热红外伪装涂料研究进展及发展趋势
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势 , 它们的红外发射率低 、厚度小 、重量轻 , 一般采用 磁控溅射方法 , 膜层厚度小于 1 μm , 分为金属膜 、半 导体参杂膜 、电介质膜 、类金刚石膜等[ 4] 。据报道采 用 IT O(S tannum Doped Indi um Oxide)半导体粉末 为颜料的涂料作为隐身材料 , 其红外发射率仍高达 0.6 ～ 0.7 , 这是因为不导电的粘合剂使涂料的发射 率增大 , 并且 IT O 颜料比例较大 , 成本高 。 IT O 膜 很轻 , 其红外发射率随方块电阻减小而减小 , 高品质 IT O 膜的红外发射率能够降低到 0.1 以下[ 9] , 可以 作为涂层和材料降低涂料表面的发射率 , 因此 , IT O 膜作为红外隐身材料近年来备受重视 。
热红外伪装材料是指用于减弱武器系统热红外 特征信号 , 达到伪装技术要求的材料 。 热红外伪装 材料具有阻隔武器装备热红外辐射的能力 , 同时在 大气窗口波段内具有低的红外发射率[ 3] 。 按照作用 原理 , 红外隐身材料可分为控制发射率和控制温度 两类[ 4] 。
军事伪装通常采用迷彩变形方法 , 三色或四色 迷彩涂料具有不同的热红外发射率 , 使目标在热图 中呈现灰度不同的斑点 , 从而分割目标外形 , 造成敌 方识别困难 。实际背景中 , 绿色植被与裸露土壤都 具有较高的发射率 , 但在阳光照射下 , 绿色植被由于 蒸腾作用 、光合作用等 , 表面温度较低 , 呈暗色调 ;而 传统迷彩涂料在阳光照射下升温迅速 , 热红外特征 明显(图 1)。
常用的金属颜料包括片状 、颗粒状的铝粉 、铜粉 等 , 在伪装涂料中使用金属颜料可以显著降低涂层 的热红外发射率 。在相同条件下 , 片状金属粉对降 低涂层发射率的效果比颗粒状金属粉要好 。华东理 工大学国家超细粉末工程研究中心将表面包覆了一 层二氧化硅的片状铝粉用作热红外隐身涂料颜料 , 很好地解决了铝粉抗氧化性弱的缺点 , 所得涂料的 发射率仅为 0.35 。 用此类技术研制的涂料已在个 别新型装备上开始试用 , 从试用的效果来看 , 这类伪 装涂料存在以下问题 :1)利用高反射率金属铝粉为 颜料 , 虽然能够达到涂料的低发射率性能要求 , 经红 外热像仪测试 , 可以实现热红外图像分割的效果 , 但 是金属铝粉颜料的着色力强 , 难以制备出在可见光 、 近红外波段兼容的迷彩涂料 , 这种方法制备的三色 迷彩颜色与背景差别较大 , 无法满足现代武器装备 的多波段隐身要求[ 6] 。 2)金属颜料增加了对雷达 波 、可见光和激光的反射 , 不利于激光和雷达隐身 。 因此在制 备热 红 外隐 身 涂料 时 应慎 重 选 择金 属 颜料[ 7] 。
关键词 :热红外 ;发射率 ;半导体颜料 ;智能伪装 中图分类号 :T N 219 文献标志码 :A
热红外侦察技术作为军事 侦察的一个重 要手 段 , 在侦察 、精确制导等方面有着重要的应用 。随着 探测器性能的提高 , 对军事装备的威胁也逐渐增大 。 热红 外 成 像 仪 器 的 空 间 分 辨 率 已 达 0.1 ～ 0.2 mrad , 温度分辨率可达 0.1 0.3 ℃。 据不完全统 计 , 过去 10 年中被击落 、击毁的武器装备有 90 %以 上是热红外制导导弹的牺牲品[ 1] 。热红外伪装技术 的研究与应用 , 是我军装备现代化防护技术中不可 缺少的组成部分 。
1 热红外仪器的侦察原理
热红外侦察与制导武器的工作原理是通过目标 与背景的热红外辐射能量之差来分辨目标[ 2] 。 根据 斯蒂芬 —玻耳兹曼定律 :
Mb =εδT4 式中 :Mb 为 辐 射强 度 , ε为表 面 发射 率 , δ为 斯蒂 芬 —玻耳兹曼常数 , T 为绝对温度 , 单位为 K 。 热红 外侦察系统通过探测目标表面的辐射强度来反演目 标表面的热红外特征 , 从而在复杂背景中把目标识 别出来 。由于目标发射率和波长的非线性关系 , 热 红外探测器测 量得到的目标表面温度 并非真实温 度 , 而是由目标真实温度和发射率决定的虚拟温度 。
金属颜料的发射率较低 , 随着温度的升高而增 大 , 当表面形成氧化层时 , 发射率会成倍地增加 ;金 属氧化物 、硫化物颜料的发射率一般大于 0.8 , 并随
着温度增加而降低 。实际背景的发射率一般较高 , 在 20 ℃下 , 普通红砖的发射率为 0.93 , 干燥土壤的 发射率为 0.92 , 而含有饱和水的土壤发射率为 0.95 以上[ 5] 。 金属与其它非透明材料的辐射 , 发生在表 面几个微米内 , 因此发射率是表面状态和涂料本身 特性的函数 , 受基材的影响较小 , 但是如果颜料和树 脂的热红外透明性很好 , 则涂料的发射率受基材的 影响较大 。
[ 参考文献]
[ 1] Yero khin A L , Nin X , Ley land A , e t a l.Plasma electrolysis fo r surface enginee ring[ J] .Surf Coa t T echno l, 1999 , 122 :73-93. [ 2] Gnedenkov S V , K hrisanfov a O A , Zav idnay a A G , et al . Pr oductio n o f ha rd and heat-r esistant co ating s on aluminium using a plasma micr o-dischar ge [ J] .Surf Co at T echnol , 2000, 123:24 . [ 3] W U H anhua , L U Xiany i, LO NG Beihong , et a l.T he effects of ca tho dic and ano dic vo ltag e o n the cha racteristics of po rous nanocr ystalline titania coating s fabricated by micr oarc oxidation[ J] .M ater Le tt, 2005 , 59:370-375.
热红外伪装涂料研究进展及发展趋势
张朝阳 , 程海峰 , 陈朝辉 , 郑文伟
(国防科技大学 航天与材料工程学院 新型陶瓷纤 维及复合材料重点实验室 , 湖南 长沙 410073)
摘 要 :热红外侦察是当前武器装备在战场中面临的重要威胁 。本文阐述了热红外伪装的基本原理 和手段 , 介绍了热红外伪装涂料用的颜料和粘合剂的发展现状 , 指出了现有伪装涂料的不足之处以及改善 方法 。另外 , 对热红外伪装的未来发展趋势作了阐述 , 分析了智能伪装材料和基因伪装材料在对抗热红外 侦察上的优越性 。
在热红外波段 , 地物的升降温速度与其表面的 可见光吸收率 、红外发射率以及与空气的热接触 、热 传导 、热容量以及大气湿度有关 。 要使目标在热红 外波段有较好的伪装效果 , 就必须减小目标与背景 在热红外探测器上的虚拟温度差别 。
外观和截面形貌进行观察 , 形貌均匀 , 膜层结 合致 密 , 截面由基体向外分为 3 层结构 ;通过 XRD 物相 分析 , 生成的微弧氧化膜接近于陶瓷材料的组成 , 主 体部分是在基体上原位生长的 A l2 O 3 陶瓷相 , 赋予 铝合金氧化膜高硬度 、好的耐腐蚀性能和良好的绝 缘性能 。
除传统的颜料以外 , 近几年来 , 研究人员也在不 断地寻找新的低发射率颜料 。半导体材料可以通过 不同的制备工艺实现较低的发射率 , 受到了广泛的 关注 。 在普通颜料上用阴极雾化法沉积陶瓷金属和 利用二维光栅原理在颜料表面沉积半导体技术等 , 都能比较显著地降低涂料的红外发射率[ 8] 。
薄膜材料应用到 红外隐身方面具有很大的优
作者简介 :阎峰云(1962-), 男 , 教 授 , 主 要研究方向 为镁合 金 及其半固态成型 , 有色金属压铸 , 轻合金表面微 弧 氧化处理技术研究等 。
收稿日期 :2007 年 7 月 6 日
责任编辑 王亚昆
· 88 ·
《新技术新工艺》 ·材料与表面处理技术 2007 年 第 12 期
A T O(A nt imony Doped T in Oxide)有较 低的
《新技术新工艺》 ·材料与表面处理技术 2007 年 第 12 期
· 89 ·
红外发射率 。将 A T O 粉末作为低发射率颜料用到 涂料中 , 制成红外迷彩涂料 , 不但可以起到红外隐身 的效果 , 而且机械性能和着色力等物理性能也很好 , 是一种性能优良的热红外低发射率材料 。经研究表 明 , 粒度分布均匀的 A T O 粉末在涂料中的 分散效 果好 , 在热红外波段的散射率强 、发射率较低 , 制备 这种单分散粉末多采用共沉淀法[ 10] 。北京 航空航 天大学材料物理研究中心利用磁控溅射在玻璃衬底 上制备了 具有良 好光谱 选择 性透过 的 T iO 2/A g/ T iO 2纳米多层膜 。 样品的可见光透过率最高 可达 94.5 %, 2 500 nm 波长 处 反射 率 大于 65 %。 8 ～ 14 μm波段红外发射率 ε<0.2 , 具有作为多波段隐 身材料的应用前景[ 11] 。
2 热红外伪装涂料用颜料的研究进展
颜料在涂料中占有较大的比例 , 决定了涂料的 光谱反射特性和可见光 、近红外波段的伪装性能 , 对 涂料的热红外性能也有着重要的影响 。 伪装涂料中 用到的颜料主要包括了金属颜料 、金属氧化物颜料 、 金属硫化物颜料 、金属盐类颜料 、半导体颜料 、有机 颜料等 。 有机 颜料由于耐光老 化性能较差使 用较 少 ;无机颜料在伪装涂料中应用较多 , 有很多优异性 能 :遮盖力好 、耐光性好 、不易分解和耐高温等 ;同时 又有不足之处 , 如着色力偏低 、粒子较硬 、颜色不够 齐全 、色彩不够鲜艳等 。
a)照片 b)热红外图像 图 1 伪 装涂料与绿色植被在阳光下的热红外图像对比
涂料由粘合剂和颜料组成 , 根据前面讲述的原 理 , 要控制涂料的热红外特征 , 就要降低表面温度和 发射率 , 控制表面温度可以选用热容量比较大的颜 料 , 但是由于武器装备表面涂层厚度的限制 , 使这种 方法在调解目标表面温度中的作用很有限 ;另外一 种降低热红外特征的手段就是降低涂层的表面发射 率 , 从而达到降温的目的 。 目前的伪装涂料发射率 偏高 , 所以研究的热点集中在选择和研制发射率比 较低的颜料和粘合剂上面 。
[ 4] LO N G Beiyu , W U Hanhua , LO NG Beihong , et al. Effects of electr oly te solution o n phase com po nent and elementa ry composition o f M A O coating s on aluminium alloy [ J] .Journal of Jilin U niver sity (Science Edition), 2005, 43 (1):68-72 . [ 5] Nie X , M eletis E I , JIA N G J C , et al.Abr asive wear / co rro sion pr operties and T EM analy sis o f A l2 O3 coa ting s fabrica ted using pla sma electro ly sis[ J] .Surf Coa t T echno l, 2002 , 149 :245-251. [ 6] 李云雁 , 胡传 荣 .试验 设计与 数据 处理[ M] .北京 :化 学 工业出版社 , 2005 . [ 7] 龚巍巍 , 张 乐 , 吴 晓铃 , 等 , 镁合 金等 离子体 微弧 氧化 过 程控制研究[ J] .材料热处理学报 , 2005(2):77-80 .
热红外伪装材料是指用于减弱武器系统热红外 特征信号 , 达到伪装技术要求的材料 。 热红外伪装 材料具有阻隔武器装备热红外辐射的能力 , 同时在 大气窗口波段内具有低的红外发射率[ 3] 。 按照作用 原理 , 红外隐身材料可分为控制发射率和控制温度 两类[ 4] 。
军事伪装通常采用迷彩变形方法 , 三色或四色 迷彩涂料具有不同的热红外发射率 , 使目标在热图 中呈现灰度不同的斑点 , 从而分割目标外形 , 造成敌 方识别困难 。实际背景中 , 绿色植被与裸露土壤都 具有较高的发射率 , 但在阳光照射下 , 绿色植被由于 蒸腾作用 、光合作用等 , 表面温度较低 , 呈暗色调 ;而 传统迷彩涂料在阳光照射下升温迅速 , 热红外特征 明显(图 1)。
常用的金属颜料包括片状 、颗粒状的铝粉 、铜粉 等 , 在伪装涂料中使用金属颜料可以显著降低涂层 的热红外发射率 。在相同条件下 , 片状金属粉对降 低涂层发射率的效果比颗粒状金属粉要好 。华东理 工大学国家超细粉末工程研究中心将表面包覆了一 层二氧化硅的片状铝粉用作热红外隐身涂料颜料 , 很好地解决了铝粉抗氧化性弱的缺点 , 所得涂料的 发射率仅为 0.35 。 用此类技术研制的涂料已在个 别新型装备上开始试用 , 从试用的效果来看 , 这类伪 装涂料存在以下问题 :1)利用高反射率金属铝粉为 颜料 , 虽然能够达到涂料的低发射率性能要求 , 经红 外热像仪测试 , 可以实现热红外图像分割的效果 , 但 是金属铝粉颜料的着色力强 , 难以制备出在可见光 、 近红外波段兼容的迷彩涂料 , 这种方法制备的三色 迷彩颜色与背景差别较大 , 无法满足现代武器装备 的多波段隐身要求[ 6] 。 2)金属颜料增加了对雷达 波 、可见光和激光的反射 , 不利于激光和雷达隐身 。 因此在制 备热 红 外隐 身 涂料 时 应慎 重 选 择金 属 颜料[ 7] 。
关键词 :热红外 ;发射率 ;半导体颜料 ;智能伪装 中图分类号 :T N 219 文献标志码 :A
热红外侦察技术作为军事 侦察的一个重 要手 段 , 在侦察 、精确制导等方面有着重要的应用 。随着 探测器性能的提高 , 对军事装备的威胁也逐渐增大 。 热红 外 成 像 仪 器 的 空 间 分 辨 率 已 达 0.1 ～ 0.2 mrad , 温度分辨率可达 0.1 0.3 ℃。 据不完全统 计 , 过去 10 年中被击落 、击毁的武器装备有 90 %以 上是热红外制导导弹的牺牲品[ 1] 。热红外伪装技术 的研究与应用 , 是我军装备现代化防护技术中不可 缺少的组成部分 。
1 热红外仪器的侦察原理
热红外侦察与制导武器的工作原理是通过目标 与背景的热红外辐射能量之差来分辨目标[ 2] 。 根据 斯蒂芬 —玻耳兹曼定律 :
Mb =εδT4 式中 :Mb 为 辐 射强 度 , ε为表 面 发射 率 , δ为 斯蒂 芬 —玻耳兹曼常数 , T 为绝对温度 , 单位为 K 。 热红 外侦察系统通过探测目标表面的辐射强度来反演目 标表面的热红外特征 , 从而在复杂背景中把目标识 别出来 。由于目标发射率和波长的非线性关系 , 热 红外探测器测 量得到的目标表面温度 并非真实温 度 , 而是由目标真实温度和发射率决定的虚拟温度 。
金属颜料的发射率较低 , 随着温度的升高而增 大 , 当表面形成氧化层时 , 发射率会成倍地增加 ;金 属氧化物 、硫化物颜料的发射率一般大于 0.8 , 并随
着温度增加而降低 。实际背景的发射率一般较高 , 在 20 ℃下 , 普通红砖的发射率为 0.93 , 干燥土壤的 发射率为 0.92 , 而含有饱和水的土壤发射率为 0.95 以上[ 5] 。 金属与其它非透明材料的辐射 , 发生在表 面几个微米内 , 因此发射率是表面状态和涂料本身 特性的函数 , 受基材的影响较小 , 但是如果颜料和树 脂的热红外透明性很好 , 则涂料的发射率受基材的 影响较大 。
[ 参考文献]
[ 1] Yero khin A L , Nin X , Ley land A , e t a l.Plasma electrolysis fo r surface enginee ring[ J] .Surf Coa t T echno l, 1999 , 122 :73-93. [ 2] Gnedenkov S V , K hrisanfov a O A , Zav idnay a A G , et al . Pr oductio n o f ha rd and heat-r esistant co ating s on aluminium using a plasma micr o-dischar ge [ J] .Surf Co at T echnol , 2000, 123:24 . [ 3] W U H anhua , L U Xiany i, LO NG Beihong , et a l.T he effects of ca tho dic and ano dic vo ltag e o n the cha racteristics of po rous nanocr ystalline titania coating s fabricated by micr oarc oxidation[ J] .M ater Le tt, 2005 , 59:370-375.
热红外伪装涂料研究进展及发展趋势
张朝阳 , 程海峰 , 陈朝辉 , 郑文伟
(国防科技大学 航天与材料工程学院 新型陶瓷纤 维及复合材料重点实验室 , 湖南 长沙 410073)
摘 要 :热红外侦察是当前武器装备在战场中面临的重要威胁 。本文阐述了热红外伪装的基本原理 和手段 , 介绍了热红外伪装涂料用的颜料和粘合剂的发展现状 , 指出了现有伪装涂料的不足之处以及改善 方法 。另外 , 对热红外伪装的未来发展趋势作了阐述 , 分析了智能伪装材料和基因伪装材料在对抗热红外 侦察上的优越性 。
在热红外波段 , 地物的升降温速度与其表面的 可见光吸收率 、红外发射率以及与空气的热接触 、热 传导 、热容量以及大气湿度有关 。 要使目标在热红 外波段有较好的伪装效果 , 就必须减小目标与背景 在热红外探测器上的虚拟温度差别 。
外观和截面形貌进行观察 , 形貌均匀 , 膜层结 合致 密 , 截面由基体向外分为 3 层结构 ;通过 XRD 物相 分析 , 生成的微弧氧化膜接近于陶瓷材料的组成 , 主 体部分是在基体上原位生长的 A l2 O 3 陶瓷相 , 赋予 铝合金氧化膜高硬度 、好的耐腐蚀性能和良好的绝 缘性能 。
除传统的颜料以外 , 近几年来 , 研究人员也在不 断地寻找新的低发射率颜料 。半导体材料可以通过 不同的制备工艺实现较低的发射率 , 受到了广泛的 关注 。 在普通颜料上用阴极雾化法沉积陶瓷金属和 利用二维光栅原理在颜料表面沉积半导体技术等 , 都能比较显著地降低涂料的红外发射率[ 8] 。
薄膜材料应用到 红外隐身方面具有很大的优
作者简介 :阎峰云(1962-), 男 , 教 授 , 主 要研究方向 为镁合 金 及其半固态成型 , 有色金属压铸 , 轻合金表面微 弧 氧化处理技术研究等 。
收稿日期 :2007 年 7 月 6 日
责任编辑 王亚昆
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《新技术新工艺》 ·材料与表面处理技术 2007 年 第 12 期
A T O(A nt imony Doped T in Oxide)有较 低的
《新技术新工艺》 ·材料与表面处理技术 2007 年 第 12 期
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红外发射率 。将 A T O 粉末作为低发射率颜料用到 涂料中 , 制成红外迷彩涂料 , 不但可以起到红外隐身 的效果 , 而且机械性能和着色力等物理性能也很好 , 是一种性能优良的热红外低发射率材料 。经研究表 明 , 粒度分布均匀的 A T O 粉末在涂料中的 分散效 果好 , 在热红外波段的散射率强 、发射率较低 , 制备 这种单分散粉末多采用共沉淀法[ 10] 。北京 航空航 天大学材料物理研究中心利用磁控溅射在玻璃衬底 上制备了 具有良 好光谱 选择 性透过 的 T iO 2/A g/ T iO 2纳米多层膜 。 样品的可见光透过率最高 可达 94.5 %, 2 500 nm 波长 处 反射 率 大于 65 %。 8 ～ 14 μm波段红外发射率 ε<0.2 , 具有作为多波段隐 身材料的应用前景[ 11] 。
2 热红外伪装涂料用颜料的研究进展
颜料在涂料中占有较大的比例 , 决定了涂料的 光谱反射特性和可见光 、近红外波段的伪装性能 , 对 涂料的热红外性能也有着重要的影响 。 伪装涂料中 用到的颜料主要包括了金属颜料 、金属氧化物颜料 、 金属硫化物颜料 、金属盐类颜料 、半导体颜料 、有机 颜料等 。 有机 颜料由于耐光老 化性能较差使 用较 少 ;无机颜料在伪装涂料中应用较多 , 有很多优异性 能 :遮盖力好 、耐光性好 、不易分解和耐高温等 ;同时 又有不足之处 , 如着色力偏低 、粒子较硬 、颜色不够 齐全 、色彩不够鲜艳等 。
a)照片 b)热红外图像 图 1 伪 装涂料与绿色植被在阳光下的热红外图像对比
涂料由粘合剂和颜料组成 , 根据前面讲述的原 理 , 要控制涂料的热红外特征 , 就要降低表面温度和 发射率 , 控制表面温度可以选用热容量比较大的颜 料 , 但是由于武器装备表面涂层厚度的限制 , 使这种 方法在调解目标表面温度中的作用很有限 ;另外一 种降低热红外特征的手段就是降低涂层的表面发射 率 , 从而达到降温的目的 。 目前的伪装涂料发射率 偏高 , 所以研究的热点集中在选择和研制发射率比 较低的颜料和粘合剂上面 。
[ 4] LO N G Beiyu , W U Hanhua , LO NG Beihong , et al. Effects of electr oly te solution o n phase com po nent and elementa ry composition o f M A O coating s on aluminium alloy [ J] .Journal of Jilin U niver sity (Science Edition), 2005, 43 (1):68-72 . [ 5] Nie X , M eletis E I , JIA N G J C , et al.Abr asive wear / co rro sion pr operties and T EM analy sis o f A l2 O3 coa ting s fabrica ted using pla sma electro ly sis[ J] .Surf Coa t T echno l, 2002 , 149 :245-251. [ 6] 李云雁 , 胡传 荣 .试验 设计与 数据 处理[ M] .北京 :化 学 工业出版社 , 2005 . [ 7] 龚巍巍 , 张 乐 , 吴 晓铃 , 等 , 镁合 金等 离子体 微弧 氧化 过 程控制研究[ J] .材料热处理学报 , 2005(2):77-80 .