红外迷彩控温涂层的制备及性能研究开题报告

2020-04-15 04:04

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1.研究背景

随着现代各种光电磁探测技术的迅猛发展，传统的作战武器所受到的威胁越来越严重。隐身技术作为提高武器系统生存、突防，尤其是纵深打击能力的有效手段，已经成为海、陆、空立体化现代战争中最重要、最有效的突防战术技术手段，在现代化信息战中的重要性也与日俱增，成为提高武器装备生存能力。突防能力和作战效能的关键技术，日益引起世界各国的普遍重视。

隐身技术又称目标特征控制或低可探测技术，它主要是通过改变或抑制目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。采用隐身技术的武器装备平台将成为新型战术，甚至成为战役的突击力量，对战争将产生重大影响。以美国为首的各军事强国都对隐身技术进行积极研究，并取得了突破性进展，相继研制出具有隐身性能的巡航导弹、轰炸机、战斗机等。隐身技术包括红外隐身、雷达隐身、可见光隐身、声隐身、激光隐身等领域，但目前面临的探测威胁仍以红外和雷达为主，雷达隐身的研究开展时间较早，理论也比较成熟。相比之下，红外隐身就要慢得多，困难的多，国内外相关的报道也比较少。

作为热抑制技术中的主要手段和材料，红外隐身涂料既可用于目标的外部，又可用于目标内部的发热部件；它能降低、改变目标自身的红外辐射特征，而且使用方便，工艺简单，品种较多。同时赋予了武器装备各种伪装和隐身功能，并以其制造方便、成本低廉等优势在红外隐身技术研究中占有重要的位置^[1]。红外隐身涂料也叫中远红外伪装涂料，它可以使3～5μm和8～14μm工作波段的红外探测器难以探测到目标。现有两类常用的红外隐身涂料：一类是吸收型，即通过改变涂料本身结构或工艺技术，使吸收的能量在涂层内部不断被消耗或转换而不引起明显的温升，减少物体热辐射；另一类是转换型，即在吸收红外能量之后，改变红外辐射的方向，或使释放的红外辐射向长波转移，使之处于红外探测系统的工作效应波段之外，从而达到隐身的目的^[2]。目前广泛应用的红外探测系统是红外热成像系统，红外隐身涂层材料又主要是针对红外热像仪的侦察，旨在降低目标在红外波段的亮度，掩盖或改变目标在红外热像仪中的形状，降低其被发现的概率。

2.红外隐身涂料的隐身原理

所谓红外隐身，就是利用屏蔽、低发射率涂料、热抑制等措施，来降低或改变目标的红外辐射波段和强度，以隐蔽目标的红外辐射特征信息，从而实现目标的低可探测性。红外隐身涂料是通过对目标表面进行处理来减少或消除目标与背景之间的亮度差别或温度差别，使目标与背景的红外线特征相适应，从而达到隐身目的的一种功能涂料。但是，由红外迷彩产生热分割、热变形也是红外隐身的手段之一，因而红外涂料的发射率也需要一个由低到高的系列^[3]。

从红外物理学可知，物体红外辐射能量由斯蒂芬－玻尔兹曼定律决定：

(1-2)

式中： M#8212;物体的辐射功率

ε#8212;物体的发射率

σ#8212;斯蒂芬常数

T#8212;绝对温度

可见物体的红外辐射能量不仅取决于物体的温度，还取决于物体的发射率。因此，实现红外隐身可有两种途径：一是控制表面发射率；二是控制表面温度。

由于热成像系统是依靠探测目标自身与背景的辐射差别来发现和识别目标。因此热红外隐身的原理之一就是降低目标和背景的辐出度差ΔM。ΔM可由下式求得：

(1-3)

式中，M_t#8212;目标的辐射度；M_b#8212;背景的辐射度。所以求得：

(1-4)

式中，、分别为目标和背景的发射率；σ为斯蒂芬常数；、分别为目标和背景的温度。

由上述的公式可以看出，温度相同的物体，由于发射率不同，其相应的红外辐射能量也就不同。要降低ΔM，一般就要降低M_t。如果ΔM值很小的话，则目标与背景的辐射能量密度相差也就很小，那么目标也就不容易被发现。鉴于军事目标的辐射一般都强于背景辐射，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，但为了形成迷彩涂层也需要一个由低到高的系列，因而高发射率也是需要的^[4]。

目标的辐射特性与其所具有的辐射温度、材料的物理性质及目标表面形状等因素有关。其辐射能力的高低取决于目标的温度、最大辐射波长和目标的黑度等三个主要参数。因此，目标的红外隐身技术应包括三方面内容：一是改变目标的红外辐射特性，即改变目标表面各处的辐射率分布；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）^[5]。

3.红外隐身涂料的涂层技术

涂料的涂层一般可以分为：单层涂覆、多层涂覆和热迷彩涂层。

单层涂覆较为简单，即在基底上只涂覆一层涂料，使目标与环境之间的辐射差异尽可能缩小。而多层涂覆则是在基底上先涂覆一层红外低发射率涂层，然后再在表面涂敷一层在红外波段具有透明性质的其他隐身材料，从而达到多功能复合隐身的效果^[6]。Kiyoshi Chiba^[7]等利用中层掺银的多层涂覆方式获得了低红外发射率涂料。另外，制备多层结构的低辐射率涂料也成为一大热点，这种涂料的最大特点在于热红外伪装与光学伪装的兼容性。其中最有代表性的是瑞典于80年代研制的”巴拉居达热红外伪装遮障”，它是由热伪装网和隔热层两部分组成的双层结构^[8]。隔热层用来屏蔽目标的热辐射，以造成一个温度均匀且不太高的”冷”表面，隔热层中含有的一层金属薄膜使其表面发射率达到0.65。热伪装网中含有的中间金属层及其面上的不同发射率的聚合物涂层使伪装网具有0.61的不均匀发射率特征。不同发射率的热伪装网与隔热层的结合，使这种新的多涂层伪装体系能够适合不同背景，具有相当的多谱性，在热伪装技术方面具有一定的突破性。英国则发展了一种称为”热屏蔽森林”的伪装材料。他们将两片着色的聚乙烯层压在金属铝层的上下两面，然后通过金属铝的升华，形成”不甚清晰”的二层结构。由于聚乙烯的透明性、铝的高反射性，使得这种涂层的总发射率只有0.2。

研究发现，单一的涂层技术很难满足目标在复杂背景下的要求，因此科学设计迷彩图案成为涂层技术的一个重要发展方向^[9]。其原理是把涂层做成由不同热辐射分布构成的红外迷彩图案。由于涂层各部分的热辐射强度互不相同，这就使得目标的热图像存在很大的失真，成像系统从而无法识别目标，对降低目标被识别能力、提高装备作战性能具有重要意义。周学梅^[10]等通过对X-烧结填料、锌钡白、铁蓝、氧化铬绿等颜(填)料的红外透明性分析，研究涂层红外辐射率和可见光的关系，通过添加红外高反射填料，设计涂料的组成配比和颜基比，制备相同迷彩颜色、不同辐射率的多梯度红外隐身涂料，使涂层在具备热图像分割的基础上，实现可见光迷彩与红外斑块的分离，进一步降低武器装备的被识别概率。

4.红外隐身涂料辐射率的影响因素

红外辐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。实际物体发射的全部辐射能量与同一温度下绝对黑体发射的全部辐射能量之比定义为全发射率。把各个波长的辐射能量与同温度、同波长下绝对黑体的辐射能量之比定义为单色发射率^{[11 , 12]}。在实际使用中通常所测的红外发射率指的是一定波长范围内的红外发射率，即所谓的平均红外发射率。

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，其性能主要决定于涂料的粘合剂、填料的种类和结构，以及涂装工艺。

4.1材料本身结构的影响

一般来说，金属导电体的红外发射率数值较小，电介质材料的红外发射率数值较高。存在这种差异的原因与构成金属和电介质材料的带电粒子及其运动特性直接有关^{[13 , 14]}。带电粒子的特性不同，材料的电性和红外发射的性能就不#8212;样，而这往往与材料的晶体结构有关。金属导体的结构可以看作是正离子晶格由自由电子把它们约束在一起，离子型电介质材料主要由正、负离子的静电力结合在一起，共价型晶体是靠两个原子各自贡献出自旋方向相反的电子，共同参与两个原子的束缚作用。这样电子跃迁时产生的能量变化就不一样，所发射的电磁波的波长就不一样。一般来说，金属的红外发射率一般较小，例如Al，Fe，Cu，Ag等红外发射率都较小。

4.2 填料对发射率的影响

影响热红外隐身涂料发射率的因素有很多，如填料、粘合剂和涂装工艺等，其中填料是影响涂料隐身性能的基本因素之一，一般要求其有较低的发射率，不能在大气窗口内有强烈的红外吸收峰。对于填料，导电性越好，反射率越高，发射率就越低。目前用于红外隐身涂料配方中的填料主要有三种：金属填料、着色填料和半导体填料。

4.2.1金属填料对发射率的影响

金属填料的粒子形态、尺寸和含量对涂料的红外发射率均影响显著。文献^[15]对金属填料粒子的形状如何影响其发射率进行了理论研究，发现选择金属填料粒子形状的顺序应是鳞片状、小棒状和球状(包括空心和实心)，发现鳞片状铝粉粒子尺寸在50～70μm，含量为30％～40％时发射率最小。

Tschulena研究了金属填料粒子尺寸对红外波段发射率的影响后认为，粒子的直径应在0.1～100μm范围内。形状不同，粒子尺寸范围也不同，鳞片状粒子，直径在1～100μm，最佳厚度0.1～10μm；小棒状粒子的直径0.1～10μm，最佳长度1～100μm；球状粒子的平均直径≤0.1～100μm。对于前两者，直径/厚度(或长度)比越大，降低红外波段发射率的效果越明显^[16]。澳大利亚国防部材料实验室最先做过比较，在涂料配方中，将铝箔片的直径由12μm增至70μm，其余参数条件不变，结果红外波段发射率值明显降低^[17]。

4.2.2 着色填料对发射率的影响

相对于金属填料而言，一般着色填料的红外发射率较高，在红外隐身材料中引入着色填料的主要目的是为了与可见光隐身相兼容。而进行低发射率着色填料分子设计难度较大，目前真正靠合成新的分子或改变分子结构得到的低发射率着色填料还少。因此，在满足可见光伪装要求的前提下，为了不影响金属的发射率，选择的着色填料一般都应有较好的红外透明性。由于材料的粒度对自身红外透明性有较大的影响。故可以通过降低着色填料的粒度来改善它的发射率^[18]。表1-2列出了几种着色填料粉末的红外发射率。

4.2.3 粘合剂对发射率的影晌

光学研究表明，粘结剂透红外性越好，吸收越弱，发射率就越低。而涂料的发射率是粘合剂和填料的综合体现。这就要求粘合剂要有很好的红外透明性，充分体现填料的光学性能。从而降低涂料的发射率^[19]。

4.2.4 颗粒度对发射率的影响

多数研究者^[20]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λ的关系为：

(1-5)

其中，=0.9(m² 2)/(π(m² 1)n)，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。

4.2.5 温度对发射率的影响

巴克和阿勃特^[21]提出假设：在均匀的温度场中，金属可以看作是匀质而有光滑表面的不透明体，根据传导电子有限的非零弛豫时间(或称松弛时间)推得其半球发射率与温度关系式。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，这是因为金属对红外辐射是不透明的。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Tlt;350K时一般都超过0.8，并随温度的增大而减小。填料的发射率一旦升高，必然会影响涂料的发射率。

4.2.6 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35μm～40μm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160μm～170μm时，涂层厚度对其辐射性能不再有影响^[22]。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。

4.2.7涂覆工艺的影响

涂覆工艺直接影响涂层的表面微结构形态和取向。有人曾注意到，仅涂刷操作的不同就可使同配方涂层的发射率和反射率出现10％的偏差。从降低ε值的角度考虑，要求涂层表面尽可能光滑，但光滑表面对太阳辐射会呈镜面反射，使目标在某一方位的辐射能量增加，反而增大了目标的可探测性^[23]。因此，当考虑目标对环境辐射能量的反射时，热隐身表面应有一定的粗糙度，使之呈漫反射。施工时应保证制得的涂层具有适当的粗糙度，同时尽量使填料颗粒排列整齐，使涂层表面在不同的热辐射极化方向形成许多小平面，以促进热辐射的极化。

5.红外迷彩隐身

目前大多数红外探测器主要是通过景物各部分的温度差再现景物各部分的辐射起伏，形成可见的辐射热图像，从而显示出景物的特征。迷彩隐身就是在目标表面使用具有不同发射率的红外迷彩涂料，通过涂层的不同发射率使目标在热图中呈现灰度不同的斑点，对目标外形进行有效的红外图像分割，尽可能地缩小被探测物体与背景之间的表观温度或发射率的差异，达到使目标与背景相融合的目的，实现红外隐身^{[24, 25]}。

涂覆迷彩涂料因成本低、易施工和适用性强等优点在红外隐身中得到了广泛的应用。战争经验与研究试验表明：实施多色变形迷彩伪装的车辆装备比不实施迷彩伪装的车辆装备的生存率在白天目视条件下能提高33%~50%，夜间微光夜视观察下能提高50%以上。而迷彩伪装漆是主要应用于野外作业的装备，应用环境恶劣，除必须具有良好的伪装效果外，还应满足下述几点要求^[33]：(a) 涂料与装备表面有优良的附着力；(b) 漆膜有优良的耐候性、耐盐雾性和耐湿热性，不粉化、不龟裂、抗变色；(c) 具有良好的耐化学介质腐蚀性、防霉菌；(d) 漆膜无镜面反射、无光或平光。

由于多数军事目标的周围环境和背景基本处于时刻变化的状态，因此常规的、针对特定环境和背景的红外伪装技术和器材并不能确保被保护的机动目标在全时刻和全天候的伪装效果。因此，突破传统伪装涂料的限制，智能伪装材料和基因伪装材料的研究为解决多波段兼容和作战背景的变化问题提供了新的发展方向。

6.相变微胶囊及在隐身涂层中的应用

微胶囊技术的研究开始于20世纪50年代，最初由美国国家现金出纳公司(NCR)的B.K.Green于1954年获得成功，并且用于生产无碳复写纸，开创了微胶囊新技术的时代。微胶囊技术在医药、农药、日化、感光材料、食品、生物制品等领域得到了广泛的应用，国际上已将微胶囊技术列为21世纪重点研究开发的高新技术。目前，每年关于微胶囊方面的专利、论文等数以千计，微胶囊化越成为相变材料封装的一种重要技术。相变微胶囊是采用有机或合成高分子材料包覆相变材料形成的微小容器，由于制备工艺的差异，微胶囊有球形的和无定形态的。微胶囊粒子大小一般在1～100μm，壁材的厚度在0.2～10μm不等。囊芯在微胶囊总质量中所占比例可以在20～95%范围内变化。

相变微胶囊的作用原理如下：当环境温度高于芯材相变材料的相变点时，相变材料吸收环境中的热量，发生固#8212;液相转变，全部由固态转变为液态；当环境温度低于其相变点时，又会放出热量，发生液#8212;固相转变。由于相变材料始终包覆于胶囊内，相变材料发生膨胀或收缩时，胶囊外层的高分子膜（壁材）始终保持固态。相变微胶囊的这种吸热、放热功能，可使目标物温度在一定时间内保持相对恒定状态，即可起到”控温”作用。

一般军事目标的温度均高于背景温度，在热像仪中显示出显著的热特征。减弱这种热特征成为热红外隐身的关键任务。相变微胶囊在发生相变时，可以吸收或放出大量的热，从而使温度维持在一个相对稳定的范围；若在高温目标表面涂覆含有这种微胶囊的材料，通过材料的吸热作用，可使目标的温度降低，从而达到抑制目标热特征，隐身的目的。结合国内外发表的论文以及专利，相变微胶囊用于热红外隐身材料的方案有如下几种：

（1）将相变微胶囊加入到液态聚合物中，然后发泡形成泡沫塑料，制成膨胀块体隐身材料；（2）将相变微胶囊以填料的形式加入特定成膜剂中，再加入适当的颜填料、溶剂制成相变隐身涂料；（3）将相变微胶囊植入布料等植物中，可以加工出具有热红外隐身功能的隐身衣；（4）将相变微胶囊加入军事目标水泥浆料中，可以做成隐身建筑材料，修建具有热红外隐身功能的军事建筑

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、需研究或解决的问题：

采用刮涂、刷涂、喷涂、流平四种方法制备低发射率控温涂层和迷彩控温涂层，从涂覆工艺、颜基比、涂层影响因素等方面对涂层的性能进行优化，通过实验研究制备具有一定控温性能物理性能优异的红外隐身涂层。

要求了解制备红外隐身涂层的选材要求，选择合适的填料和粘合剂，研究四种涂覆方式对红外隐身涂层性能的影响，选择合适的涂覆方式；研究填料和粘合剂配比对红外隐身涂层性能的影响，确定合适的配比；研究涂层厚度、颗粒度等涂层影响因素对红外隐身涂层性能影响，确定制备红外隐身涂层的最佳工艺参数；制备出性能良好的红外隐身涂层。

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