具體功能和材料選用如下。

圖1 新型仿形多頻譜復(fù)合偽裝材料結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 反紅外偽裝功能層

根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律,物體的紅外輻射特性主要取決于它的溫度和發(fā)射率。偽裝材料要實(shí)現(xiàn)紅外偽裝,不僅要盡量使目標(biāo)與環(huán)境的溫差小,而且還要盡量使目標(biāo)的發(fā)射率與背景的發(fā)射率相近,即達(dá)到“同溫同譜”。本研究中,主要通過紅外反射層和仿形吸波層來減少目標(biāo)的紅外可探測率。紅外反射層選用單面鋁箔紙,并將其有鋁面朝向遮障目標(biāo)放置。有鋁面具有較高的紅外線反射能力,可以隔絕目標(biāo)向背景環(huán)境散發(fā)的紅外輻射。仿形吸波層選用聚氨酯發(fā)泡材料,厚度在50～150 mm之間。聚氨酯泡沫的隔熱和隔音性能非常優(yōu)異,是極佳的保溫隔熱材料,加之厚度足夠大,仿形吸波層的隔熱效果可以滿足紅外偽裝需求。

2.2 仿形吸波功能層

仿形吸波功能層主要作用包括模擬特定目標(biāo)外部形狀與色彩等參數(shù)和吸收雷達(dá)波。偽裝技術(shù)不僅包括遮蔽偽裝技術(shù),也包括示假偽裝技術(shù)。本功能層選用聚氨酯泡沫,既可利用預(yù)制模型快速大批量制備各類假目標(biāo)偽裝,也可配合其他功能層實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的融合。同時(shí),在聚氨酯泡沫中添加吸波材料,可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波偽裝效果。雷達(dá)波吸波材料一般分為吸收型和干涉型,后者一般只能對(duì)某特定波長的雷達(dá)波實(shí)現(xiàn)偽裝,而吸收型吸波材料通常需要具備較高的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率[9]。石墨精粉具有較高的電導(dǎo)率,鐵氧體粉具有較高的磁導(dǎo)率,因此二者組成的混合物是理想的吸波材料。本研究中仿形吸波層包含聚氨酯發(fā)泡劑、鐵氧體粉、石墨精粉和偽裝顏料,各組分質(zhì)量百分比約為:聚氨酯發(fā)泡劑50 %,鐵氧體粉32 %,石墨精粉11 %,偽裝顏料7 %。其中,聚氨酯泡沫起仿形作用,鐵氧體粉和石墨精粉及偽裝顏料起吸波作用,偽裝顏料起到一定的可見光偽裝效果。

2.3 反可見光偽裝功能層

可見光探測技術(shù)主要是通過人眼目視、儀器照相和攝像等觀測手段,對(duì)比目標(biāo)與背景環(huán)境間的包括亮度和色度等視覺信號(hào)參數(shù)的特征值,通常目標(biāo)的可見光暴露特征主要表現(xiàn)在其尺寸的大小、外形的特征以及與背景的光譜反射差別等方面[4]。本研究中,主要通過最外層的迷彩層和仿形吸波層來實(shí)現(xiàn)可見光偽裝效果。仿形吸波層中的偽裝顏料可隨背景環(huán)境的變化而選取不同的顏色,達(dá)到基本的可見光偽裝效果。迷彩層選用長度規(guī)格為6～12 mm的高強(qiáng)度抗裂玄武巖纖維,可吸收和散射電磁波,不僅有可見光偽裝功能,還可有效抑制聚氨酯發(fā)泡材料因收縮變形量較大而開裂的傾向,以確保其隔熱和吸波作用。

2.4 輔助功能層

輔助功能層主要包括里外層基體、防水層和過渡層。里外層基體選用彩條布或化纖紡織布,主要起承力和載體作用,并有一定的耐磨和防水作用。防水層主要包括丙烯酸防水涂料、魚珠膠和偽裝顏料,主要起防水止裂的作用。過渡層主要包含鐵氧體粉、石墨精粉、魚珠膠、偽裝顏料,主要在紅外反射層和仿形吸波層之間起過渡作用,可在一定程度上吸收雷達(dá)波,減少雷達(dá)回波。

3 偽裝性能測試及結(jié)果分析

3.1 雷達(dá)波偽裝效果

為測試偽裝材料的雷達(dá)波反偵測能力,對(duì)其進(jìn)行了吸波性能測試實(shí)驗(yàn)和反射率測試實(shí)驗(yàn)。

3.1.1 雷達(dá)波吸波性能測試實(shí)驗(yàn)

為考核偽裝材料對(duì)雷達(dá)波吸波性能的影響,利用微波暗室對(duì)其進(jìn)行了屏蔽效能測試,并研究了主要吸波材料中碳含量和鐵含量對(duì)整體吸波性能的影響。屏蔽效能測試廣泛采用的測試頻率為14 kHz、100 kHz、1 MHz、400 MHz、1 GHz、10 GHz和18 GHz,在這些典型測試頻率點(diǎn)上的測試結(jié)果基本可以代表9 kHz～18 GHz整個(gè)頻段的屏蔽效能[15]。據(jù)此,本研究選取10 GHz和18 GHz兩個(gè)測試頻率,測試結(jié)果基本可以代表偽裝材料在常用機(jī)載雷達(dá)主要工作頻段10 GHz～18 GHz的屏蔽效能。針對(duì)吸波材料中碳含量和鐵含量,共設(shè)計(jì)了15種不同配方,其具體配比及屏蔽效能測試結(jié)果如表1所示。由表1中的1-4號(hào)樣品可知,只添加石墨精粉的情況下,隨碳含量增加,低頻(10 GHz)的屏蔽效能增大,高頻(18 GHz)的屏蔽效能減小,而整體屏蔽效能(高頻與低頻屏蔽效能之和)變化不大。

表1 雷達(dá)波屏蔽效能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1中的5-10號(hào)樣品可知,只添加鐵氧體粉的情況下,隨鐵含量增加,高頻的屏蔽效能振蕩上升,低頻的屏蔽效能先降低后升高,9號(hào)樣品的整體屏蔽效能最佳。由表1中的1、11-14號(hào)樣品可知,碳含量為25 g時(shí),隨鐵含量增加,整體屏蔽效能先增大后減小,11號(hào)樣品的整體屏蔽效能最佳,此時(shí)碳含量與鐵含量的質(zhì)量比為1∶2。由表1中的2、15號(hào)樣品可知,碳含量為50 g時(shí),15號(hào)樣品的整體屏蔽效能較佳,此時(shí)碳含量與鐵含量的質(zhì)量比為1∶2。綜合分析可知,碳含量與鐵含量的質(zhì)量比為1∶2時(shí),偽裝材料表現(xiàn)出更好的整體屏蔽效能。

3.1.2 雷達(dá)波反射率測試實(shí)驗(yàn)

采用弓形法對(duì)偽裝材料雷達(dá)波反射率進(jìn)行測試,掃頻測試頻率范圍為 30 MHz～6 GHz,在此頻率范圍內(nèi)均勻選取81個(gè)測試點(diǎn),根據(jù)上節(jié)分析,選取7組樣品進(jìn)行測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知,除4號(hào)樣品外,其余6組樣品反射率在-5 dB以下的頻段范圍均較寬,尤以9、11、13號(hào)樣品較為突出,其反射率峰值都在-20 dB以下,-5 dB以下的吸收頻寬高達(dá)3.1～4.7 GHz,有良好的雷達(dá)波衰減特性。

表2 雷達(dá)波反射率測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由雷達(dá)波屏蔽效能和反射率實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,9、11、15號(hào)樣品在兩次性能測試中表現(xiàn)較好,結(jié)合考慮吸波材料比重對(duì)目標(biāo)的有效載荷量和機(jī)動(dòng)性等的影響,11號(hào)樣品具有最佳的綜合性能,因此將其作為后續(xù)可見光和紅外性能試驗(yàn)檢測的對(duì)象。

3.2 可見光與紅外偽裝效果

采用數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、紅外輻射測溫儀、紅外熱像儀和藍(lán)綠紅三種濾光片,利用成像法檢測了偽裝材料面層的可見光,藍(lán)、綠、紅三段光譜和熱紅外圖像情況。測試環(huán)境均為室外,氣溫22～30 ℃。本研究共對(duì)偽裝材料進(jìn)行了三類檢測試驗(yàn):①單塊偽裝材料可見光、藍(lán)濾光、綠濾光、紅濾光和熱紅外成像；②多塊偽裝材料可見光、藍(lán)濾光、綠濾光、紅濾光和熱紅外成像；③偽裝材料隔熱性能測試。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4和表3所示。

圖2 單塊仿形偽裝材料的成像照片

圖3 多塊仿形偽裝材料的可見光成像照片

圖4 多塊仿形偽裝材料不同時(shí)間點(diǎn)熱紅外成像照片及表面溫度

表3為采用新型仿形復(fù)合偽裝材料對(duì)汽車頭部實(shí)施遮擋前后的輻射溫度測試結(jié)果。由表3可知,偽裝前后汽車頭部溫差9.6 ℃,隔熱效果比較明顯。圖2是單塊偽裝材料可見光、藍(lán)濾光、綠濾光、紅濾光和熱紅外成像照片,圖3是多塊偽裝材料可見光、藍(lán)濾光、綠濾光、紅濾光成像照片,圖4是多塊偽裝材料不同時(shí)間點(diǎn)熱紅外成像照片及表面溫度。由圖2和圖3可以看出,無論是單塊還是多塊偽裝材料,其面層紋理、顏色與亮度都與背景較為接近,均有良好的可見光偽裝效果。由圖4可知,不同時(shí)間點(diǎn)多塊偽裝材料與環(huán)境溫度差均在3 ℃以內(nèi),具有良好的紅外偽裝效果。

表3 偽裝前后汽車頭部輻射溫度測試結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)采用聚氨酯發(fā)泡材料、鋁箔紙、鐵氧體粉、石墨精粉、魚珠膠、偽裝顏料等常見價(jià)廉材料,研制了一種新型仿形復(fù)合偽裝材料；

(2)對(duì)15種配方吸波材料層及其構(gòu)成的仿形偽裝材料樣品進(jìn)行了雷達(dá)波屏蔽效能和反射率測試實(shí)驗(yàn),結(jié)合考慮吸波材料比重對(duì)目標(biāo)的有效載荷量和機(jī)動(dòng)性等的影響,含碳25 g、含鐵50 g的11號(hào)樣品具有最佳的綜合性能；

(3)利用成像法檢測了偽裝材料的可見光和熱紅外圖像情況,結(jié)果表明其在可見光波段和紅外波段均有良好的偽裝效果。

(4)制備的偽裝材料不僅可實(shí)現(xiàn)可見光、紅外和雷達(dá)多頻譜兼容的偽裝效果,還具有較好的仿形偽裝功能,此外還具有制作工藝簡單、重量輕便于搬運(yùn)和使用、防水和耐老化性能好、適合野外多場景偽裝等優(yōu)點(diǎn),有較為廣闊的應(yīng)用前景。