1種低紅外發射率涂層耐熱性能研究

肖圣榮，丁鶴雁，王智勇，張 桐，劉鵬瑞

（中航工業北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

目前，紅外探測技術是戰場偵測和武器制導所使用的重要手段，也是繼雷達探測之后又一嚴重威脅各種軍事目標的探測手段。據報道，在現代戰爭中約有8 0%的飛行器是被紅外制導導彈擊落的[1]。因此，在如此嚴格苛刻的戰場上，采用紅外隱身技術來提高戰機的生存率，成為有效對抗紅外探測的關鍵技術，是否具備紅外隱身性能也已成為現代先進戰機的標志性特征之一[2-3]。在飛行器使用過程中，除了發動機溫度高以外，飛行器的蒙皮、尾噴管由于氣動加熱等原因，使這些部位具有較高溫度，體現出明顯的紅外輻射特征，從而被紅外探測設備所發現[4]。例如飛機在飛行中蒙皮表面的理論溫度為250～320K，根據維恩定律可知，該紅外輻射主要集中在8～14μm大氣窗口[5]，因此，通過在飛行器高溫部位表面涂覆低紅外發射率隱身涂層，能夠有效降低紅外輻射特征值，達到紅外隱身的效果，這也是目前實現飛行器紅外隱身效果最直接、最簡單，最不影響飛機氣動性能的手段。目前，國內較為成熟的低紅外發射率隱身涂料均以有機樹脂作為粘結劑。有機樹脂粘結劑具有優秀的力學性能、施工性能等特點，在涂料中的使用非常成熟[6-7]。但是，有機樹脂的耐熱性較差，在高溫條件下會出現斷鏈和降解等現象[8]，這對于低紅外發射率涂層的紅外隱身性能來說是致命的。因為紅外隱身涂層的表面狀態直接影響發射率的變化，光亮平整的表面紅外發射率才會較低[9-10]。因此，通過選擇具有良好耐高溫性能的樹脂體系，或對樹脂體系進行一定的改性，就能制備出性能更為優異的低紅外發射率隱身涂層[11-15]。

本文采用具有良好耐高溫性能的有機硅樹脂作為紅外隱身涂層的粘結劑體系，并配合復合金屬粉、耐高溫填料等制備出具有低紅外發射率的紅外隱身涂層，并在不同溫度條件下對其耐熱性進行了研究，分析發射率、光澤以及力學性能與溫度之間的關系，為其在飛行器等武器裝備上使用奠定基礎。

1 試驗

1.1 低紅外發射率涂層的制備

將改性有機硅樹脂、功能性填料按一定比例均勻混合，采用高速分散設備進行良好分散，待攪拌均勻后加入固化劑，熟化15～20min，采用壓縮空氣噴涂法將其噴涂在80mm×50mm×2mm的鋁板上，施工之前需對基板進行預處理：化學除油除銹→水洗→砂紙打磨→水洗→烘干待用；施工時噴涂壓力控制在0.4～0.8MPa，厚度控制為40～50μm，室溫固化7天后，分別在50、100、150、200、250、300、320、350、400℃條件下處理2h，之后進行各項性能測試，并與常溫固化條件下的涂層進行比較。

1.2 試樣的測試與表征

采用CIAS型紅外光譜輻射計和以色列CI公司制造的標準腔黑體測試涂層在8～14μm波段的紅外發射率；用英國CamScan3100掃描電子顯微鏡對樣品形貌進行表征；采用TAInstruments公司研制的TGA2050熱失重分析儀分析涂層的熱穩定性；采用霧影光澤度儀測試涂層的光澤度(60°/%)；采用磁性測厚儀測量涂層厚度；采用萬用拉力機測量涂層附著力；采用漆膜彎曲試驗儀測量涂層柔韌性；采用漆膜沖擊力實驗儀測量涂層沖擊力。

2 試驗結果與討論

2.1 熱處理溫度與涂層發射率的關系

本試驗測試了不同溫度下熱處理后的涂層法向紅外發射率，測試溫度為50℃，測試波段為8～14μm，測試結果見表1。從表中可見，常溫固化的涂層的發射率最高，達到0.25，而進行熱處理后的涂層，隨著熱處理溫度從50℃升高到400℃，涂層的發射率逐漸降低，從0.210降到0.158。這是因為隨著熱處理溫度的不斷升高，涂層固化程度逐漸提高，片狀Al粉逐漸上浮覆蓋到樹脂表層，由于Al粉本身的紅外發射率非常低，且密度小、加工方便；而樹脂的紅外發射率非常高，表層Al粉能起到遮蓋作用，降低體系的發射率；溫度的升高使得Al粉緊密排列，表層中樹脂含量越來越少，起到黏結作用，涂層孔隙明顯減少，加上鋁粉的光滑片狀結構，使得涂層的反射率不斷增大，由基爾霍夫定律可知，涂層的發射率不斷降低。光澤度和SEM測試結果均驗證了此推論，涂層的光澤度測試結果如圖1所示。從圖中可見，在300℃以下涂層的光澤度是不斷提高的，隨后開始降低。涂層的熱重分析曲線如圖2所示。從圖中可見，SEM結果顯示隨著熱處理溫度從100℃提高到300℃，涂層的表面致密程度明顯提高，在300℃條件下只有很小的孔隙，使得涂層的光澤度提高。但是，當熱處理溫度升高到400℃時（如圖2（d）所示），出現了比較明顯的孔隙，因為在該熱處理溫度條件下，樹脂體系發生了熱降解，部分主鏈發生了斷裂，致密性開始下降，孔隙率增大，導致涂層的光澤度降低。

表1 不同熱處理溫度下涂層在8～14μm波段的紅外發射率

圖1 涂層光澤度與熱處理溫度之間的關系

圖2 不同熱處理條件下涂層的SEM測試結果

2.2 涂層的熱穩定性

采用熱重分析儀對涂層的耐熱性能進行分析，升溫速率為10℃/min，采用氮氣保護。從圖3TG結果可知，溫度從室溫升高到300℃左右的過程中，涂層質量發生小幅度的下降，這主要是由涂層中殘留的溶劑揮發造成的，同時還伴隨著較小基團或支鏈的分解。從300℃開始，大部分的分子鏈段開始熱降解，出現斷裂、分解，黏結劑網絡互穿結構被破壞等現象，這與SEM電鏡結果是一致的。在X1和X22點分別作切線，相交于X點（298.69℃），此時的降低的質量分數為7.6%，由此可知該涂層的熱分解溫度是298.69℃，隨著溫度繼續升高，涂層的質量持續減小直到測試停止。

圖3 涂層的熱重分析曲線

2.3 熱處理溫度和涂層力學性能的關系

將熱處理后的涂層分別按照GB/T9286-1998、GB/T1732-93和GB/T1731-93對附著力、沖擊強度和柔韌性能進行測試，結果見表2。—表示涂層發生起皮、脫落等現象，無法進行力學性能測試。

從表2中可見，常溫固化的涂層具有較好的力學性能，能達到經熱處理涂層的水平。在300℃以下，涂層有較好的力學性能，涂層附著力均達到0級，耐沖擊強度達到50cm，柔韌性變差。這是由于試驗采用的樹脂為有機硅樹脂，其分子鏈中含有大量的-Si-O-鍵，其鍵能（446kJ/mol）遠遠高于-C-C-鍵（356kJ/mol），使其內聚能增加；而且有機硅樹脂分子鏈上的烴基在受熱氧化后生成-Si-O-Si-鍵的交聯網絡結構，對主鏈結構的熱降解起到阻礙作用。當溫度在300℃以上時，涂層發生開裂、脫落等現象，這是因為樹脂基體發生熱降解，小分子和鏈段開始分解斷裂，導致填料和樹脂之間無法良好結合，涂層開裂、脫落，失去了原有的柔韌性。這與涂層的熱重分析曲線所得結論吻合。

表2 不同溫度熱處理后涂層的外觀及力學性能

3 結論

（1）以改性有機硅樹脂為粘結劑體系，以復合金屬粉為主要填料，能夠制備出具有一定力學性能的紅外低發射率涂層，該涂層在8～14μm波段范圍內的發射率約為0.2。

（2）涂層的紅外發射率隨著溫度的升高呈現降低趨勢，光澤度則表現為先上升后降低。

（3）涂層的分解溫度為298.69℃，低于該溫度前，涂層具有較好的力學性能，高于該溫度后開始出現熱失重現象，粘結劑體系開始降解，涂層的力學性能變差，甚至脫落、剝離。

（4）經室溫固化的涂層的發射率為0.25，經300℃以下熱處理的涂層的最低發射率為0.16，其紅外隱身性能得到提高。

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