紅外偽裝涂料的研究探討

王興起　王洪坤　施旭耀

摘 要：本文介紹了紅外偽裝涂料的作用機理，概括了影響紅外偽裝涂料的顏料及粘合劑；綜述了國內外紅外偽裝涂料的特性及其研究現狀并展望了紅外偽裝涂料的發展前景。

關鍵詞：紅外偽裝；涂料；影響因素；研究進展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.007

0 引言

隨著現代偵察技術的飛速發展與完善，各種軍事重要目標、特殊裝備等面臨著日趨嚴重的威脅。傳統的可見光偽裝技術已經遠遠不能滿足需求。針對該問題，世界各國已經成功研制出了許多先進的偽裝技術，其中紅外偽裝涂料以其制造方便、成本低廉、堅固耐用、施工方便等優勢在偽裝中占有重要的地位。

1 紅外偽裝涂料的原理

在0K以上的溫度下，一切物體均會輻射紅外線。但是由于空氣中存在二氧化碳、氧氣、水等極性分子，處于極遠紅外區域的紅外線會被空氣吸收，只有波長正常處于“大氣窗口”，即3～5μm、8～14μm區域的紅外線能在大氣中無阻礙傳播。而其中8～14μm波段為熱成像的重要波段[1]。目前，紅外探測主要有兩種探測方法：一是點源探測；二是成像探測，利用目標與背景的紅外輻射差別通過成像來識別目標。因此，實現目標紅外偽裝，應設法使目標熱圖與背景熱圖相似，使目標在紅外熱圖像上看與背景相融合。由斯蒂芬-玻耳茲曼定律及發射率定義，一個物體在全波長范圍內發射的輻射出射度為：。式中：W為物體的總輻射出射度，σ為玻耳茲曼常數，ε為物體的發射率，T為物體的絕對溫度。溫度相同的物體，由于發射率的不同，在紅外探測器上會顯示出不同的紅外圖像。另一方面，為降低目標表面的溫度，紅外偽裝涂料在可見光和近紅外還具有較低的太陽能吸收率和一定的隔熱能力，以使目標表面的溫度盡可能接近背景的溫度，從而降低目標和背景的輻射對比度，減小目標的被探測概率。

2 紅外偽裝涂料的影響因素

目前，以降低發射率為主要目標的偽裝涂料主要性能指標是：目標表面的發射率，在可見光和近紅外波段的太陽能吸收率及與其它波段偽裝要求的兼容性。為此，紅外偽裝涂料應具有以下基本要求：

（1）具有符合要求的紅外發射率；

（2）具有良好的熱穩定性和基料結合性；

（3）多頻段兼容性好、結構簡單、輕便堅固，成本低廉。

2.1 顏料的影響

顏料是影響涂料偽裝性能的重要因素之一，涂料的偽裝能力主要是通過顏料的選擇和顏料間的合理配比來實現的。目前用于紅外偽裝涂料配方中的顏料主要有三種：金屬顏料、著色顏料和半導體顏料。

2.1.1 金屬顏料

基爾霍夫定律表明，不透明體的反射率越高，發射率越低。因此，有較高反射率的金屬粒子是熱偽裝涂料最常用和最重要的顏料種類。可用的有Al、Zn、Sn、Au、青銅等，實際選用集中于性能優良、價廉易得的Al。隨著金屬顏料的增加，可使紅外偽裝涂層的發射率降低至0.5甚至更低，但是金屬顏料含量超過一定范圍后，即會使發射率升高。迄今報道的熱偽裝涂料金屬顏料含量一般不超過40%（質量百分數），通常在20%～30%居多。

2.1.2 著色顏料

選用著色顏料主要是為了滿足與可見光偽裝兼容的要求，大多數著色染料不具備低發射率，僅能要求其不損害涂料的熱偽裝性能。因此，著色顏料的篩選一直是偽裝涂料研究工作的難點之一。目前，已知的著色顏料分為無機顏料和有機顏料兩大類，無機顏料大致以金屬氧化物和氫氧化物、金屬非氧化物、無機顏料鹽等3類為主，而在眾多的有機顏料中最常見的是偶氮化合物。

2.1.3 半導體顏料

半導體顏料是20世紀80年代興起的一種摻雜顏料，在紅外偽裝涂料中前景較好。摻雜半導體由金屬氧化物（主體）和摻雜劑（載流子給予體）構成，它能夠彌補金屬顏料與著色顏料的自身缺陷。常見的半導體顏料有SnO2與In2O3，可摻雜制成銦錫氧化物（ITO）粉末，其顏色可調，能使涂料的發射率降低至0.624[2]，是一類兼容性良好的紅外偽裝涂料。

2.2 粘合劑的影響

粘合劑是影響涂料隱身性能的另一個基本因素。很多研究者認為，涂料在紅外波段的吸熱能力在很大程度上取決于粘合劑。研究證實，粘合劑對涂料發射率的影響超過60%[3]因此，要求粘合劑在紅外波段保持透明，從而體現填料的光學性能。粘合劑可分為有機粘合劑與無機粘合劑兩大類，目前有機粘合劑研究較多。

2.2.1 有機粘合劑

有機粘合劑既有較低的紅外發射率又有良好的物理機械性能而被廣泛關注。研究人員在有機類粘合劑做了大量工作，南京航空航天大學徐國躍課題組、中北大學劉亞青課題組、電子科技大學鄧龍江課題組等在紅外偽裝材料研究方面取得了一定的進展[4]。現在研究較熱的用于紅外偽裝涂料的有機粘合劑有聚乙烯、EVA樹脂、三元乙丙橡膠、Kraton樹脂、聚氨酯樹脂、有機硅樹脂、氟碳樹脂等。其中聚乙烯在8～14μm波段沒有強吸收基團，是較理想的控溫兼紅外透明性材料，且防腐蝕和耐低溫性優良。

2.2.2 無機粘合劑

與有機粘合劑相比，無機粘合劑的性能比較簡單，紅外吸收率也較低，但物理機械性能和施工性能較差。國外研制了發射率值較低的熱偽裝涂料，其質量分數組成分別為：磷酸24.2%、氧化鎂4.3%、鉻酸4.7%、乙醇1.7%、水65.1%。盡管磷酸鹽和鉻酸鹽離子在熱紅外波段強烈吸收，但它們的混合物在高溫下燒結形成一種玻璃質材料，其漫反射率高達60%，這樣也就降低了涂層的發射率值。Kiyoshi等[5]表示，鉻酸鹽及磷酸鹽離子雖然在紅外窗口波段吸收強烈，但高溫燒結后，生成一種準玻璃物質，大大提高紅外的漫反射率，可達到60%，從而降低紅外涂層的發射率。

3 國內外在偽裝涂料的研究進展

3.1 國外發展endprint

英國杜菲-狄坦寧公司研制的熱偽裝涂料，具有良好的紅外反射率，可適應很多紅外波段的需要。德國研制的一種飛行器用紅外偽裝涂料，由碳化硼、石墨、導電炭黑、碳化硅或聚乙炔等組成，在<14μm的波段內提供紅外隱蔽。另有一些美國學者將直徑為70μm的片狀鋁（質量比占38%）摻雜到無機磷酸鹽粘合劑中，獲得了在10.6μm頻譜區發射率為0.18的紅外偽裝涂料[2，6]。KiyoshiChiba等[5]利用中層摻銀的多層涂覆方式獲得了低發射率涂層材料。國外的紅外偽裝涂料雖已形成了色彩化，但實用化的較少，且在復合偽裝兼容性方面仍沒有完全解決好。

3.2 國內發展

（下轉第10頁）

（上接第11頁）

目前國內的紅外偽裝涂料主要有金屬粉（如Al粉）樹脂型的有機紅外偽裝涂料，低發射多層薄膜型無機金屬氧化物類，或以金屬氧化物作為填料類等。華東理工大學國家超細粉末工程研究中心將表面包覆了薄薄一層二氧化硅的鋁片用作紅外偽裝涂料的顏料，所得涂層的發射率僅為0.35。山東工業陶瓷研究設計院研制的白色材料紅外發射率在0.3～0.4之間，中綠色顏料紅外發射率為0.6～0.7，制備出的涂層紅外發射率為0.7～0.75[4，7]。王庭慰[8]等利用有機硅清漆和三元乙丙橡膠的接枝聚合物與Al粉等顏料制得了低發射率紅外涂料。翁小龍等[9]則用異戊二烯橡膠合成的環化橡膠制備了紅外發射率為0.55～0.6的低紅外發射率涂料。此外國內也對復合型雙層偽裝材料進行了研究，其低紅外發射率面層材料的法向發射率介于0.23和0.54之間[10]。

4 紅外偽裝涂料的發展趨勢

由于高科技的飛速發展，各種紅外偵測手段相應的越來越先進，為了與未來戰爭相適應，紅外偽裝涂料將會呈現以下趨勢：

（1）改進完善現有技術的缺陷漏洞，用高光譜成像的原理，避開綠色偽裝涂料在780～1300nm波段的“近紅外高原”和1300～2600nm波段的“分吸收帶”相似度較低的缺點，進行技術改進。

（2）完善與開發波普轉移新材料，完善與開發具有多功能的波普段新材料，實現多功能偽裝，是今后偽裝涂料領域研究熱點與重點。

（3）拓寬防偵視范圍，達到防紅外、防雷達等多譜兼容的偽裝效果。

（4）追求偽裝效果與環境保護并重，由于現有的偽裝涂料存在有毒的元素如鉛、鉻、汞等，因此在保證涂料使用性能的前提下，應減小技術材料對人和環境的危害。

參考文獻：

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[5]Kiyoshi Chiba.Low-emissivity coating of amorphous diamond like carbon/Ag-alloy multilayer on glass[J].Appl SurfSci，2005（246）：28.

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[8]王庭慰等.8～14μm低發射率紅外隱身涂料研究[J].光學技術，2005，4（31）：598.

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[10]于斌，齊魯.多功能隱身材料的研究與應用現狀[J].紅外技術，

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