葉圣天，劉朝輝，成聲月，班國東

(后勤工程學(xué)院化學(xué)與材料工程系，重慶401311)

1 引言

隨著紅外探測系統(tǒng)的快速發(fā)展和探測精度的提高，軍事裝備、設(shè)施的安全和生存受到了嚴(yán)重威脅，尤其是戰(zhàn)斗機(jī)、坦克和艦船等具有大功率發(fā)動機(jī)的移動目標(biāo)，運(yùn)動時會產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致軍事目標(biāo)的紅外輻射量大幅度增加，與背景形成強(qiáng)烈的輻射反差，增加了被發(fā)現(xiàn)的概率。

紅外隱身材料，能夠通過涂覆在目標(biāo)表面等方式弱化目標(biāo)的紅外輻射特征信號，有效降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)和識別的概率，提高目標(biāo)的戰(zhàn)場生存能力。因此，紅外隱身材料受到世界各軍事強(qiáng)國的關(guān)注，并投入大量的人力、物力、財力進(jìn)行研究。

2 紅外隱身材料隱身原理

2.1 紅外探測系統(tǒng)探測方法

一切高于絕對零度的物體都能發(fā)出紅外輻射，紅外輻射的光子能量能夠使一些活潑金屬產(chǎn)生紅外光電效應(yīng)。紅外探測系統(tǒng)的原理就是通過上述紅外光電效應(yīng)把紅外輻射特征信號轉(zhuǎn)化為電信號。紅外探測的方法有兩種:

一是點(diǎn)源探測，與紅外探測系統(tǒng)能探測目標(biāo)的最大距離有關(guān)［1］:

式中，J為目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度;τa為大氣透過率;D0為紅外探測系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)的接收孔徑;NA為光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑;τ0為光學(xué)系統(tǒng)的紅外透過率;D*為紅外探測系統(tǒng)的探測率;ω為瞬時視場;Δf為系統(tǒng)帶寬;Vs為信號電平;Vn為噪聲電平。其中，J、τa兩項(xiàng)參數(shù)反映了目標(biāo)的紅外輻射特性和輻射的大氣傳輸特性，其余八項(xiàng)參數(shù)反映了紅外探測系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)的特性以及信號處理特性。

二是成像探測，利用目標(biāo)與背景的紅外輻射對比度識別發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，輻射對比度公式［2］:

式中，C為輻射對比度;ET為目標(biāo)的紅外輻射量;EB為背景的紅外輻射量。

對于上述兩種探測方法，目標(biāo)要達(dá)到紅外隱身的目的，就要增大紅外探測系統(tǒng)的探測距離和目標(biāo)與背景的輻射對比度。從式(1)、(2)可知，J、ET反應(yīng)了目標(biāo)的紅外輻射量，是可以通過紅外隱身材料等手段改變的物理量，因此，目標(biāo)通過改變紅外輻射量可以提高隱身效率。

2.2 Stefan－Boltzmann定律

目標(biāo)的紅外輻射量是由Stefan－Boltzmann定律決定的:

式中，W為紅外輻射量;σ為玻爾茲曼常數(shù);ε為目標(biāo)表面的發(fā)射率;T為目標(biāo)表面的熱力學(xué)溫度。

從式(3)可知，目標(biāo)的紅外輻射量與目標(biāo)表面的發(fā)射率成正相關(guān)的關(guān)系，與目標(biāo)表面絕對溫度的四次方成正比。因此，降低目標(biāo)的紅外輻射量的措施主要有兩個:一是降低目標(biāo)表面的發(fā)射率;二是控制目標(biāo)表面的溫度。

3 紅外隱身材料

紅外隱身材料的應(yīng)用能夠有效降低目標(biāo)的紅外輻射量，目前研究和應(yīng)用較為廣泛的紅外隱身材料有低發(fā)射率涂層材料、控溫涂層材料、智能隱身材料和生物仿生隱身材料四種。

3.1 低發(fā)射率涂層材料

低發(fā)射率涂層主要由粘合劑和填料組成。根據(jù)選用的材料不同，粘合劑分為有機(jī)粘合劑和無機(jī)粘合劑兩種;填料主要分為金屬填料、半導(dǎo)體填料和顏料。

3.1.1 粘合劑

粘合劑是低發(fā)射率涂層的主要成膜物質(zhì)，是涂層的重要組成部分。涂層在紅外波段的吸收主要是由粘合劑引起的。低發(fā)射率涂層的粘合劑要求具有較高的紅外透過性，并且，還應(yīng)具有較好的力學(xué)性能、耐腐蝕性能以及耐老化性能等。

無機(jī)粘合劑雖然具有較高的紅外透過率，但其物理機(jī)械性能和成膜性較差，所以無機(jī)粘合劑的研究和應(yīng)用較少。Kalvert比較有機(jī)樹脂、無機(jī)硅酸鹽和無機(jī)磷酸鹽等多種粘合劑后，認(rèn)為紅外透過率最高的是無機(jī)磷酸鹽粘合劑。

有機(jī)粘合劑較無機(jī)粘合劑有更好的力學(xué)性能和粘結(jié)力，所以被廣泛應(yīng)用于紅外隱身涂層中，表1列舉了幾種常用的有機(jī)粘合劑的8～14 μm紅外透過率，可以看出，三元乙丙橡膠具有最高的紅外透過率(0.95)，但在實(shí)際應(yīng)用中，三元乙丙橡膠與填料的相容性較差，限制了涂層的發(fā)射率，而環(huán)氧樹脂等力學(xué)性能和粘結(jié)力優(yōu)良的樹脂紅外透過性又較差。因此，通過粘合劑改性的方法，降低粘合劑的紅外發(fā)射率或者增強(qiáng)其物理機(jī)械性能和耐久性，能夠改善有機(jī)粘合劑在紅外隱身涂層中的應(yīng)用。

表1 幾種有機(jī)粘合劑的紅外透過率(8 ～ 14 μm)［3～5］Tab.1 Transmittances of several kinds of binders(8 ～14 μm)

有機(jī)粘合劑的改性是通過改變粘合劑的某些基團(tuán)或分子鏈，對粘合劑本體進(jìn)行改善，克服其性能缺陷，常用的改性方法有單體共聚改性和接枝改性。邢宏龍團(tuán)隊(duì)［6－7］通過乳液聚合法，利用異戊二烯和丙烯腈為主要共聚單體，制得了聚異戊二烯/丙烯腈粘合劑，在涂覆成膜后紅外透過率達(dá)到96%(8～14 μm波段范圍內(nèi))，紅外發(fā)射率為0.8 ～0.9。Shao C M［8］通過改性三元乙丙橡膠(EPDM)制備了三元乙丙橡膠接枝馬來酸酐(EPDM－g－MAH)，改善了EPDM同填料的相容性，并以銅粉為填料制備紅外隱身涂層，涂層的紅外發(fā)射率可降至0.15。

3.1.2 填 料

填料是影響低發(fā)射率涂層性能的重要因素，對涂層的紅外隱身性能起調(diào)節(jié)作用。填料的選擇要求在紅外波段吸收率低，反射率大，發(fā)射率低。

(1)金屬填料

根據(jù)Kirchhoff定律，對于不透明的物體，反射率越高，發(fā)射率就越低。金屬填料［9］有:

式中，R為反射率;ω為電磁輻射的圓頻率;ε0為真空中介電常數(shù);σ為電導(dǎo)率。從式(4)可知，對于金屬良導(dǎo)體，如 Al、Cu、Ag等，電導(dǎo)率較高，具有較高的反射率和低的發(fā)射率，適合作為紅外隱身涂層的填料，實(shí)際應(yīng)用中多以性能優(yōu)良、廉價易得的Al粉和Cu粉為主。另外，金屬填料的粒徑、形貌、形態(tài)等因素對降低紅外隱身涂層紅外發(fā)射率起重要的作用。Yu H J［10］系統(tǒng)研究了金屬填料粒徑、形貌和形態(tài)對涂層紅外發(fā)射率的影響，當(dāng)銅粉粒徑為4 μm、形貌為片狀、形態(tài)為漂浮型時，銅粉具有最低的發(fā)射率，制備的涂層紅外發(fā)射率最低可達(dá)0.10。

金屬填料的高光澤度和易氧化的性質(zhì)，不利于涂層的耐久性和兼容可見光隱身。目前金屬填料的研究主要集中在填料的包覆改性，常用于填料包覆改性的材料有金屬、金屬氧化物和有機(jī)物等。Yan X X［11］通過球磨法利用Ag對Cu粉進(jìn)行表面改性，得出Ag、Cu的最佳摩爾比為2∶3，利用改性過的銅粉制備的低發(fā)射率涂層，具有優(yōu)良的耐腐蝕性。Yuan L［12－13］通過液相沉淀法在鋁粉表面分別包覆一層氧化鉻和四氧化三鐵制得綠色和黑色粉體，粉體具有低光澤度(明度降低12～15)和低紅外發(fā)射率(0.5～0.7)，能夠兼容可見光隱身和紅外隱身。Wu G W［14］在鋁粉表面包覆一層聚乙烯蠟制得填料，將其加入到聚氨酯粘合劑制備了低發(fā)射率涂層，當(dāng)鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，改性鋁粉同時降低了紅外發(fā)射率和光澤度，涂層紅外發(fā)射率為0.52。

(2)半導(dǎo)體填料

半導(dǎo)體填料可以通過摻雜其他元素控制其紅外發(fā)射率，摻雜改性的半導(dǎo)體由于其在微波波段具有高吸收率，可以用于制備多波段兼容隱身材料。理論上，通過摻雜改性適當(dāng)調(diào)整載流子的密度N、載流子遷移率μ和載流子碰撞頻率ωt就可以使摻雜半導(dǎo)體具有較低的紅外發(fā)射率。常見的幾種摻雜半導(dǎo)體及其性能如表2所示。

表2 幾種摻雜半導(dǎo)體及其性能［15－19］Tab.2 Several kinds of doped semiconductorsand their properties

(3)顏料

選擇合適的顏料，能夠滿足紅外隱身涂層兼容可見光隱身的要求。所選取的顏料一般不對涂層的紅外隱身效果有明顯的影響，因此要求顏料在紅外波段發(fā)射率低、反射率高或者具有高紅外透明性。顏料分為無機(jī)顏料和有機(jī)顏料。無機(jī)顏料中金屬氧化物、金屬氫氧化物、硫化物和硒化物具有較好的紅外透明性，有機(jī)顏料主要有4－氯－2苯基重氮酸等。王自榮［20］比較了 Bi2O3、Fe(OH)3、CdS 等幾種無機(jī)顏料的粉末發(fā)射率，結(jié)果表明，Bi2O3、Sb2O3、NiO三種顏料的紅外發(fā)射率相對較低(0.8以下)，適合做紅外隱身涂層的顏料。

在不改變顏料紅外發(fā)射率的前提下，提高顏料在可見光和近紅外波段的反射率可以降低涂層表面的溫度。王光應(yīng)［21］通過高溫焙燒法制備了鈦鉻黃、鉻綠、鈷藍(lán)和鐵黑四種無機(jī)反射隔熱顏料，結(jié)果表明，自制的四種顏料的反射率較購買的顏料提高10% ～25%，涂層表面溫度可降低6～30℃。

3.2 控溫涂層材料

根據(jù)Stefan－Boltzmann定律，目標(biāo)的紅外輻射量同溫度的四次方成正比，控制溫度能有效降低目標(biāo)紅外輻射量?？販赝繉诱澈蟿┑倪x擇同低發(fā)射率涂層一樣，都要求粘合劑既有良好的紅外透過性、與填料的相容性，又具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能和成膜性。目前，控溫涂層的研究主要集中在填料方面，為了降低目標(biāo)的表面溫度，填料一般采用熱慣量大、熱導(dǎo)率低的材料，主要有隔熱材料和相變材料。

中空微珠作為隔熱材料，由于其密度小、抗壓能力強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于隔熱涂層。通過在紅外隱身涂層中添加中空微珠，涂層表面的溫度有一定程度的降低。研究發(fā)現(xiàn)［22］，對比硼硅酸鹽空心玻璃微珠、陶瓷微珠和粉煤灰漂珠等填料的太陽光反射率和隔熱性能，空心玻璃微珠具有較高的太陽熱反射率，其值為 0.88。Dombrovsky L A［23］系統(tǒng)研究了中空玻璃微珠的紅外反射性能，以中空玻璃微珠為填料制備的涂層在4.5 μm有強(qiáng)烈的反射峰，并得出在8.5～13.5 μm 的反射是由微珠表面粗糙度引起的結(jié)論。為了進(jìn)一步增大空心玻璃微珠對太陽熱的反射率，通常在微珠表面鍍一層金屬膜。吳進(jìn)喜［24］利用化學(xué)鍍的方法制得金屬鍍膜空心玻璃微珠，和顏料、粘合劑混合制得具有紅外隱身能力的篷布，在1.88 kW/m2長時間照射下，溫度升高為7℃，能達(dá)到一定的隱身效果。

相變材料在紅外隱身涂層中應(yīng)用的主要形式是將相變材料微膠囊化，通過相變材料的狀態(tài)變化，使其吸熱或者放熱，將目標(biāo)表面溫度穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)。根據(jù)囊芯材料相變溫度的不同，相變微膠囊可分為低溫(15℃以下)、中低溫(15～40℃)和中溫(40～75℃)相變微膠囊。表3列舉了幾種典型的相變微膠囊，從表中可以看出，目前相變微膠囊的控溫梯度能夠基本滿足紅外隱身要求，但是，可調(diào)溫度的范圍較小，制約了相變微膠囊在紅外隱身材料中的應(yīng)用。

表3 典型的相變微膠囊及其性能［25－28］Tab.3 Typical PCMs and their properties

3.3 智能隱身材料

智能隱身材料是一種新型隱身材料，是智能材料和隱身材料的有機(jī)結(jié)合，它可以感知目標(biāo)和背景環(huán)境的差別，通過對感知信號的處理，材料可以對自身的發(fā)射率做出相應(yīng)調(diào)整，減小目標(biāo)與環(huán)境的輻射對比度，增強(qiáng)目標(biāo)的自適應(yīng)能力。根據(jù)誘導(dǎo)因素的不同，智能隱身材料可分為電致變智能隱身材料和熱致變智能隱身材料。

電致變智能隱身材料是在電場或電流的作用下，材料組分發(fā)生化學(xué)變化，進(jìn)而影響材料的紅外發(fā)射率。電致變智能隱身材料中研究和應(yīng)用較為廣泛的是導(dǎo)電高分子和三氧化鎢。Chandrasekhar P［29］研究了導(dǎo)電高分子材料的紅外發(fā)射性能，發(fā)現(xiàn)其在0.4 ～45 μm 波段范圍內(nèi)的紅外反射率在 0.3 ～0.7可調(diào)。Sauvet K［30］研究了三氧化鎢(WO3)在3～5 μm和8～12 μm波段紅外發(fā)射率的變化情況，通過對導(dǎo)電因素的控制，WO3薄膜的紅外發(fā)射率變化幅度可達(dá) 0.4。

熱致變材料通過感應(yīng)目標(biāo)的表面溫度發(fā)生變化，改變材料的紅外發(fā)射率。Bergeron B V［31］將銅沉積在聚酯薄膜和銫化鋅上制備了一種膜材料，薄膜在0.3～2.4 μm波段紅外吸收率的調(diào)節(jié)范圍為0.51 ～0.83，在 8 ～12 μm 波段紅外發(fā)射率的變化范圍為0.20～0.73。二氧化釩(VO2)被認(rèn)為是一種很有應(yīng)用前景的熱致變智能隱身材料，VO2共有R、M、B、A、C、D 六種相，溫度的變化會導(dǎo)致 VO2相之間的相互轉(zhuǎn)變，伴隨其紅外透過性和紅外發(fā)射率也會有一定的變化。劉影［32］以水合硫酸氧釩為釩源，經(jīng)二次煅燒制備了與R相具有循環(huán)可逆的M相VO2，晶相變化溫度為62 ～67.9 ℃，8 ～14 μm 波段紅外發(fā)射率可調(diào)幅度為 0.12。M Z［33］利用二次煅燒法通過摻雜改性制備得到W－VO2，W－VO2在48.2℃達(dá)到相變溫度，涂層的紅外發(fā)射率變化范圍為0.752 ～0.95。

智能隱身材料的出現(xiàn)推動了紅外隱身材料的發(fā)展，目標(biāo)通過材料的智能調(diào)節(jié)更能適應(yīng)背景環(huán)境，同背景能夠達(dá)到更好的融合效果。但是，目前智能隱身材料還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，未能廣泛實(shí)際應(yīng)用。

3.4 生物仿生隱身材料

生物仿生材料是通過研究生物所具有的功能及其作用機(jī)理，并以此為模型利用一定技術(shù)手段合成的能夠模仿生物特點(diǎn)和特性的新型材料。生物仿生紅外隱身材料是基于生物的微觀結(jié)構(gòu)特性、變色原理或者電磁波反射特點(diǎn)而進(jìn)行合成、制備的新型紅外隱身材料。

Zhang W［34］利用聚氨酯和片狀銅粉仿生珍珠層結(jié)構(gòu)，制備的仿生結(jié)構(gòu)涂層紅外發(fā)射率低于一般的銅粉/聚氨酯涂層，通過建立了紅外發(fā)射率計算模型仿真計算涂層發(fā)射率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)銅粉含量為60%，涂層的紅外發(fā)射率可降至0.206。Phan L［35］通過研究頭足類動物的動態(tài)隱身機(jī)制，探索并研制了一種基于石墨烯的可調(diào)仿生偽裝涂層。在化學(xué)藥劑的刺激下涂層能夠在可見光和紅外電磁波譜區(qū)域之間動態(tài)調(diào)節(jié)電磁波的反射，為可重構(gòu)和可調(diào)節(jié)紅外隱身涂層的研究做出了探索。Y C［36］基于頭足類動物的皮膚研究了一種能夠靈活感覺和適應(yīng)周圍環(huán)境顏色的柔性材料，能夠兼容可見光、紅外隱身。

4 結(jié)語

隨著紅外反隱身技術(shù)的發(fā)展，紅外隱身技術(shù)對紅外隱身材料提出了更高的要求，結(jié)合紅外隱身材料的研究進(jìn)展，紅外隱身材料的研究仍然存在一些不足，紅外隱身材料的發(fā)展趨勢將表現(xiàn)為以下四個方面:

(1)控溫與低發(fā)射率材料相結(jié)合

由Stefan－Boltzmann定律可知，影響目標(biāo)紅外輻射量的是目標(biāo)的表面溫度和紅外發(fā)射率，目前研究的紅外隱身材料大部分集中在降低目標(biāo)的紅外發(fā)射率，控制目標(biāo)溫度和降低發(fā)射率相結(jié)合的材料研究較少。就目前的研究來看，僅通過降低目標(biāo)的紅外發(fā)射率的手段往往不能達(dá)到理想的紅外隱身效果，因此，復(fù)合涂層的研究可以從控制溫度和降低紅外發(fā)射率兩方面入手，為實(shí)現(xiàn)紅外隱身提供了研究方向。

(2)紅外隱身材料的耐環(huán)境性能研究

紅外隱身材料表面污染以及老化會影響紅外發(fā)射率，研究具有自清潔及耐老化性能的材料是延長材料使用壽命的手段。

(3)實(shí)現(xiàn)材料多頻段兼容隱身

探測手段的多樣化使得單一頻段的隱身材料無法滿足實(shí)際需求和應(yīng)用，因此，開發(fā)多頻段兼容隱身材料成為必要。實(shí)現(xiàn)多頻段兼容隱身，途徑有兩個:一是采用單頻段隱身材料進(jìn)行復(fù)合形成多層的隱身涂層結(jié)構(gòu);二是針對目前的新型材料還處在探索研究階段的現(xiàn)狀，開發(fā)和研究新型材料，加速新型材料的應(yīng)用進(jìn)程，滿足兼容隱身的要求。

(4)多種材料的綜合運(yùn)用研究

目前的研究都集中于一種紅外隱身材料的應(yīng)用，如低發(fā)射率材料或者控溫材料，對于多種材料的綜合應(yīng)用尤其是結(jié)合目標(biāo)本身結(jié)構(gòu)多種材料的應(yīng)用研究較少。多種具有隱身效果的材料通過復(fù)合等方式，綜合各種材料的優(yōu)勢，可以提高目標(biāo)的紅外隱身效率。

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