红外隐身涂料的研究进展/朱永安等
#319#
红外隐身涂料的研究进展
朱永安, 姚兰芳, 汪国庆, 岳春晓
1
1
2
1
(1 上海理工大学理学院, 上海200093; 2 上海暄洋纳米材料有限公司, 上海200235)
摘要 综述了国内外红外隐身材料的进展情况, 重点介绍了构成红外隐身材料的填料、树脂、新型隐身涂料、红外隐身原理及其红外性能的各种影响因素, 最后指出了红外隐身材料的发展方向。
关键词 红外隐身材料 涂层 新型隐身涂料
Development of Study on Infrared S tealthy Materials
ZH U Yong . an 1, YAO Lanfang 1, WANG Guoqing 2, YUE Chunxiao 1
(1 College of Science, Univer sity of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093;
2 Shanghai Xuanyang Nanometer Mater ial Limited Cor poration, Shanghai 200235)
Abstract Development of infr ared st ea lthy mater ials overseas is summar ized in this paper , and more empha 2
ses are given on r esear ch of f iller and principle of the infr ared stealthy materials, as well as new stealthy paints. Some fact ors that effect the paints ar e int roduced. In addition, t he development of inf rared stealthy mat erials is pr esented.
Key words infr ared stealthy mater ials , coating, new stealthy paints
0 引言
红外隐身就是利用屏蔽、低发射率涂料、热抑制等措施降低目标的红外辐射强度与特性。这可以通过改进结构设计和应用红外物理原理来衰减、吸收目标的红外辐射能量, 使红外探测设备难以探测到目标。目前对红外隐身涂料报道的文章有一些, 但是还不够系统。本文比较详细地介绍了构成红外隐身材料的填料、树脂、新型隐身涂料、红外隐身原理及其红外性能的各种影响因素, 最后指出了红外隐身材料的发展方向。
在6~11L m 区间。因此, 涂层的红外特性受所用填料的影响, 具有强烈的光谱选择性[3], 而且金属粒子, 尤其是金属片状粒子是TIR 频段的首选填料。它们在TIR 频段吸收很少, 但在整个波段散射和反射很大, H agen Rubens 将金属的高反射性能归因于较高的载流子密度。显然, 金属填料的高反射性有利于降低发射率和太阳吸收率, 但却增加了对雷达波和可见光的反射, 不利于雷达和可见光的抑制作用。因此, 金属填料含量宜慎选。半导体填料是一种新型的掺杂填料[4]。从理论上说, 通过适当选择载流子密度N 、载流子迁移率L 和载流子碰撞频率X t 等参数, 可以使掺杂半导体在红外波段有较低的发射率, 而在微波和毫米波段具有较高的吸收率, 从而形成红外2雷达一体化材料。王自荣等[5]将ITO(掺锡氧化铟) 粉末经研磨后烧结, 与不同粘合剂粘合制成涂料, 研究了其发射率。
1 低红外发射率材料
一般来说, 用于热隐身的材料应具有以下基本特性[1]:具有符合要求的热红外发射率或较强的控温能力; 具有合理的表面结构; 具有较低的太阳能吸收率; 能与其它频段的隐身要求兼容。发射率是物体本身的热物性之一, 其数值变化仅与物体的种类、性质和表面状态有关。而物体的吸收率则不同, 它既与物体的性质和表面状态有关, 也会因外界射入的辐射能的波长和强度而异, 所以严格讲来, 吸收率不是物体的热物性。目前, 以降低发射率为主要目标的涂料的主要性能指标是:目标表面的发射率E T IR , 在可见光和近红外波段的太阳能吸收率A SUN 及与其它波段红外特性的兼容性。
1. 2 粘合剂的选择
影响涂料红外性能的另一个基本因素是粘合剂的选择。红外涂层用树脂有两个基本要求, 首先必须保护填料, 并在涂层的整个使用期能保持它们的红外特性不变; 其次树脂必须在所选光谱范围红外透明。根据美国涂料技术协会的研究结果, 可以从有机化合物连接键和基团来大致判断其红外吸收能力。大多数树脂在近红外区并无强烈吸收, 但在热红外区由于其官能团的分子振动, 如波段位于3. 3(碳氢伸缩动) , 5. 7(羰基伸缩振动) , 7. 0(碳氢变形振动) , 8. 0(碳氧伸缩振动) , 有强烈的吸收。实际上并不适宜作低发射率涂料粘合剂的有:醇酸树脂, 硅醇酸树脂, 聚氨酯, 硅橡胶, 聚苯乙烯。文献[6]列出了有机树脂的红外吸收光谱, 选用不含有这些官能团的树脂可以减少TIR 频段的强烈吸收。氟碳树脂在太阳辐射波段几乎透明, 在TIR 频段仅有微弱的吸收, 并且具有优异的环境稳定性, 非常适合于单
1. 1 填料的选择
填料是影响涂料红外性能的重要因素之一[2]。大部分无机填料在热红外波段(TIR ) 都具有明显的宽吸收频谱。例如, 碳酸盐在7L m 吸收最强, 硅酸盐在大约9L m 、氧化物在9~30L m 之间有吸收峰。有机填料由于其复杂的C 2N 2O 结构, 如黑、酞菁蓝及酞菁绿等都在TIR 频段有明显尖锐的吸收频谱, 但主要
*上海理工大学博士启动基金
男, 021
#320#
材料导报 2006年11月第20卷专辑×
纯特定波段的红外涂层。二甲基硅酮树脂具有较低的红外发射率值, 已应用于低发射率涂层; 无机硅酸盐低聚物可形成只含有硅氧键的聚合物, 除位于9L m 处外发射率都很低。树脂的吸收率还可通过加入填料而降低, 这些填料通过控制散射率和粒径可将树脂吸收波段的辐射光有效地散射掉, 这项技术在TIR 频段有很大的优越性。另外, 片状粒子填料形成连续薄膜减少了其下树脂吸收的入射光的透射。
寸效应、宏观量子隧道效应、小尺寸和界面效应, 导致它产生许多特异性能[11]。独特的结构性能使纳米材料具有良好的吸波特性, 同时兼有宽频带、兼容性好、质量好和厚度薄等特点。美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代吸波材料加以研究和探索。据报道, 法国最近宣布研制成功一种宽频带雷达吸波材料涂层) ) ) ) 纳米CoNi 超微粉, 该材料复磁导率, 在0. 1~18GHz 频段内, 均大于6, 大大超过金属微粉磁导率理论值3的限制; 美国研制的/超黑粉0纳米吸波材料, 对雷达波的吸收率大于99%[12]。磁性纳米颗粒、纳米颗粒膜和多层膜是纳米材料作隐身材料的主要形式。纳米级超微粉在细化过程中, 处于表面的原子数越来越多, 增大了纳米材料的活性, 在电磁场的辐射下, 原子、电子运动加剧, 促使磁化, 使电磁场转化为热能, 从而增加了对电磁波的吸收。纳米吸收剂作为一种新型的吸收剂, 已成为各国研究的热点。
2 新型隐身材料
隐身材料是隐身技术发展的关键。就目前报道的结果看, 隐身材料的研究主要涉及以下几个方面。
手性材料 手性是指一种物体与其镜像不存在几何对称性, 且不能通过任何操作使物体与镜像相重合的现象[7]。目前研究的手性材料是在基体材料中搀杂手性结构物质形成的手性复合材料, 这种材料能够减少入射电磁波的反射并吸收电磁波。手性吸收剂的优势在于手性参数容易调节, 且对频率敏感性低, 易实现宽频吸收[8]。
导电高聚物材料 导电高聚物结构具有独特的物理、化学特性, 将其与无机磁损物质或超微粒子复合, 可望发展成为一种新型的轻质宽频带隐身材料[9]。美国研制的由导电高聚物材料与氰酸盐晶须复合成的吸波材料, 具有光学透明特性, 可喷涂在飞机座舱盖, 精确制导武器和巡航导弹的光学透明窗口上[4]。多晶铁纤维吸收剂 欧洲伽玛(GAMMA) 公司研制的多晶铁纤维雷达吸收涂层是一种轻质的磁性雷达吸收剂, 可在很宽的频带内实现高吸收效果。与常规磁性吸波材料比较, 其重量可以减轻40%~60%, 克服了大多数磁性吸收剂存在的密度过大的缺点, 已应用于法国国家战略防御部队的导弹和飞行器[7]。这种纤维通过磁损耗和涡流损耗的双重作用来吸收电磁波。
金属化合物吸收剂 磁性金属化合物如F eO 、F e 2O 3、ZnS 等的复合超细粉末与高分子制成的吸波涂层, 其磁损耗角可达30b , 介电损耗角为10b 左右, 这类吸波涂料的吸收效果还可以通过金属化合物的相组成、含量以及粒径等微观结构进行调节[6]。陶瓷类吸收剂 陶瓷类吸收剂的密度比铁氧体低, 吸波性能较好, 而且还可以有效减弱红外辐射信号, 这类吸收剂主要有SiC 粉末、SiC 纤维、硼硅酸铝等。其中SiC 是制作多波段吸波材料的主要组分, 很有应用前景。SiC 的粒径、热处理时间对吸波性能影响很大, 通过控制工艺参数, 可以对其显微结构和电磁参数进行控制, 获得所希望的吸波效果[10]。SiC 纤维的电阻率较高, 影响其吸波效果, 一般采用高温处理法、表面处理法、掺杂异元素法来调节其电阻率, 使其具有好的吸波效果。
盐类吸收剂 视黄基席夫碱是聚合物, 这类高极化盐类材料结构中的双联离子位移具有吸波功能和强极化特性, 雷达波被这种盐吸收时, 能量将转变为热能而耗散掉, 某种特定类型的盐可吸收特定波长的雷达波。文献报道, 2mm 厚涂层, 在6~13GH z 内反射率小于-10dB , 雷达散射截面降低80%, 但工艺粘接性不佳。
稀土元素吸波涂料 稀土元素吸波涂料是新开发研制的一类吸波涂料, 以稀土磁性材料为吸收剂[11]。另外稀土元素常作为添加剂加在其它吸波涂料中, 用以调节吸波涂料的电磁参数。
3 红外隐身原理
从红外物理学[13]可知, 物体红外辐射能量由斯蒂芬2玻耳兹曼定律决定:
W =E R T 4
(1)
式中:W 为物体的总辐射出射度; R 为玻耳兹曼常数; E 为物体的发射率; T 为物体的绝对温度。
温度相同的物体, 由于发射率的不同, 在红外探测器上会显示出不同的红外图像。鉴于一般军事目标的辐射都强于背景, 所以采用低发射率的涂料可显著降低目标的红外辐射能量。另一方面, 为降低目标表面的温度, 红外伪装涂料在可见光和近红外还具有较低的太阳能吸收率和一定的隔热能力, 以使目标表面的温度尽可能接近背景的温度, 从而降低目标和背景的辐射对比度, 减小目标的被探测概率。红外侦察系统能探测目标的最大距离R 为:
R =(J S a ) 1/2[
1P
]1/2#[]1/2(2) 1/2
(X $f ) (V /V ) 2D 0(NA) S 0s n
式中:J 为目标的辐射强度; S a 为大气透过率; NA 为光学系统的
数值孔径; D 0为探测器的探测率; X 为瞬时视场; $f 为系统带宽; V s 为信号电平; V n 为噪声电平。
红外隐身的主要目的是减少公式(2) 中第一项的各项取值, 也就是说, 目标的红外隐身应包括三方面内容, 一是改变目标的红外辐射特性, 即改变目标表面的发射率; 二是降低目标的红外辐射强度, 即通常所说的热抑制技术; 三是调节红外辐射的传播途径(包括光谱转换技术) 。
4 低发射率涂层的影响因素
材料的发射率不但取决于材料本身的性质, 而且取决于其表观的物理状态。实际上, 作为涂料, 其辐射特性不但与其吸收特性有关, 而且也与其反射特性、颗粒度、环境温度、材料附着于其上的衬底等表观因素有关。在某些情况下, 这些因素甚至会起决定性的影响。
4. 1 涂层厚度的影响
涂层厚度对辐射带的强度和谱带的分辨率影响极大。Khan 发现在常温下涂料的红外辐射性能主要取决于约35~40L m 厚的表面层。当涂层厚度小于此值时, 发射率与基体的170L m 涂层厚度
红外隐身涂料的研究进展/朱永安等
对其辐射性能不再有影响。G. Fabb r i 等通过对不同厚度的硫酸铜涂层的红外辐射光谱的观察发现, 随着涂层厚度的增加, 光谱质量明显降低, 在有些情况下, 受涂层厚度的影响, 强的基频带会变得很弱, 而那些本来较弱的泛频带反倒变得很强。P. G. Gr iffiths 曾测量了以铝为衬底的润滑油涂层的辐射光谱, 发现当涂层很薄时所得到的光谱结构均匀, 与吸收光谱很类似, 但当涂层较厚时, 其辐射特性却变得类似于黑体了。在涂料研究中, 不能简单地认为强吸收带一定能产生强的辐射, 不能把物质的吸收光谱当作选择辐射涂料的唯一依据。李永明[14]的研究表明, 在一定范围内, 涂层的发射率随涂层厚度的增加而增加。Lafemina 的研究指出:对于光谱选择性辐射体, 在涂层足够厚时都将成为绝对黑体。
#321#
生一强吸收峰。Ar onson 为了去除硫化镉中的单质硫, 将其在高温下烧结后退火处理, 结果材料的反射率大大下降, 其原因尚不清楚[18]。夏继余等[19]认为, 用刷涂的方式比再振动状态下用喷涂方式涂层时铝的表面更容易平行于基体表面, 其全发射率分别为0. 38和0. 64, 并认为涂层厚度对光谱发射率在短波段影响较大, 而对长波影响相对甚微。徐文兰等[20]考虑了涂层自身辐射, 以及涂层对衬底透射或对外来辐射的反射, 建立了完善的热辐射传输方程, 给出了涂层表观发射率与反射率的公式。
5 发展方向
传统吸波材料以强吸收为主要目标, 新型吸波材料则要求满足/薄、轻、宽、强0, 而未来吸波材料则应满足多频谱隐身、环境自适应、耐高温、耐海洋气候、抗核辐射等更高要求, 以适应日趋恶劣的未来战场。其中多频谱隐身材料和智能型隐身材料将成为红外吸波材料的两个最主要的发展方向。
4. 2 衬底的影响
红外发射涂料通常不能单独使用, 它总要被涂敷在某一衬
底(或载体) 上。为了准确研究各种红外辐射涂料的辐射特性, 不能不考虑衬底辐射对涂料辐射特性的影响, 以及这两者之间的相互联系。通过对铜、铝、铁、白金、溴化钾和玻璃在300e 下的辐射光谱可以看出, 大部分金属都有几乎同样低的的比辐射率, 而溴化钾和玻璃在低波数区有较高的比辐射率。因此, 对涂料来讲, 金属是非常好的载体, 尤其是白金, 即使在很高的温度下, 也有极低的反应活性。很多资料表明, 抛光的金属具有更低的发射率和更高的反射率, 但是抛光的金属表面粘附性不好, 在进行涂敷时, 除了应进行一般的除油处理外, 还应进行表面磷酸化处理或阳极化处理, 使之表面形成一层氧化层, 从而增加其粘附性。同时, 新形成的氧化膜对涂敷在其上的涂料的红外辐射性能又形成新的影响, 这方面的内容有待于进一步研究。
[15,16]
5. 1 多频谱隐身材料
迄今为止的吸波材料都是针对厘米波雷达(2~18GH z) , 而先进红外探测器、米波雷达(如俄罗斯/高王0雷达) 、毫米波雷达(如荷兰/翁鸟0雷达、瑞典/鹰0雷达) 等先进探测设备的相继问世, 要求吸波材料在不久的将来发展成为能够兼容米波、厘米波、毫米波、红外、激光等多波段电磁波隐身的多频谱隐身材料[12, 21]。单波段吸波材料在未来将不再具有实战意义。在同一目标上使用的材料不应再是单功能多层结构, 而希望成为多功能材料, 实现4个或5个波段以上的多功能隐身材料一体化设计。
4. 3 温度的影响
对于发射率随温度变化的关系, 有关专著中曾有一些定性的论述。一般认为:发射率与温度的关系对金属和非金属是不一样的。金属的发射率较低, 并随温度上升而增加, 若表面形成氧化层, 则发射率可以成10倍或更大倍数地增加; 非金属的发射率较高, 在T
5. 2 智能型隐身材料
智能型材料是一种具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号作出最佳响应功能的材料系统或结构。目前这种新兴的智能材料和结构已在军事和航空航天领域得到了越来越广泛的应用。同时, 这种根据环境变化调节自身结构和性能, 并对环境作出最佳响应的概念, 也为隐身材料和结构的设计提供了一条崭新的思路, 使智能隐身目标的实现成为可能。美国制定的隐身材料研究目标中提出:2005年研制出可单独控制的辐射率/反射率涂层, 2010年研制出能自动对背景和威胁作出反应的自适应涂层体系。世界其他军事强国也在积极运作中。
6 结束语
我国在红外隐身技术方面虽然取得了一定的成绩, 但与国外相比仍然有很大的差距, 需要在以下方面加紧努力:
(1) 加速红外隐身涂料实用化的进程。首先需进一步显著降低涂层的E , 为此需探索新型粘合剂(包括对红外高透明或高反射的聚合物) 和颜料。
(2) 抓紧新型隐身材料诸如纳米复合材料、相变材料、树脂基复合材料以及自适应智能材料用于红外隐身的可能, 使我国的隐身技术上一个新的台阶。
(3) 加快复合隐身材料的研究, 以同时满足可见光、红外、激光和雷达隐身的要求。
(4) 降低材料光学性能对表面污染的敏感性。
(5) 4. 4 其它影响因素
表面污染, 包括灰尘和水分, 能使涂层光学性能严重恶化, 原来0. 24的发射率可上升到0. 87。原材料中所含杂质和水分, 8m 的
#322#
材料导报
参考文献
2006年11月第20卷专辑×
10(2) :44
11赵东林, 周万城. 涂敷型吸波材料及其涂层结构设计[J].兵
器材料科学工程, 1998, 21(4) :58
12张树海, 苟瑞君. 隐身技术的研究进展[J].华北工学院学
报, 2002, 23(2) :100
13付伟. 红外隐身原理及其应用技术[J]. 红外与激光工程,
2002, 31(1) :89
14李永明, 等. 涂料用粘结剂的热辐射性能评定[J]1红外技
术, 1994, (5) :32
15Ulf Deisenr oth, et al. Mit einer beschich tung versehenes
obgekt. DE Pat, 3507889
16Lews C F. M aterials keep a low prof ile. Mater Eng, 1988:3717邹南智, 等. 关于半球全发射率与温度关系的讨论[J]. 红外
技术, 1997, 19(3) :1
18Aronson James R. Modeling the inf rared reflect ance and
emittance of paints and coatings:AD 2A110824
19夏继余. 红外辐射涂层及其应用[J].红外技术, 1988, 10
(1) :43
20徐文兰, 等. 非均匀涂层的热辐射[J], 红外研究, 1990, 9
(5) :384
21王智勇, 刘俊能, 熊克敏. 兼具红外隐身的八毫米雷达波吸
收材料的研究[J]. 材料工程, 1998, (11) :1
123456
李新华, 等. 国外涂料型红外隐身材料研制现状和发展方向
分析[J]. 红外技术, 1994, 16(1) :5
谢国华, 等. 红外隐身材料的现状与展望[J].宇航材料工艺, 2001, (4) :5
Wake L V, Brady R F. Formulat ing infra red coatings for de 2fence applications. AD 2A267555胡永茂, 等1红外隐身技术的研究与进展[J].云南大学学报, 2002, 24(1A) :90
王自荣, 等. ITO 涂料在8~14L m 波段红外发射率的研究[J]. 红外技术, 1999, 21(1) :41
An infr ared spectroscopy At las for the coatings industr y (1980) . Feder ation of Societies for Coatings Technology, Blue Bell, PA. 1980. 356
钱海霞, 等. 纳米复合隐身材料的研究进展[J].宇航材料工艺, 2002, (2) :8
田乃林. 红外隐身方法与材料的发展[J]. 化工进展, 2002, (21) :283
谢国华. 红外隐身涂料与雷达波吸收材料相容性研究[J].
789
材料工程, 1993, (5) :5
10张光寅, 戴松涛, 张存洲. 高频介电常数对晶体反射光谱的
影响) ) ) 红外吸波材料机理探讨之一[J].红外技术, 1989,
(上接第314页)
21曲新喜, 杨邦朝, 姜节俭, 等. 电子薄膜材料. 北京:科学出版社, 1996
22Bernardi M L, Soledade L E, Santos I A, et al. Influence of
the concentr ation of Sb 2O 3and the viscosity of the pr ecur sor solution on the electrica l and optica l propert ies of SnO 2t hin films produced by the Pechini method [J].F ilms, 2002, 405:228
Thin Solid
27Thilakan P , Minar ini C, Loret i S, et al. Investigations on
the crystallization pr operties of RF magnetr on sputter ed in 2dium tin oxide thin films [J].Thin Solid Films, 2001, 388:34
28Ter zini E, Thilakan P , M ina rini C. P roper ties of ITO thin
films deposit ed by R F magnetron sputter ing at elevated sub 2st rate temperature [J]. M ater Sci Eng B, 2000, 77:11029Adurodija F O, Izumi H, Ishihara T, et al. Low 2tempera 2
tur e gr owth of low 2resistivity indium 2tin 2oxide thin films by pulsed laser deposition [J]. Vacuum, 2000, 59:641
30Lee J H , Ko K H , P ark B O. Electrical and opt ical proper 2
ties of ZnO t ranspar ent conducting films by the sol 2gel method [J].J Cr ystal Gr owth, 2003, 247:119
31Goebberta C, Nonningerb R, Aeger tera M A, et al. Wet
chemica l deposit ion of ATO and IT O coatings using cr ystal 2line nanopar ticles r edispersable in solut ions [J]. Thin Solid Films, 1999, 351:79
32张源, 张德恒, 马谨, 等. 不同有机衬底上沉积ZnO B Al 透明
导电薄膜研究[J]. 半导体杂质, 1999, 24(3) :1
23Shant hi S, Subr amanian C, Ramasamy P. Growth and char 2
acterization of antimony doped tin oxide thin films [J]. J Cr ystal Growth, 1999, 197(4) :858
24Dutta J, P err in J, Emeraud T, et al. Pyrosol deposition of
fluorine 2doped tin dioxide thin films [J]. J Mater Sci, 1995, 30(1) :53
25Gorjanc T C, Leong D, Py C, et al. Room temperature
deposition of ITO using r. f. magnet ron sputter ing [J].T hin Solid Films, 2002, 413:181
26George J, Menon C S. Elect rical and optical pr operties of e 2
lectr on beam evaporated I TO thin films [J]. Surf Coat
T echn, 2000, 132:45