紅外低發射率顏料制備及其可見光/紅外特性研究

吳護林，朱敏

（1.華南理工大學 材料科學與工程學院，廣州 510640；2.西南技術工程研究所，重慶 400039）

紅外探測系統具有全天候性、隱蔽性、被動性以及作用距離遠、精度高、抗電磁干擾能力強等特點，被廣泛用于偵察和制導領域，對軍事設施和武器裝備構成巨大的威脅[1—2]。紅外探測系統主要根據目標與所處背景的紅外輻射強度差來對目標進行探測識別，因此采用紅外低發射率材料控制目標的紅外輻射特性，使其與背景一致，是提高目標戰場生存能力和增強作戰能力的有效技術手段[3]。

片狀鋁粉具有較低的發射率和較高的反射率，用于涂層可以屏蔽物體內部的紅外輻射，是低發射率材料常用的金屬功能填料。國內外多家機構已經系統研究了鋁粉形貌、尺寸、用量等因素與涂層發射率的關系，并研制出了一系列低發射率涂層[4—6]。片狀鋁粉存在的最大問題是在對紅外高反射的同時，對可見光也具有很強的反射，難以實現與可見光偽裝的兼容，這限制了其在多波段兼容偽裝材料中的應用[7—8]。采用表面包覆技術對鋁粉進行改性，維持紅外波段高反射的同時，降低可見光波段的反射特性，是金屬低發射率材料研究的熱點。有研究人員對鋁粉表面沉積 Fe3O4、TiO2等進行了研究，制得了黃色、白色等各色中低發射率顏料[9—12]。文中采用液相沉積法，在片狀鋁粉表面包覆一層Cr(OH)3，然后在馬弗爐中煅燒，制得 Al/Cr2O3綠色低發射率顏料，并對該顏料及其涂層的性能進行了研究。

1 實驗

1.1 原材料

鋁粉漿：工業級，市售。硅酸鈉、碳酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、六水氯化鉻、聚乙烯吡咯烷酮：均為分析純，成都市科龍化工試劑廠。丙烯酸樹脂：工業級，美國JOHNSON公司。其余試劑均為國產。

在包覆實驗前對鋁粉漿進行脫脂處理。先將3 g硅酸鈉、2 g碳酸鈉、2 g十二烷基苯磺酸鈉加入到800 g無水乙醇中，制得清洗溶液，然后將80 g鋁粉漿加入清洗溶液中，用超聲波清洗機清洗 30 min，再經抽濾、無水乙醇清洗、干燥，制得脫脂鋁粉。

1.2 Al/Cr2O3復合顏料及涂層制備

將60 g六水氯化鉻溶解于去離子水中，配制六水氯化鉻溶液。稱取26 g脫脂鋁粉、23 g AMP-95、5 g聚乙烯吡咯烷酮，溶解于去離子水中，配制混合溶液。將六水氯化鉻溶液滴加到混合溶液中，在(40～45) ℃恒溫反應3～4 h，經抽濾、去離子水清洗、干燥后，制得Al/Cr2O3復合顏料的前驅物Al/Cr(OH)3復合粒子。

將Al/Cr(OH)3復合粒子置于馬弗爐中煅燒，在氮氣保護氣氛下，于 400 ℃煅燒 4 h，最終制得Al/Cr2O3綠色復合粉體顏料。

取適量的Al/Cr2O3粉體顏料與丙烯酸樹脂，添加適量的分散劑、消泡劑和流平劑等助劑，混合均勻后，用稀釋劑調整黏度至13～15 s，在馬口鐵板上均勻噴涂厚度約23～27 μm的涂層，固化后制得Al/Cr2O3涂層。鋁粉涂層、Cr2O3涂層的制備方法同上。

1.3 性能測試

粉體材料的成分、微觀形貌分別采用英國OXFORD公司的INCA能譜儀和荷蘭FEI儀器公司的QUANTA200掃描電鏡進行分析；涂層光譜反射率采用鉑金埃爾默儀器公司的Lambda750紫外/可見光分光光度計進行分析；涂層紅外發射率采用上海技術物理研究所的 IR-2型紅外輻射率測試儀進行分析，測試頻段為 3～5 μm和 8～14 μm；涂層紅外熱像采用武漢高德公司生產的 ThermoProTP8熱像儀進行分析，工作波段為8～14 μm。

2 結果與討論

2.1 Al/Cr2O3復合顏料的微觀形貌與組成

采用能譜儀分析脫脂鋁粉和 Al/Cr2O3復合粉體的表面元素。由于能譜分析中電子束入射深度很淺（約1 μm），因此可以將表面元素視為粉體材料的表層成分組成。每個樣品選3個部位測試，脫脂鋁粉和 Al/Cr2O3復合粉體樣品的選取部位及元素測試結果分別見圖1和圖2。由圖1可知，脫脂鋁粉表面主要以Al元素為主，附有少量的O、P等雜質元素。由圖2可知，Al/Cr2O3復合粉體表面主要以 Al、Cr、O元素為主，說明鋁粉經過表面包覆處理后，Cr2O3已經附著在鋁粉表面。這種結構既屏蔽了可見光波段的高反射，又削弱了表面包覆層對鋁粉紅外發射率的影響。

為進一步表征Cr2O3在片狀鋁粉表面的包覆狀態，采用 SEM（二次電子像）分析脫脂鋁粉和Al/Cr2O3粉體顏料的微觀形貌。圖3為脫脂鋁粉的電鏡照片。從圖 3a可以看出，脫脂鋁粉為不規則片狀結構，尺寸大小不一，粒徑基本在10～25 μm之間。放大后（圖3b）發現，鋁粉表面平整光潔，無雜質附著，片狀形態保持完好，無破損。

圖4為 Al/Cr2O3粉體顏料的電鏡照片。從圖4a可以看出，鋁粉表面包覆Cr2O3后，粒徑變化不大，外形仍維持片狀結構，但表面變為不光滑狀態。放大后（圖 4b）也可以看出，包覆后的鋁粉表面由原來的光滑狀態變為粗糙結構，表面附有一層包覆基本完整的絮狀物質，粉體的能譜分析表明該絮狀物質為Cr2O3。另外，在鋁粉表面及鋁粉之間還分散存在許多小顆粒。這可能是在Cr(OH)3沉淀過程中異相成核，煅燒后形成的Cr2O3顆粒附著于粉體表面及粉體之間。

2.2 包覆處理對涂層可見光和近紅外特性的影響

為分析鋁粉包覆Cr2O3前后對涂層可見光、近紅外反射特性的影響，分別測試了鋁粉涂層、Cr2O3涂層及Al/Cr2O3涂層在400～2000 nm可見光/近紅外波段的光譜反射曲線，如圖5所示。

綠色偽裝材料一般要求其在可見光/近紅外波段的光譜反射曲線與自然背景植被一致，而自然背景中的樹葉等綠色植物因含葉綠素、葉黃素等多種色素，其光譜反射曲線在540 nm附近有一個反射峰，稱為“綠色反射峰”；在670～800 nm之間是一個陡坡，反射率急劇升高，稱為“紅邊”；在800 nm以后反射率變化不大，形成了一個“近紅外反射高原”[13]。

由圖5可知，鋁粉涂層在可見光、近紅外波段的反射率均較高，可作為紅外低發射率顏料，但難以滿足可見光偽裝要求。Cr2O3涂層在540 nm左右出現一個反射峰，在近紅外波段反射率急劇上升，可較好模擬自然綠色植被的可見光/近紅外光譜反射特性，但近紅外反射率較低，紅外發射率較高。Al/Cr2O3涂層的光譜曲線綜合了鋁粉涂層與 Cr2O3涂層的光譜反射曲線特點，整體趨勢與Cr2O3涂層基本一致，在540 nm左右也出現一個反射峰，到近紅外波段后反射率急劇上升，與鋁粉涂層接近，說明制備的 Al/Cr2O3涂層在可見光與近紅外波段可較好模擬自然背景綠色植被的光譜反射特征，同時在近紅外波段反射率較高，可實現紅外低發射率。

2.3 Al/Cr2O3涂層熱紅外特性調控

自然背景一般由樹木、草地、砂土等植被和裸露的地表組成，由于地表各類材料的物性差異，在紅外熱像下呈現明暗不同的斑塊分割，因而在背景中實現紅外偽裝的有效措施之一就是通過不同紅外發射率材料的組合應用，形成與背景紅外輻射分布特征相近的斑塊分割效果。涂層的紅外發射率與低發射率功能填料的含量密切相關，按照Al/Cr2O3顏料與丙烯酸樹脂質量比為1:5、1:10和1:20制備不同 Al/Cr2O3含量的涂層，測試涂層在 8～14 μm波段的紅外發射率，結果見圖 6。可以看出，Al/Cr2O3顏料含量對涂層紅外發射率影響顯著，隨Al/Cr2O3顏料含量增加，涂層的發射率降低。可見通過調節涂層中Al/Cr2O3顏料的含量，能夠獲得不同紅外發射率的涂層材料。

將 Al/Cr2O3涂層試板放置在玻璃鋼復合材料板上，置于戶外陽光下曝曬30 min后，采集涂層的紅外熱像，如圖7a所示。利用與熱像儀配套的紅外圖像分析系統分析熱像圖，得到涂層試板的輻射溫度曲線和平均輻射溫度，結果見圖7b、c。

由圖7a可見，隨著涂層中Al/Cr2O3顏料含量的增加，發射率降低，相應地，涂層紅外熱像變暗。當涂層中Al/Cr2O3顏料與丙烯酸樹脂的比例為1:5和 1:10時，涂層的紅外輻射特征明顯低于玻璃鋼復合材料背板，表明低發射率材料可明顯抑制物體內部向外輻射能量，降低物體的紅外輻射強度，具有較好的紅外偽裝效果。圖 7b的涂層輻射溫度曲線和圖 7c的涂層平均輻射溫度統計也證明了這點，隨著涂層中Al/Cr2O3顏料含量增加，涂層的平均輻射溫度由27.9 ℃降低到22.7 ℃。可見，不同發射率涂層的輻射溫度有較大差別，可以通過控制涂層中Al/Cr2O3顏料的含量，獲得不同發射率梯度差的涂層，應用于目標能夠改變表面輻射溫度分布特征，從而實現有效的熱圖像分割效果及與背景紅外輻射特性的融合。

3 結論

1）采用液相沉積法及煅燒工藝制備出了Al/Cr2O3紅外低發射率顏料。測試結果表明，Cr2O3在鋁粉表面包覆基本完整，包覆后的鋁粉粒徑變化不大，外形仍維持片狀結構，有利于實現紅外低發射率。

2）含Al/Cr2O3的涂層在可見光、近紅外波段的光譜反射曲線與背景綠色植被相似，可以較好地模擬自然背景中的綠色植物，具有良好的可見光/近紅外偽裝性能，滿足可見光/近紅外偽裝的要求。

3）涂層的紅外發射率與低發射率功能填料Al/Cr2O3的含量密切相關，通過調節涂層中Al/Cr2O3顏料的含量，能夠獲得紅外發射率不同的涂層。不同發射率涂層的輻射溫度差較大，可以實現紅外熱像圖的有效分割和與背景紅外輻射特征的融合。