劉 鵬,殷舉航,羅雄光,譚 僖,姜林文,張小鋒

（1.寧波大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，浙江寧波 315211；2.廣東省科學(xué)院新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510650；3.電子科技大學(xué)國(guó)家電磁輻射控制材料工程技術(shù)研究中心，四川成都 610054；4.華鑫激光科技有限公司,廣東東莞 523718）

1 背 景

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，我國(guó)在航空航天領(lǐng)域的關(guān)注與投入也逐漸增加，持續(xù)在航空航天領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展及成就，是搶占未來(lái)科技發(fā)展的制高點(diǎn)的重要戰(zhàn)略手段．隨著軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，飛行器在戰(zhàn)場(chǎng)中的作用和地位不斷提高，而與此同時(shí)現(xiàn)代化的偵察、瞄準(zhǔn)技術(shù)也達(dá)到了相當(dāng)高的水平，使得飛行器的生存能力受到嚴(yán)峻考驗(yàn)．為了提高飛行器的生存能力，于是應(yīng)運(yùn)而生了隱身技術(shù)［1-3］．所謂隱身技術(shù)是指通過(guò)改變目標(biāo)發(fā)出的可探測(cè)性的特征信息，抑制其發(fā)出的信號(hào)，從而降低其被探測(cè)發(fā)現(xiàn)、跟蹤和打擊的風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到提高軍事目標(biāo)生存能力的一門綜合技術(shù)．隱身技術(shù)主要包括紅外隱身、雷達(dá)隱身、可見(jiàn)光隱身和磁隱身等［4］．隱身技術(shù)的使用可有效降低戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)距離，而飛機(jī)紅外隱身探測(cè)圖如圖1所示．在上述的諸多隱身技術(shù)中，紅外隱身技術(shù)是通過(guò)更改結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)或利用紅外物理原理來(lái)減少目標(biāo)紅外輻射的能量［5］，從而達(dá)到降低目標(biāo)的可探測(cè)性的目的，其技術(shù)手段主要包括改變目標(biāo)的紅外輻射特性、降低目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度、調(diào)節(jié)紅外輻射的傳播途徑等．紅外隱身技術(shù)是一門新興的技術(shù)，是現(xiàn)代軍事科學(xué)領(lǐng)域研究的重要課題項(xiàng)目之一［6］．

圖1 飛機(jī)紅外隱身探測(cè)圖Fig.1 Infrared stealth detection map of aircraft

通常飛行器的紅外輻射源，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)的熱輻射、尾噴管噴出的高溫氣流、飛行器蒙皮的紅外輻射及環(huán)境的反射等［7］．以航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，它是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，作為飛機(jī)的心臟，不僅是飛機(jī)飛行的動(dòng)力，也是促進(jìn)航空事業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力［8］．然而航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，一般處于高壓、高轉(zhuǎn)速、高溫的狀態(tài)，因而成為了飛機(jī)主要的紅外輻射源之一．實(shí)現(xiàn)紅外隱身的技術(shù)途徑通常包括冷卻、遮擋或涂覆紅外低發(fā)射率涂層等，其中涂覆紅外低發(fā)射率涂層是提高其紅外隱身性能的一種簡(jiǎn)單、便捷、有效的技術(shù)途徑［9］．

主要從高溫紅外隱身涂層材料設(shè)計(jì)原則入手，著重介紹高溫紅外隱身涂層材料及涂層制備工藝相關(guān)進(jìn)展，并展望了紅外隱身涂層材料未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)．

2 高溫紅外隱身涂層材料設(shè)計(jì)原則

紅外線是頻率介于微波與可見(jiàn)光之間的電磁波，其波長(zhǎng)介于760 nm到1 mm之間，圖2為電磁波譜圖．由紅外物理學(xué)可知，在絕對(duì)零度（-273.15℃）以上的物體都不可避免地向外界輻射紅外能量，物體的紅外輻射能符合Stefan-Boltzmann定律［10］，即W=σET4.其中W是物體的總輻射能，σ是玻爾茲曼常數(shù)為5.67032×10-8W·m-2·k-4，E是物體紅外發(fā)射率，T是物體絕對(duì)溫度．而物體表面的紅外發(fā)射率又符合Hagen-Rubens定律［10］，即其中ε0是物體的介電常數(shù)，ω是電磁波的角頻率，ρ為物體的電阻率．

圖2 電磁波譜圖Fig.2 Electromagnetic spectrum

物體輻射能力的大小由發(fā)射率和溫度決定，所以降低物體表面發(fā)射率和控制物體表面溫度是實(shí)現(xiàn)紅外隱身的基本途徑［11］．但是為了保證飛行器具有足夠的動(dòng)力和推重比，降低表面溫度這一方式可行性不高．因此，通常利用表面工程技術(shù)，在目標(biāo)表面涂覆一層耐高溫及紅外低發(fā)射率的涂層，來(lái)降低目標(biāo)表面發(fā)射率而實(shí)現(xiàn)紅外隱身．材料的電阻率越小，其導(dǎo)電性越好，紅外發(fā)射率就越低［12-13］．

3 紅外隱身涂層材料研究進(jìn)展

目前，在中高溫環(huán)境下具有應(yīng)用潛力的紅外低發(fā)射率材料可分為金屬類涂層材料和無(wú)機(jī)低發(fā)射率涂層材料［14］．

3.1 金屬類涂層材料

金屬材料作為傳統(tǒng)的一類材料，因其使用方便、價(jià)格相對(duì)低廉、具有良好的導(dǎo)電性、較低的紅外發(fā)射率等優(yōu)勢(shì)，是最早被使用的一類低紅外發(fā)射率表面材料，制備工藝也較為成熟．根據(jù)原理的不同，金屬類涂層又可以分為金屬微粉涂層和金屬薄膜．

3.1.1 金屬微粉涂層

金屬微粉涂層就是將具有低發(fā)射率的金屬微粉通過(guò)某種手段將其均勻分散到連續(xù)的樹(shù)脂或無(wú)機(jī)粘結(jié)相中，便形成了金屬微粉涂層，常用的粉末主要有金、銀、鐵、鋁、鉑等．在各類文獻(xiàn)［15-16］的報(bào)道中，金屬微粉涂層的紅外發(fā)射率主要受到粉末的種類、粉末的分散情況、顆粒形貌、尺寸、含量及粘結(jié)相等影響．李葉等人［17］以EPDM為黏合劑、二甲苯為溶劑，并以Al粉為填料，用簡(jiǎn)單方便的噴涂法制得了發(fā)射率僅為0.4的低發(fā)射率涂層，但其使用溫度只能在200℃左右，而高于此溫度時(shí)EPDM黏合劑開(kāi)始降解，涂層的力學(xué)性能降低，甚至出現(xiàn)龜裂、脫落等現(xiàn)象．南京航空航天大學(xué)丁儒雅等人［18］以環(huán)氧改性的有機(jī)硅為基料，通過(guò)填充鋁粉的方式，成功制備了新型的低紅外發(fā)射率涂層，紅外發(fā)射率可以降低到0.2以下，使用溫度在650℃以下能保持穩(wěn)定，但是當(dāng)溫度達(dá)到700℃時(shí)發(fā)射率增大到0.9．

3.1.2 金屬薄膜

除了使用金屬粉末作為填充材料以外，還可以通過(guò)一些特定的工藝直接將金屬沉積在金屬基底上形成一層致密的金屬薄膜．目前，常用的金屬主要有Au，Pd，Pt和Rh等，它們?cè)诓煌瑴囟认碌募t外發(fā)射 率 列 于 表1［14，19］．西 北 工 業(yè) 大 學(xué) 的 黃 智 斌 等人［20-22］以Ni作為高溫基底合金，通過(guò)磁控濺射在其表面沉積Pt膜，并在600℃條件下退火處理150 h后，其紅外發(fā)射率（3～14μm波段）僅為0.1．Sivasankar等人［23］采用直流磁控濺射在玻璃基底上制備Ag薄膜，驗(yàn)證了基底粗糙度對(duì)涂層發(fā)射率的影響，發(fā)射率僅為0.22．

表1 常用金屬在不同溫度下的紅外發(fā)射率Table 1 Infrared emissivity of common metals at different temperatures

盡管金屬類涂層材料具有導(dǎo)電性好、紅外發(fā)射率低等優(yōu)勢(shì)，但金屬材料耐熱性普遍較差，工作溫度一般只能在600～800℃范圍內(nèi)，不適合在更高溫的環(huán)境下服役，或者說(shuō)只能在高溫環(huán)境中短期使用［24］．

3.2 無(wú)機(jī)低發(fā)射率涂層材料

涂層在高溫下長(zhǎng)時(shí)使用會(huì)面臨高溫氧化、熱腐蝕和粒子沖刷等惡劣工況，因此，為滿足高溫環(huán)境的需要，設(shè)計(jì)高溫部件的涂層材料時(shí)要綜合考慮各方面因素的影響，以防止涂層脫落．無(wú)機(jī)低發(fā)射率涂層一般使用耐高溫低熱導(dǎo)的陶瓷材料作為面層［25］，以涂層或薄膜的方式復(fù)合于高溫部件表面，達(dá)到降低目標(biāo)表面紅外發(fā)射率的效果．這一類材料往往具有更高的耐熱性，在高溫下可以長(zhǎng)時(shí)間使用，尤其在3～5μm波段范圍內(nèi)具有較低的紅外發(fā)射率，且紅外發(fā)射率隨溫度變化較小，還能實(shí)現(xiàn)多種隱身功能的兼容［26］．因此，無(wú)機(jī)低發(fā)射率涂層材料是目前報(bào)道較多、效果更為顯著的一類材料，在紅外隱身材料領(lǐng)域占主導(dǎo)地位．

3.2.1 無(wú)機(jī)非氧化物類材料

ZrB2具有熔點(diǎn)高（3245℃）、硬度高（23 GPa）及優(yōu)異的電導(dǎo)率（1.0×107S/m）等特點(diǎn)，是一種非常具有前途的高溫紅外隱身陶瓷材料．Zhang等人［27］成功制備出ZrB2低發(fā)射率薄膜，并可以在高溫下長(zhǎng)時(shí)間使用．他們采用磁控濺射的方法在硅基底上沉積ZrB2薄膜，并在退火后，對(duì)薄膜的形貌、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、電阻率和紅外發(fā)射率進(jìn)行了詳細(xì)的研究（圖3）．結(jié)果表明，在1000℃下退火處理10 h后，薄膜仍然具有較高的結(jié)晶質(zhì)量，且變得更加致密化［27］，電阻率最小可以達(dá)到9×10-7Ω·m．此外，在兩個(gè)波段內(nèi)進(jìn)行了紅外發(fā)射率的測(cè)量，還發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度和退火時(shí)間的增加，薄膜發(fā)射率明顯下降．經(jīng)過(guò)1000℃退火處理后，在3～5μm波段和8～14μm波段的紅外發(fā)射率分別為0.05和0.01．結(jié)果表明，ZrB2薄膜在高溫下具有良好的低紅外發(fā)射性能，該材料在飛行器高溫部件的實(shí)際應(yīng)用中具有非常廣闊的前景．

圖3 ZrB 2薄膜橫截面形貌（a）沉積態(tài)；（b）1000℃退火，10h；（c）7000℃退火，10 hFig.3 The cross-section morphology of ZrB 2 films（a）as-deposited ZrB 2 film；（b）anneal at 1000℃for 10h；（c）anneal at 7000℃for 10h

3.2.2 無(wú)機(jī)氧化物類材料

無(wú)機(jī)氧化物類低發(fā)射率涂層材料有很多，包括ZrO2，CeO2，VO2，WO3，ZnO和SnO2等．針對(duì)在高溫下能作為低紅外發(fā)射率材料使用的ZrO2及CeO2等材料進(jìn)行詳細(xì)介紹．

3.2.2.1 氧化釔摻雜氧化鋯

ZrO2具有高熔點(diǎn)（2700℃）、低熱導(dǎo)率（2.17 W/（m·K），1237 K）及與金屬基體相近的熱膨脹系數(shù)（15.3×10-6K-1，1237 K）等特點(diǎn)，是目前研究最多的無(wú)機(jī)低發(fā)射率涂層材料．純ZrO2在其熔點(diǎn)以下會(huì)發(fā)生相變，并且研究發(fā)現(xiàn)［28］，在ZrO2中摻雜氧化釔可在較寬的溫度范圍內(nèi)讓ZrO2保持四方相，因此氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）應(yīng)用較為廣泛，是目前研究的熱點(diǎn)材料．而當(dāng)氧化釔摻雜量為8%時(shí)，材料的熱循環(huán)壽命更長(zhǎng)，對(duì)其綜合性能也有明顯的提升［29］，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示［30］．此外，材料的紅外發(fā)射率隨著材料電導(dǎo)率的提高而減小，而YSZ材料具有半導(dǎo)體材料特性，隨著溫度的升高其電導(dǎo)率會(huì)急劇增大，因此YSZ材料可以在高溫下保持較低的紅外發(fā)射率．加上其本身又為氧化物陶瓷材料，在高溫環(huán)境下仍然保持優(yōu)良的抗氧化性能，還具有出色的雷達(dá)波兼容性，可實(shí)現(xiàn)多頻譜兼容隱身［31-32］．所以，YSZ材料在高溫紅外隱身領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用潛力．

圖4 YSZ形成結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram formed by YSZ

Leire Del Campo等人［33］運(yùn)用理論模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了YSZ材料孔隙率對(duì)紅外輻射性能的影響．通過(guò)函數(shù)關(guān)系模擬建立了陶瓷涂層的輻射特性（發(fā)射率、反射率和透射率）的庫(kù)，并采用兩套孔隙率不同的樣品比較它們的紅外輻射性能．結(jié)果表明，孔隙的大?。{米級(jí)）和半透明光譜范圍內(nèi)干涉振蕩的存在證明了有效介質(zhì)近似的使用．B.J.Zhang等人［34］從微觀的角度探究微觀結(jié)構(gòu)對(duì)YSZ熱障涂層輻射性能的影響發(fā)現(xiàn)，微觀結(jié)構(gòu)的形狀對(duì)TBCs的光譜輻射性能影響不大，而微觀結(jié)構(gòu)的取向?qū)彷椛涞南庀禂?shù)有重要影響，輻射性能取決于涂層中缺陷的排列，涂層中較小的缺陷會(huì)導(dǎo)致較大的輻射消光，涂層孔隙率越大，輻射的消光效果越明顯．南京航空航天大學(xué)的王篤功等人［29］采用檸檬酸絡(luò)合法制備了8YSZ粉體，主要研究了3～5μm波段的紅外發(fā)射率．結(jié)果表明，所得粉體材料在600℃下發(fā)射率為0.323，經(jīng)1400℃處理2 h后，600℃下發(fā)射率降低至0.288．另外，還分別考察了單項(xiàng)摻雜氧化鋁、氧化鋅和氧化鉬后的粉末紅外發(fā)射率情況，發(fā)現(xiàn)摻雜氧化鉬的（MoO3）0.05（8YSZ）0.95粉體紅外發(fā)射率僅為0.249，效果最好，是一種非常有應(yīng)用前景的耐高溫低發(fā)射率材料．張雄等人［35］以鎳基合金（GH 3128）作為金屬基底，采用大氣等離子噴涂技術(shù)依次制備了金屬粘結(jié)層與8YSZ陶瓷層，這是一種由金屬粘結(jié)層、熱障陶瓷層和高溫導(dǎo)體層所組成的高溫低發(fā)射率涂層，集熱障和紅外隱身功能一體化，可在900～1100℃范圍內(nèi)穩(wěn)定使用，涂層發(fā)射率保持在0.2～0.35之間．

YSZ涂層具有較低的紅外發(fā)射率，但主要是在3～5μm波段的紅外發(fā)射率較低，而在8～14μm波段的紅外發(fā)射率較高［36］．只能在單一波段實(shí)現(xiàn)低紅外發(fā)射率成為制約YSZ涂層在紅外隱身領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵．

3.2.2.2 其它摻雜氧化鋯

對(duì)YSZ進(jìn)行摻雜可以降低其紅外發(fā)射率．因此，在8～14μm波段也可以考慮用其它物質(zhì)對(duì)ZrO2進(jìn)行摻雜改性，改變其晶格振動(dòng)類型，降低8～14μm波段的紅外發(fā)射率［37］．Mao等人［38］研究了ZrO2優(yōu)異的耐熱性，認(rèn)為ZrO2在高溫甚至2200℃的環(huán)境中具有潛在的應(yīng)用前景，并通過(guò)靜電紡織技術(shù)在ZrO2納米陶瓷纖維膜中分別摻雜含有Na，Mg和Al等微量摻雜劑，制備了一系列的ZrMxOy（M=Na，Mg，Al）納米纖維膜．其中Al摻雜的ZrO2（ZAO）效果良好，在3～5μm及8～14μm波段范圍內(nèi)的紅外輻射率分別為0.589和0.703，其有望成為飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等對(duì)抗戰(zhàn)略領(lǐng)域紅外隱身材料的候選材料．Xu等人［39］通過(guò)熱壓技術(shù)，結(jié)合碳納米管材料摻雜ZAO制備出了新穎的“三明治”結(jié)構(gòu)紅外涂層，如圖5所示［24］．

圖5 ZAO“三明治”結(jié)構(gòu)示意圖（a）及熱紅外性能示意圖（b）Fig.5 ZAO"Sandwich"structure diagram（a）and thermal infrared performance diagram（b）

3.2.2.3 其他無(wú)機(jī)氧化物

CeO2在紅外隱身涂層領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用．Wang等人［40］通過(guò)球磨和硬脂酸改性成功制備出片狀、高懸浮率的CeO2粉體，同時(shí)系統(tǒng)地研究了球磨時(shí)間和表面活性劑硬脂酸含量對(duì)CeO2粉體形貌、浮速、紅外發(fā)射率及CeO2/環(huán)氧硅樹(shù)脂涂層的影響．結(jié)果表明，涂層在8～14μm波段的發(fā)射率最低可達(dá)0.831．Zhao等人［41］制備了Y3+，Ca2+共摻雜CeO2粉體，其在高溫下具有較低的發(fā)射率，其中Ce0.8Y0.15Ca0.05O2－δ表現(xiàn)出最高的電導(dǎo)率，且紅外發(fā)射率僅為0.241．電子科技大學(xué)的呂厚霖［42］探索了二元系的ZrB2-CeO2復(fù)合材料的固態(tài)燒結(jié)過(guò)程，并對(duì)其一系列的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的表征后發(fā)現(xiàn)：材料表面除有ZrB2和CeO2相以外，還存在ZrO2和ZrnCe1－nO2相；與純CeO2和ZrB2相比，在3～5μm和8～14μm波段內(nèi)，ZrB2-CeO2化合物的紅外發(fā)射率低于0.2，且CeO2含量對(duì)紅外發(fā)射率的影響是不同的．該研究對(duì)實(shí)現(xiàn)化合物在較寬波段內(nèi)的低紅外發(fā)射率有一定幫助．

ABO3型鈣鈦礦氧化物是一類具有特殊立方結(jié)構(gòu)的晶體，當(dāng)A和B位離子發(fā)生取代時(shí)，就可以改變其紅外性能．Chen等人［43-44］以Sm0.5Sr0.5CoO3為基體，再分別通過(guò)Ni與碳納米管進(jìn)行摻雜，使其在3～33 μm波段范圍內(nèi)的發(fā)射率低0.5，其亮點(diǎn)在于摻雜后能夠在2～18 GHz范圍內(nèi)具有明顯的電磁波吸收，實(shí)現(xiàn)了紅外隱身與雷達(dá)隱身的兼容．劉嘉瑋等人［45］采用檸檬酸法通過(guò)Ba2+摻雜制備了La1－xBaxMnO3（0≤x≤0.5），結(jié)果表明：當(dāng)Ba2+摻雜濃度提高時(shí)，樣品紅外發(fā)射率先降低后增加，當(dāng)x=0.3時(shí)，樣品在8～14μm和3～5μm波段發(fā)射率最低，分別為0.818和0.768．該材料除具備較低的紅外發(fā)射率，還同時(shí)兼具雷達(dá)吸波性能．

相比于金屬類涂層，無(wú)機(jī)涂層材料在耐高溫、抗氧化和腐蝕等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，還能實(shí)現(xiàn)多種隱身功能的兼容［46］，這些優(yōu)勢(shì)使得無(wú)機(jī)類涂層材料在高溫紅外隱身領(lǐng)域備受青睞，成為主流的選擇．但其不足之處在于紅外發(fā)射率相比于金屬涂層偏高，因此，在后續(xù)的工作中應(yīng)該深入研究其紅外輻射的調(diào)控機(jī)理［47］，進(jìn)一步降低發(fā)射率．

4 高溫紅外隱身涂層工藝制備研究進(jìn)展

紅外隱身涂層制備工藝需滿足工藝簡(jiǎn)單、不受工件形狀限制、不改變工件外形等，目前涂層常用制備方法主要有熱噴涂技術(shù)、磁控濺射和電子束－物理氣相沉積（EB-PVD）等．

4.1 熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)代表面工程技術(shù)之一［48］，在飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等高端裝備的科研和生產(chǎn)中有著舉足輕重的作用．熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，然后借助焰流及高速氣體將原料以一定的速度噴射到基體表面，沉積成具有某種功能的表面涂層的技術(shù)［49-50］，其原理如圖6所示［51］．根據(jù)原理和特點(diǎn)的不同，可將熱噴涂技術(shù)分為大氣等離子噴涂、超音速火焰噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂和超低壓等離子噴涂等［52］．其中，大氣等離子噴涂技術(shù)（APS）應(yīng)用最早且適用范圍極廣，具有自動(dòng)化程度高、涂層呈層狀結(jié)構(gòu)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)［53］，因此非常適合用于制備紅外隱身涂層．

圖6 熱噴涂原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of thermal spraying principle

電子科技大學(xué)的殷舉航［54］合理利用了APS技術(shù)的不同噴涂功率，研究了不同孔隙率的YSZ涂層，分析了噴涂功率對(duì)YSZ涂層微觀結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的影響，以及孔隙率對(duì)YSZ涂層紅外發(fā)射率的影響機(jī)理．結(jié)果表明：當(dāng)APS噴涂功率從95 k W降低到55 kW時(shí)，涂層的孔隙率由9%提高到19%；在3～5μm波段，YSZ涂層的紅外發(fā)射率由0.56下降到0.46．這表明APS是一種非常適合制備紅外隱身涂層的技術(shù)．國(guó)防科技大學(xué)張雄和黃文質(zhì)［14，35］利用等離子噴涂技術(shù)在高溫鎳基合金上成功涂覆了紅外低發(fā)射率涂層，該涂層具備紅外隱身和隔熱功能一體化，且長(zhǎng)時(shí)耐溫可達(dá)1000℃，在1200℃也能短時(shí)服役．湘潭大學(xué)的李志敏等人［55］利用APS技術(shù)制備了Al2O3/SiO2-YSZ涂層，并采用真實(shí)火山灰模擬了實(shí)際服役過(guò)程中的腐蝕環(huán)境研究涂層的保護(hù)能力．

4.2 磁控濺射

磁控濺射是物理氣相沉積的一種．一般的濺射法可被用于制備金屬、半導(dǎo)體、絕緣體等多材料，且具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于控制、鍍膜面積大和附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)．磁控濺射的工作原理就是在濺射法的基礎(chǔ)上外加磁場(chǎng)來(lái)束縛和延長(zhǎng)二次電子的運(yùn)動(dòng)路徑，提高了氬氣的電離率并能夠循環(huán)利用電子的能量［56］，其工作示意圖如圖7所示［57］．

圖7 磁控濺射工作原理圖Fig.7 Working principle diagram of magnetron sputtering

刁訓(xùn)剛等人［58］通過(guò)磁控濺射法，分別制備了氧化銦錫（ITO）薄膜、摻雜鋁的氧化鋅薄膜和TiO2/Ag/TiO2多層膜，實(shí)現(xiàn)了紅發(fā)射率的可調(diào)．其中氧化銦錫薄膜的紅外發(fā)射率可調(diào)范圍在0.1～0.9，摻雜鋁的氧化鋅薄膜可調(diào)范圍在0.25～0.9，TiO2/Ag/TiO2多層膜體系的紅外發(fā)射率最低可達(dá)0.05．Sun等人［59］通過(guò)磁控濺射在鎳基合金（K424）表面沉積了低發(fā)射率氧化銦錫（ITO）薄膜，薄膜發(fā)射率低于0.3（3～5μm波段），但該薄膜只能用于700℃．針對(duì)金屬薄膜不耐高溫的問(wèn)題，唐秀鳳與康文博等人［60-62］采用磁控濺射技術(shù)分別制備了致密的氧化鋁、氧化鋯等無(wú)機(jī)薄膜，希望作為高溫?cái)U(kuò)散層可以阻止金屬元素的擴(kuò)散，從而提高薄膜的耐熱性．還有Zhang等人［27］正是利用了磁控濺射沉積率高、易于操作的優(yōu)點(diǎn)，合理調(diào)整了參數(shù)，制備出性能良好、厚度僅為400 nm的細(xì)柱狀結(jié)構(gòu)ZrB2薄膜．電子科技大學(xué)的張敏［63］也利用磁控濺射技術(shù)，研究了具有雙層結(jié)構(gòu)Al2O3/ZrB2薄膜的紅外性能．在經(jīng)過(guò)不同溫度退火處理后，雙層結(jié)構(gòu)Al2O3/ZrB2薄膜的紅外發(fā)射率仍能保持較低，如750℃退火2 h后，在2～14μm波段的平均紅外發(fā)射率僅為0.16．這說(shuō)明該雙層結(jié)構(gòu)薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性，可在較高溫度下長(zhǎng)時(shí)間作為低紅外發(fā)射率層使用．

綜上所述，磁控濺射是一種方便、高效的沉積鍍膜技術(shù)，目前已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用．但是，該技術(shù)也存在不足，例如靶材利用率低、濺射等離子體不穩(wěn)定等問(wèn)題，限制了其在紅外隱身領(lǐng)域的應(yīng)用．因此，未來(lái)發(fā)展磁控濺射技術(shù)還有很多問(wèn)題亟待解決．

4.3 電子束-物理氣相沉積

電子束物理氣相沉積（EB-PVD）技術(shù)是在電子束與物理氣相沉積技術(shù)相互交融、相互促進(jìn)的影響下而誕生的一種現(xiàn)代表面涂層技術(shù)［64］．EB-PVD工作原理為利用高能電子束加熱陶瓷原料，使陶瓷原料以氣態(tài)原子的形式產(chǎn)生原子蒸氣，然后沉積到基底表面形成涂層［65］，且涂層與工件的結(jié)合力非常好，其設(shè)備構(gòu)造圖如圖8所示［66］．電子束物理氣相沉積具有以下特點(diǎn)［67］：由于其在高真空的腔體內(nèi)沉積，因此不會(huì)受到外界雜質(zhì)的影響，制備出來(lái)的涂層表面平整、耐腐蝕、耐磨；由于是原子層面沉積，制備涂層效率低，且需要在超高真空環(huán)境中制備，所以對(duì)工件尺寸和形狀有嚴(yán)格要求；EB-PVD制備的涂層和界面之間主要以化學(xué)鍵結(jié)合為主，因此涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度也較高［68］．由于EB-PVD涂層是由許多彼此分離的柱狀晶體所組成，能夠有效降低涂層中累積的應(yīng)力，因此EB-PVD涂層的抗熱震性能比等離子噴涂涂層通常要高出7倍左右［69］．

圖8 電子束-物理氣相沉積設(shè)備示意圖Fig.8 Schematic diagram of electron beam-physical vapor deposition equipment

EB-PVD技術(shù)的局限性在于其制備的涂層導(dǎo)熱系數(shù)通常要高于等離子噴涂涂層的［70］，因此在制備高溫紅外隱身涂層領(lǐng)域中應(yīng)用EB-PVD技術(shù)較少．但僅從提高涂層的抗熱震性與高溫服役壽命方面考慮，EB-PVD技術(shù)具有一定的應(yīng)用前景．李國(guó)浩等人［69］利用EB-PVD技術(shù)制備了不同微觀結(jié)構(gòu)的YSZ涂層，當(dāng)蒸發(fā)束流為350 mA時(shí)YSZ樣品的抗熱震性能最好，涂層過(guò)于致密會(huì)阻止應(yīng)力的釋放，而涂層過(guò)于疏松又會(huì)使得氧氣的滲入加快，最終導(dǎo)致涂層剝落失效．馬李等人［71］也采用了EB-PVD技術(shù)在鎳基合金表面沉積了SiC/ZrO2涂層，并測(cè)試了其抗熱震性能．在1000℃以下的熱循環(huán)測(cè)試中涂層未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)1000℃循環(huán)60次后涂層表面出現(xiàn)裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致涂層剝落，這表明涂層具有良好的抗熱震性．

5 涂層性能優(yōu)化

在遵循涂層的設(shè)計(jì)原則時(shí)，往往也要考慮到如何設(shè)計(jì)涂層結(jié)構(gòu)才能優(yōu)化涂層的性能．殷舉航等人［54］通過(guò)改變APS技術(shù)的不同噴涂功率后發(fā)現(xiàn)，不同的孔隙率可以影響YSZ涂層的紅外發(fā)射率，即改變噴涂功率可優(yōu)化涂層的紅外隱身性能．此外，李俊峰［72］探究了以氧化鐵、碳化硅和氧化鈷為填料的涂層表面粗糙度對(duì)其發(fā)射率的影響后發(fā)現(xiàn)，所制備的涂層在輻射換熱條件下的室溫發(fā)射率受到粗糙度影響較大．同樣地，林芳等人［73］也設(shè)計(jì)了不同表面粗糙度金屬的紅外發(fā)射率實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果表明隨著金屬材料表面粗糙度的增加，其發(fā)射率不一定發(fā)生變化，反而與金屬表面的加工方式有關(guān)．W.A.Ge等人［74］系統(tǒng)地研究了YSZ/NiCoCrAlY FGTBCs（功能梯度熱障涂層）輻射特性的影響因素，采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備了30多個(gè)具有不同多層結(jié)構(gòu)、孔隙率和厚度的樣品．結(jié)果表明，涂層頂部的厚度、孔隙率和微觀形貌是決定FGTBCs整體輻射性能的主要因素．總厚度越大的FGTBCs反射率越高，YSZ層頂部的厚度對(duì)FGTBCs的光譜反射率有很大的影響．因此，優(yōu)化涂層的紅外輻射性能，未來(lái)可以從控制FGTBCs的頂部陶瓷層的厚度入手，得到紅外發(fā)射率更低的涂層．

6 展 望

先進(jìn)的紅外探測(cè)技術(shù)對(duì)飛行器的紅外隱身性能提出了更高的要求，為應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的服役環(huán)境，在考慮到降低紅外發(fā)射率的同時(shí)，也需提高材料的耐熱性．此外，優(yōu)越的力學(xué)性能和抗腐蝕性能也是隱身材料能長(zhǎng)時(shí)服役的關(guān)鍵．因此，未來(lái)的紅外隱身材料及涂層發(fā)展趨勢(shì)如下．

（1）提高材料承溫能力．隨著飛行器熱端部件服役溫度的不斷提高，也需相應(yīng)地研制具有更高長(zhǎng)時(shí)承溫能力的新型紅外低發(fā)射率涂層體系．

（2）提高材料的服役壽命．由于高溫氧化、熱腐蝕（CMAS腐蝕）和外來(lái)粒子沖刷等外界影響因素會(huì)降低材料的使用壽命，因此，提高材料的綜合服役性能是其工程化應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題．

（3）優(yōu)化涂層的制備工藝．如果能改善涂層制備工藝的不足，那么涂層界面的結(jié)合將會(huì)變得更加牢固，同時(shí)還能降低工藝的生產(chǎn)成本，大大提高效率．此外，新的制備工藝也將是未來(lái)的發(fā)展方向之一．

（4）具有更多兼容功能．未來(lái)的紅外探測(cè)手段將更加多元化，單一的紅外隱身或許無(wú)法滿足未來(lái)在軍事領(lǐng)域的需要，因此未來(lái)的發(fā)展將會(huì)更加關(guān)注全波段的兼容隱身及更多功能的兼容，如紅外隱身和雷達(dá)隱身的兼容等．