红外线隐身涂料低发射率材料

20 世纪70 年代以来, 随着热红外探测器的广泛应用, 红外隐身技术无论在飞行器、地面设备还是战略突防等方面都引起了世界各强国的高度重视。相比国际上飞速发展的红外技术, 我国还有相当的差距, 必须加强这方面的研究。红外探测由于探测精度高, 已经成为一种重要的探测和跟踪手段。随着红外探测技术的快速发展, 红外隐身技术也取得了很大的进步。本文将概括地介绍应用于红外隐身涂层的填料、粘合剂及其红外特征的影响因素, 最后还将讨论与雷达的相容性问题。

一般来说, 用于热隐身的材料应具有以下基本特性: 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Ε 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要求的兼容性。

填料是影响涂料红外性能的基本因素之一。大部分的无机填料在热红外波段(T IR) 有明显的宽吸收频谱。例如, 碳酸盐在7 μ m 吸收最强, 硅酸盐在大约9 μ m 、氧化物在9 ～30 μ m 之间有吸收峰。有机填料由于其复杂的C 2 N 2 O 结构, 如黑、酞菁蓝及酞菁绿等都在T IR 频段有明显尖锐的吸收频谱, 但主要在6 ～11 μ 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[ 2 ] 。因此金属粒子, 尤其是金属片状粒子是T IR 频段的首选填料。它们在T IR 频段吸收很少, 但在整个波段散射和反射很大。H agen 2 R uben s 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。从理论上说, 通过适当选择载流子密度 N 、载流子迁移率μ 和载流子碰撞频率Ξ 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。

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( 碳氢伸缩振动), 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[ 4 ] 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T IR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9 μ 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子径可将树脂吸收波段的辐射光有效地散射掉, 这项技术在T IR 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。

兼顾雷达隐身的材料现均为多层结构。D eisen ro th 提出[ 10 ] 的一种由反热红外探测的面漆加反雷达探测的底漆构成的隐身材料就是一个简单而典型的例子。国外还有一种形式类似但结构更为复杂的七层复合材料[ 11 。研制这类多频段兼容隐身材料的关键是使表层材料具有良好的频率选择特性。

大量试验表明, 结构型和涂层型吸波材料分别与低发射率涂料复合后, 涂层的厚度对谐振点吸收率及吸收频宽的影响是完全一致的。在雷达吸波材料的上面涂敷一层红外涂料, 在一定的厚度范围内, 可以同时兼顾两种性能, 且雷达波吸收性能基本保持不变, 只是随红外涂层厚度增加, 谐振峰向低频平移, 同时也能保证原涂层的红外辐射性能不变[ 12 ] 。当红外涂层与之复合后, 只要红外低发射率涂层厚度达20 μ m, 便能覆盖整个高辐射表面, 而使法向总比辐射率值趋于一稳定值, 而且红外隐身涂层厚度在20 ～100 μ m 时, 法向总比辐射率基本没有什么变化。当应用CAD 设计后, 雷达波吸收涂层可采用3 层结构。电磁损耗层为底层, 中间层是阻抗匹配层1, 面层是阻抗匹配层2, 也是红外隐身涂层。总比发射率为0. 26 的涂料与发射率为0. 85 的雷达吸波材料复合后, 其红外法向总比发射率降至0. 23 。

保密使各国的真实研制情况很少具体披露, 但从热红外低发射率材料的使命和目前暴露的一些问题推断, 今后人们会在下述方面加紧努力:

a) 加速热隐身涂料使用化的进程。首先需进一步加强控制涂层发射率的能力, 为此需探索新型粘合剂( 包括对热红外高透明或高反射的聚合物) 和填料。此外, 需以现有原材料为基础, 掌握在较大范围内自由调控发射率的配方技术, 以满足不同场合的使用需求;

b) 探索低发射率薄膜以及隔热材料、相变材

料、树脂基复合材料等用于热隐身的可能性;

c) 降低材料光学性能对表面污染的敏感性;

d) 研制多频段兼容性好, 结构简单, 轻便坚固的材料;

e) 完善热隐身材料的性能测评系统。

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。

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 ～40 μ m 厚的表面层。当涂层厚度小于此值时, 发射率与基体的性质和粗糙度有关; 当涂层厚度大于160 ～170μ m 时, 涂层厚度对其辐射性能不再有影响。G.Fabb ri 和P. Barala 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. Griffith s 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[5 ] 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。L afem ina 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。

衬底的影响

通常, 红外发射涂料不能单独使用, 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300 ℃ 下的辐射光谱可以看出, 大部分的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面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。

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, 则发射率可以成十倍或更大倍数的增加; 非金属的发射率较高, 在 T < 350 K 时一般多超过0.8, 并随温度的增大而减小。

邹南智等[6 ] 依据Stefan 2 Bo ltzm ann 定律, 研讨了红外半球全发射率Ε h 随温度 T 变化的函数关系, 并导出了一个递推的解析关系式。认为任何物体的半球全发射率均将随温度的升高而下降。这与传统的观念也不一样, 值得引起重视。

对于掺杂型材料, 由于杂质离子的进入, 破坏了部分正常晶格的平移对称性, 将产生以杂质离子或缺陷为中心的局域振动模式, 此外杂质能级处于禁带之内, 容易发生跃迁, 增加自由载流子的浓度。在受热条件下, 这些自由载流子的带内跃迁或电子从杂质能级到导带之间的直接跃迁, 最终都将产生强能量的辐射。这些因素使得掺杂型材料的红外辐射谱在很大程度上不同于单纯材料的辐射谱, 一般表现为轻杂质成分的加入将会使材料的辐射波段向短波方向移动, 重杂质的加入, 则使材料的辐射波段向长波方向移动。当有选择地加入多种杂质离子时, 材料的辐射波段可变宽, 辐射强度会增大。

颗粒度的影响

多数研究者认为填料颗粒尺寸应小于热红外波长, 大于近红外波长, 这样, 填料才会既有良好的热红外透明性, 又有一定的可见光和近红外反射能力。对于具有散射力为 m 的填料, 其具有最大散射能力的粒子径 d 与波长Κ 的关系为:

Κ = d /K (1)

式中　; n 是树脂的散射率。这 正是涂料配方设计中的一个重要依据。

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对涂层红外性能也有显著影响, 水的存在会在2. 8 μ m 的波段产生一强吸收峰。A ron son 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[ 7 ] 。

夏继余等[ 8 ] 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[ 9 ] 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。