热红外校企扫描涂料的研究

热红外校企扫描涂料的研究

热红外调查技术是军事调查的重要手段，在调查和精确控制方面发挥着重要作用。随着探测器性能的提高,对军事装备的威胁也逐渐增大。热红外成像仪器的空间分辨率已达0.1～0.2mrad,温度分辨率可达0.1～0.3℃。据不完全统计,过去10年中被击落、击毁的武器装备有90%以上是热红外制导导弹的牺牲品。热红外伪装技术的研究与应用,是我军装备现代化防护技术中不可缺少的组成部分。1热红外全温度设计热红外侦察与制导武器的工作原理是通过目标与背景的热红外辐射能量之差来分辨目标。根据斯蒂芬—玻耳兹曼定律:式中:Mb为辐射强度,ε为表面发射率,δ为斯蒂芬—玻耳兹曼常数,T为绝对温度,单位为K。热红外侦察系统通过探测目标表面的辐射强度来反演目标表面的热红外特征,从而在复杂背景中把目标识别出来。由于目标发射率和波长的非线性关系,热红外探测器测量得到的目标表面温度并非真实温度,而是由目标真实温度和发射率决定的虚拟温度。在热红外波段,地物的升降温速度与其表面的可见光吸收率、红外发射率以及与空气的热接触、热传导、热容量以及大气湿度有关。要使目标在热红外波段有较好的伪装效果,就必须减小目标与背景在热红外探测器上的虚拟温度差别。热红外伪装材料是指用于减弱武器系统热红外特征信号,达到伪装技术要求的材料。热红外伪装材料具有阻隔武器装备热红外辐射的能力,同时在大气窗口波段内具有低的红外发射率。按照作用原理,红外隐身材料可分为控制发射率和控制温度两类。军事伪装通常采用迷彩变形方法,三色或四色迷彩涂料具有不同的热红外发射率,使目标在热图中呈现灰度不同的斑点,从而分割目标外形,造成敌方识别困难。实际背景中,绿色植被与裸露土壤都具有较高的发射率,但在阳光照射下,绿色植被由于蒸腾作用、光合作用等,表面温度较低,呈暗色调;而传统迷彩涂料在阳光照射下升温迅速,热红外特征明显(图1)。涂料由粘合剂和颜料组成,根据前面讲述的原理,要控制涂料的热红外特征,就要降低表面温度和发射率,控制表面温度可以选用热容量比较大的颜料,但是由于武器装备表面涂层厚度的限制,使这种方法在调解目标表面温度中的作用很有限;另外一种降低热红外特征的手段就是降低涂层的表面发射率,从而达到降温的目的。目前的伪装涂料发射率偏高,所以研究的热点集中在选择和研制发射率比较低的颜料和粘合剂上面。2热红外技术的应用颜料在涂料中占有较大的比例,决定了涂料的光谱反射特性和可见光、近红外波段的伪装性能,对涂料的热红外性能也有着重要的影响。伪装涂料中用到的颜料主要包括了金属颜料、金属氧化物颜料、金属硫化物颜料、金属盐类颜料、半导体颜料、有机颜料等。有机颜料由于耐光老化性能较差使用较少;无机颜料在伪装涂料中应用较多,有很多优异性能:遮盖力好、耐光性好、不易分解和耐高温等;同时又有不足之处,如着色力偏低、粒子较硬、颜色不够齐全、色彩不够鲜艳等。金属颜料的发射率较低,随着温度的升高而增大,当表面形成氧化层时,发射率会成倍地增加;金属氧化物、硫化物颜料的发射率一般大于0.8,并随着温度增加而降低。实际背景的发射率一般较高,在20℃下,普通红砖的发射率为0.93,干燥土壤的发射率为0.92,而含有饱和水的土壤发射率为0.95以上。金属与其它非透明材料的辐射,发生在表面几个微米内,因此发射率是表面状态和涂料本身特性的函数,受基材的影响较小,但是如果颜料和树脂的热红外透明性很好,则涂料的发射率受基材的影响较大。常用的金属颜料包括片状、颗粒状的铝粉、铜粉等,在伪装涂料中使用金属颜料可以显著降低涂层的热红外发射率。在相同条件下,片状金属粉对降低涂层发射率的效果比颗粒状金属粉要好。华东理工大学国家超细粉末工程研究中心将表面包覆了一层二氧化硅的片状铝粉用作热红外隐身涂料颜料,很好地解决了铝粉抗氧化性弱的缺点,所得涂料的发射率仅为0.35。用此类技术研制的涂料已在个别新型装备上开始试用,从试用的效果来看,这类伪装涂料存在以下问题:1)利用高反射率金属铝粉为颜料,虽然能够达到涂料的低发射率性能要求,经红外热像仪测试,可以实现热红外图像分割的效果,但是金属铝粉颜料的着色力强,难以制备出在可见光、近红外波段兼容的迷彩涂料,这种方法制备的三色迷彩颜色与背景差别较大,无法满足现代武器装备的多波段隐身要求。2)金属颜料增加了对雷达波、可见光和激光的反射,不利于激光和雷达隐身。因此在制备热红外隐身涂料时应慎重选择金属颜料。除传统的颜料以外,近几年来,研究人员也在不断地寻找新的低发射率颜料。半导体材料可以通过不同的制备工艺实现较低的发射率,受到了广泛的关注。在普通颜料上用阴极雾化法沉积陶瓷金属和利用二维光栅原理在颜料表面沉积半导体技术等,都能比较显著地降低涂料的红外发射率。薄膜材料应用到红外隐身方面具有很大的优势,它们的红外发射率低、厚度小、重量轻,一般采用磁控溅射方法,膜层厚度小于1μm,分为金属膜、半导体参杂膜、电介质膜、类金刚石膜等。据报道采用ITO(StannumDopedIndiumOxide)半导体粉末为颜料的涂料作为隐身材料,其红外发射率仍高达0.6～0.7,这是因为不导电的粘合剂使涂料的发射率增大,并且ITO颜料比例较大,成本高。ITO膜很轻,其红外发射率随方块电阻减小而减小,高品质ITO膜的红外发射率能够降低到0.1以下,可以作为涂层和材料降低涂料表面的发射率,因此,ITO膜作为红外隐身材料近年来备受重视。ATO(AntimonyDopedTinOxide)有较低的红外发射率。将ATO粉末作为低发射率颜料用到涂料中,制成红外迷彩涂料,不但可以起到红外隐身的效果,而且机械性能和着色力等物理性能也很好,是一种性能优良的热红外低发射率材料。经研究表明,粒度分布均匀的ATO粉末在涂料中的分散效果好,在热红外波段的散射率强、发射率较低,制备这种单分散粉末多采用共沉淀法。北京航空航天大学材料物理研究中心利用磁控溅射在玻璃衬底上制备了具有良好光谱选择性透过的TiO2/Ag/TiO2纳米多层膜。样品的可见光透过率最高可达94.5%,2500nm波长处反射率大于65%。8～14μm波段红外发射率ε<0.2,具有作为多波段隐身材料的应用前景。除了以上的半导体颜料以外,以ZnO-Al、ZnO-Tb、ZnS为主要成分的低发射率颜料研究的也比较多,并取得了一定的成果。从发展趋势看,低发射率半导体颜料是解决热红外伪装涂料发射率问题的一个突破口,具有很好的发展前景。但是半导体材料也存在成本很高,制备工艺复杂等问题。3热红外抗静电材料伪装涂料中粘合剂的含量很高,体积分数在50%以上,故伪装涂料的发射率受粘合剂的影响很大(尤其在8～14μm波段)。选择粘合剂的原则就是要求粘合剂在热红外波段具有很高的透过率,利用粘合剂在红外大气窗口不含有吸收基团来实现涂料在热红外波段的低发射率。研究表明,用于热红外伪装涂料的粘合剂应符合如下2个基本要求:一是必须保护填料并在涂料的整个使用过程保持它们的物理特性;二是所用粘合剂必须在大气窗口的光谱范围内红外透明。国内的热红外透明粘合剂发展较晚,目前在理论探索和研究方面已经取得了一定进展,但在工程应用上还不成熟。研究较多的包括丙烯酸聚氨酯、氯乙烯、环化橡胶、丙烯酸树脂、氯丁橡胶、乙丙橡胶等。军需装备研究所、空军后勤学院的科研人员研究了三元乙丙橡胶的红外发射率和使用性能,得到发射率为0.58的伪装涂料粘合剂,并通过物理改性和化学改性的方法改善了乙丙橡胶附着力、耐磨性、耐油性差等缺点。中国兵器工业第59所在研究红外透明粘合剂方面做了较多探索,测试了不同树脂的红外发射率,经过对多种涂料用粘合剂体系进行比较得到2种红外透明性非常好的粘合剂,并选用具有红外高反射低吸收功能的颜料,得到的涂料发射率可降至0.55～0.6。通过重复性试验发现,这些涂料虽然具有较低的热红外发射率,但在可见光和近红外波段的伪装性能不佳,不能满足多波段兼容的要求,仍需要继续改进。国外对于热红外透明性树脂的研究开展较早,美国贝尔沃研究、发展和工程中心很早开始测试各种用作涂料粘合剂的树脂,把各种粘合剂的发射率用其透光度来表示,粘合剂的透光度越大,吸收就越弱,其发射率也就越低。美国涂料技术协会利用有机化合物分子含有的基团与化学键判断其热红外透明性,结果表明,粘合剂在热红外波段由于其官能团的分子振动,使其在相应的波段均有着较强的吸收。如聚氨酯(PU)由于分子链中含有氨酯基(-NHCO-)、异氰酸酯基(-NCO)类的不饱和基团,其红外吸收光谱在热红外波段出现了明显而尖锐的吸收峰,使得聚氨酯虽然在使用性能方面具有优异的性能,却并不适合用作热红外隐身材料。含有杂环结构的粘合剂,通过其多波段光谱可知,它们在波长为0.4～3.2μm,尤其在0.5～1.8μm内有很强的吸收。所以在低发射率伪装涂料的配方设计中,可根据已有文献中粘合剂的红外吸收光谱,选用不含有这些官能团的粘合剂以减少在热红外波段的吸收。ChandrasekharP和MasulaitisAnthonyM等通过选择合适的粘合剂、掺杂剂、工艺路线等,合成了热红外伪装涂料用导电聚合物,可以控制其光学特性如反射光谱、透射性等,有的导电聚合物在2.5～20μm的反射率在90%以上,有望解决热红外隐身技术中的低发射率粘合剂问题。目前,美军正在研发的低发射率粘合剂主要有2类:一是在可见光和红外波段透明度高的粘合剂;二是选择性吸收粘合剂,即在大气窗口(3～5μm和8～14μm)处是透明的,在非大气窗口(5.5～7.5μm)处可以有较强的吸收。从聚合物的官能团和化学键来分析,石蜡族化合物、具有环状结构的橡胶、异丁烯橡胶、聚乙烯以及氯化聚丙烯等都可能用于低发射率伪装涂料的粘合剂。4变色龙式的智能保护目前的热红外伪装涂料难以满足可见光和近红外伪装的光谱通道要求,同时,在作战背景不断变化的跨区域作战中,传统的单一背景伪装涂料表现出适应性很差的缺点。根据以上不足之处,许多科研工作者积极探索新型的伪装材料,突破传统伪装涂料的限制,为解决多波段兼容和作战背景变化的问题提供新的发展方向。智能伪装材料计算机技术和基因技术在军事伪装上的应用使伪装技术有了革命性的变化。计算机制造的智能迷彩“隐身衣”使肉眼难以辨认。不久前,在美国的一次高级军事会议上,首次展示了“21世纪陆战勇士”系统中的变形迷彩服。这种神奇的迷彩服有蓝、绿、灰、黄4种颜色的图案,是由电脑模拟丛林、沙漠、岩石、土地等背景环境而制成,即使是在运动中,也不易被肉眼发现。它所采用的隐身材料是有希望实现变色龙式隐身的异构色素,其中,综合性能最好的变色性色素是双硫腙的金属络合物,特别是二价汞的络合物,可用于合成纤维,也可制成涂料,适用于智能隐身。这种智能隐身材料具有能随环境变化的实时伪装特性,能够适应不同的地貌和环境,主要应用于防可见光侦察。基因伪装材料基因重组技术将使植被伪装发生一场“绿色革命”,军事伪装领域的专家经过长期研究,用基因重组的办法,把多种植被的优点集中到某种植被上。这种植被具有适应性强,生长快速的特点,可用它做成“植被毯”。这种毯子是由供植被生长的营养剂经特殊加工后制成的,植被的种子就编在毯中。把“植被毯”盖在前沿阵地、工事及可供植被生长的、比较固定的目标上,战时适当浇水或遇有少量雨水,“植被毯”便在雨后的短时间内快速生长出绿色植被,且长成后长时间保持不变,使目标和背景真正做到在多个波段浑然一体,从而达到长期伪装的目的。5宣传发展趋势多波段侦察技术的发展给伪装隐身技术带