歷史介紹
20 世紀70 年代以來, 隨著熱紅外探測器的廣泛套用, 紅外隱身技術無論在飛行器、地面設備還是戰略突防等方面都引起了世界各強國的高度重視。相比國際上飛速發展的紅外技術, 我國還有相當的差距, 必須加強這方面的研究。紅外探測由於探測精度高, 已經成為一種重要的探測和跟蹤手段。隨著紅外探測技術的快速發展, 紅外隱身技術也取得了很大的進步。本文將概括地介紹套用於紅外隱身塗層的填料、粘合劑及其紅外特徵的影響因素, 最後還將討論與雷達的相容性問題。
基本特性
一般來說, 用於熱隱身的材料應具有以下基本特性: 具有符合要求的熱紅外發射率或較強的控溫能力; 具有合理的表面結構; 具有較低的太陽能吸收率; 能與其它頻段的隱身要求兼容。發射率是物體本身的熱物性之一, 其數值變化僅與物體的種類、性質和表面狀態有關。而物體的吸收率則不同, 它既與物體的性質和表面狀態有關, 也因外界射入的輻射能的波長和強度而異, 所以嚴格講來, 吸收率不是物體的熱物性。目前, 以降低發射率為主要目標的塗料的主要性能指標是: 目標表面的發射率Ε T IR , 在可見光和近紅外波段的太陽能吸收率A SUN 及與其它波段紅外特性要求的兼容性。
填料選擇
填料是影響塗料紅外性能的基本因素之一。大部分的無機填料在熱紅外波段(T IR) 有明顯的寬吸收頻譜。例如, 碳酸鹽在7 μ m 吸收最強, 矽酸鹽在大約9 μ m 、氧化物在9 ～30 μ m 之間有吸收峰。有機填料由於其複雜的C 2 N 2 O 結構, 如黑、酞菁藍及酞菁綠等都在T IR 頻段有明顯尖銳的吸收頻譜, 但主要在6 ～11 μ m 區間。因此, 塗層的紅外特性受所用填料的影響, 具有強烈的光譜選擇性[ 2 ] 。因此金屬粒子, 尤其是金屬片狀粒子是T IR 頻段的首選填料。它們在T IR 頻段吸收很少, 但在整個波段散射和反射很大。H agen 2 R uben s 將金屬的高反射性能歸因於較高的載流子密度。顯然,金屬填料的高反射性有利於降低發射率和太陽吸收率, 但卻增加了對雷達波和可見光的反射, 不利於雷達和可見光的抑制作用。因此, 金屬填料含量宜慎選。
半導體填料是一種新型的摻雜填料。從理論上說, 通過適當選擇載流子密度 N 、載流子遷移率μ 和載流子碰撞頻率Ξ t 等參數, 可以使摻雜半導體在紅外波段有較低的發射率, 而在微波和毫米波段具有較高的吸收率, 從而形成紅外2 雷達一體化材料。
粘合劑的選擇
紅外塗層用樹脂有兩個基本要求, 首先必須保護填料, 並在塗層的整個使用期保持它們的紅外特性不變; 其次樹脂必須在所選光譜範圍紅外透明。根據美國塗料技術協會的研究結果, 可以從有機化合物連線鍵和基團來大致判斷其紅外吸收能力。大多數樹脂在近紅外區並無強烈吸收, 但在熱紅外區由於其官能團的分子振動, 如波段位於3. 3( 碳氫伸縮振動), 5. 7( 羰基伸縮振動), 7. 0( 碳氫變形振動), 8. 0( 碳氧伸縮振動), 有強烈的吸收。實際上並不適宜作低發射率塗料粘合劑的有醇酸樹脂, 矽醇酸樹脂, 聚氨酯, 矽橡膠, 聚苯乙烯。文獻[ 4 ] 列出了有機樹脂的紅外吸收光譜。選用不含有這些官能團的樹脂可以減少T IR頻段的強烈吸收。氟碳樹脂在太陽輻射波段幾乎透明, 在TIR 頻段僅有微弱的吸收。並且具有優異的環境穩定性, 非常適合於單純特定波段的紅外塗層。二甲基矽酮樹脂具有較低的紅外發射率值, 已套用於低發射率塗層。無機矽酸鹽低聚物可形成只含有矽氧鍵的聚合物, 除位於9 μ m 處外 發射率都很低。
樹脂的吸收率還可通過加入填料而降低, 這些填料通過控制散射率和粒子徑可將樹脂吸收波段的輻射光有效地散射掉, 這項技術在T IR 頻段有很大的優越性。另外, 片狀粒子填料形成連續薄膜減少了其下樹脂吸收的入射光的透射。
影響因素
材料的發射率不但取決於材料本身的性質, 而且取決於其表觀的物理狀態。實際上, 作為塗料, 其輻射特性不但與其吸收特性有關, 而且也與其反射特性、顆粒度、環境溫度、材料附著於其上的襯底等表觀因素有關。在某些情況下, 這些因素甚至會起決定性的影響。
塗層厚度的影響
塗層厚度對輻射帶的強度和譜帶的解析度影響極大。Khan 發現在常溫下塗料的紅外輻射性能主要取決於約35 ～40 μ m 厚的表面層。當塗層厚度小於此值時, 發射率與基體的性質和粗糙度有關; 當塗層厚度大於160 ～170μ m 時, 塗層厚度對其輻射性能不再有影響。G.Fabb ri 和P. Barala 通過對不同厚度的硫酸銅塗層的紅外輻射光譜的觀察發現, 隨著塗層厚度的增加, 光譜質量明顯降低。
在有些情況下, 受塗層厚度的影響, 強的基頻帶會變得很弱, 而那些本來較弱的泛頻帶反倒變得很強。P. G. Griffith s 曾測量了以鋁為襯底的潤滑油塗層的輻射光譜, 發現當塗層很薄時所得到的光譜結構均勻, 與吸收光譜很類似, 但當塗層較厚時, 其輻射特性卻變得類似於黑體了。
在塗料研究中, 不能簡單地認為強吸收帶一定能產生強的輻射, 不能把物質的吸收光譜當作選擇輻射塗料的唯一依據。李永明[5 ] 的研究表明, 在一定範圍內, 塗層的發射率隨塗層厚度的增加而增加。L afem ina 的研究指出: 對於光譜選擇性輻射體, 在塗層足夠厚時都將成為絕對黑體。
襯底的影響
通常, 紅外發射塗料不能單獨使用, 它總要被塗敷在某一襯底( 或載體) 上。為了準確研究各種紅外輻射塗料的輻射特性, 不能不考慮襯底輻射對塗料輻射特性的影響, 以及這兩者之間的相互聯繫。
通過對銅、鋁、鐵、白金、溴化鉀和玻璃在300 ℃ 下的輻射光譜可以看出, 大部分的金屬都有幾乎同樣低的的比輻射率, 而溴化鉀和玻璃在低波數區有較高的比輻射率。因此, 對塗料來講, 金屬是非常好的載體, 尤其是白金, 即使在很高的溫度下, 也有極低的反應活性。很多資料表明, 拋光的金屬具有更低的發射率和更高的反射率, 但是拋光的金屬表面粘附性不好, 在進行塗敷時, 除了應進行一般的除油處理外, 還應進行表面磷酸化處理或陽極化處理, 使之表面形成一層氧化層, 從而增加其粘附性。同時, 新形成的氧化膜對塗敷在其上面的塗料的紅外輻射性能又形成新的影響, 這方面的內容有待於進一步研究。
溫度的影響
對於發射率隨溫度變化的關係, 有關專著中曾有一些定性的論述。一般認為: 發射率與溫度的關係對金屬和非金屬是不一樣的。金屬的發射率較低, 並隨溫度上升而增加, 若表面形成氧化層, 則發射率可以成十倍或更大倍數的增加; 非金屬的發射率較高, 在 T < 350 K 時一般多超過0.8, 並隨溫度的增大而減小。
鄒南智等[6 ] 依據Stefan 2 Bo ltzm ann 定律, 研討了紅外半球全發射率Ε h 隨溫度 T 變化的函式關係, 並導出了一個遞推的解析關係式。認為任何物體的半球全發射率均將隨溫度的升高而下降。這與傳統的觀念也不一樣, 值得引起重視。
對於摻雜型材料, 由於雜質離子的進入, 破壞了部分正常晶格的平移對稱性, 將產生以雜質離子或缺陷為中心的局域振動模式, 此外雜質能級處於禁帶之內, 容易發生躍遷, 增加自由載流子的濃度。在受熱條件下, 這些自由載流子的帶內躍遷或電子從雜質能級到導帶之間的直接躍遷, 最終都將產生強能量的輻射。這些因素使得摻雜型材料的紅外輻射譜在很大程度上不同於單純材料的輻射譜, 一般表現為輕雜質成分的加入將會使材料的輻射波段向短波方向移動, 重雜質的加入, 則使材料的輻射波段向長波方向移動。當有選擇地加入多種雜質離子時, 材料的輻射波段可變寬, 輻射強度會增大。
顆粒度的影響
多數研究者認為填料顆粒尺寸應小於熱紅外波長, 大於近紅外波長, 這樣, 填料才會既有良好的熱紅外透明性, 又有一定的可見光和近紅外反射能力。對於具有散射力為 m 的填料, 其具有最大散射能力的粒子徑 d 與波長Κ 的關係為:
Κ = d / K (1)
式中 ; n 是樹脂的散射率。這 正是塗料配方設計中的一個重要依據。
其它影響因素
表面污染, 包括灰塵和水分, 能使塗層光學性能嚴重惡化, 原來0. 24 的發射率可上升到0. 87 。原材料中所含雜質和水分對塗層紅外性能也有顯著影響, 水的存在會在2. 8 μ m 的波段產生一強吸收峰。A ron son 為了去除硫化鎘中的單質硫, 將其在高溫下燒結後退火處理, 結果材料的反射率大大下降, 其原因尚不清楚[ 7 ] 。
夏繼余等[ 8 ] 認為, 用刷塗的方式比再振動狀態下用噴塗方式塗層時鋁的表面更容易平行於基體表面, 其全發射率分別為0. 38 和0. 64, 並認為塗層厚度對光譜發射率在短波段影響較大, 而對長波影響相對甚微。
徐文蘭等[ 9 ] 考慮了塗層自身輻射, 以及塗層對襯底透射或對外來輻射的反射, 建立了完善的熱輻射傳輸方程, 給出了塗層表觀發射率與反射率的公式。
相容性
兼顧雷達隱身的材料現均為多層結構。D eisen ro th 提出[ 10 ] 的一種由反熱紅外探測的面漆加反雷達探測的底漆構成的隱身材料就是一個簡單而典型的例子。國外還有一種形式類似但結構更為複雜的七層複合材料[ 11 。研製這類多頻段兼容隱身材料的關鍵是使表層材料具有良好的頻率選擇特性。
大量試驗表明, 結構型和塗層型吸波材料分別與低發射率塗料複合後, 塗層的厚度對諧振點吸收率及吸收頻寬的影響是完全一致的。在雷達吸波材料的上面塗敷一層紅外塗料, 在一定的厚度範圍內, 可以同時兼顧兩種性能, 且雷達波吸收性能基本保持不變, 只是隨紅外塗層厚度增加, 諧振峰向低頻平移, 同時也能保證原塗層的紅外輻射性能不變[ 12 ] 。當紅外塗層與之複合後, 只要紅外低發射率塗層厚度達20 μ m, 便能覆蓋整個高輻射表面, 而使法向總比輻射率值趨於一穩定值, 而且紅外隱身塗層厚度在20 ～100 μ m 時, 法向總比輻射率基本沒有什麼變化。當套用CAD 設計後, 雷達波吸收塗層可採用3 層結構。電磁損耗層為底層, 中間層是阻抗匹配層1, 面層是阻抗匹配層2, 也是紅外隱身塗層。總比發射率為0. 26 的塗料與發射率為0. 85 的雷達吸波材料複合後, 其紅外法向總比發射率降至0. 23 。
保密使各國的真實研製情況很少具體披露, 但從熱紅外低發射率材料的使命和目前暴露的一些問題推斷, 今後人們會在下述方面加緊努力:
a) 加速熱隱身塗料使用化的進程。首先需進一步加強控制塗層發射率的能力, 為此需探索新型粘合劑( 包括對熱紅外高透明或高反射的聚合物) 和填料。此外, 需以現有原材料為基礎, 掌握在較大範圍內自由調控發射率的配方技術, 以滿足不同場合的使用需求;
b) 探索低發射率薄膜以及隔熱材料、相變材
料、樹脂基複合材料等用於熱隱身的可能性;
c) 降低材料光學性能對表面污染的敏感性;
d) 研製多頻段兼容性好, 結構簡單, 輕便堅固的材料;
e) 完善熱隱身材料的性能測評系統。
