[科普中国]-红外隐身材料

基本要求

利用涂料实现热红外隐身的基本要求是涂层的红外辐射特性与背景一致，一般通过测试涂层的红外发射率进行评价。一般而言，红外隐身可通过利用各种发射率的涂层对目标进行红外迷彩设计来实现。中高发射率涂层一般容易制备，关键是制备低发射率涂层，而且低发射率涂层也有专门的隐身用途，它对一些武器的发热部件具有明显的降低表观温度作用。

另外，涂层的热惯量也是研究涂层红外隐身性能的一个重要参数。热惯量是材料对温度变化热响应的量度。材料热惯量越小，在白天和晚上的表观温度相差越大；材料热惯量越大，在白天和晚上的表观温度相差越小。为了实现全天候红外隐身，涂层的热惯量应尽可能与背景材料的热惯量一致。1

发射率控制控制红外隐身材料的发射率主要用涂料和薄膜。涂料一般是采用具有较低发射率的涂料，以降低目标的红外辐射能量，且涂料还应具有较低的太阳能吸收率和一定隔热能力，以避目标表面吸热升温，并防止目标有过多热红外波段能量辐射出去。涂料通常由颜料和胶黏剂配制而成。

颜料颜料是影响红外隐身涂料性能的基本因素之一，其选用应符合以下要求：

(1)在红外波段有较低的发射率。

(2)在近红外波段具有较低的吸收率。

(3)能与雷达、可见光和近红外等波段的隐身要求兼容。

目前，用于红外隐身涂料配方中的颜料大致可分为金属颜料、着色颜料和半导体颜料。

胶黏剂胶黏剂是影响红外隐身涂料性能的另一个基本因素，其选用应符合以下要求：

(1)可保护颜料并在涂层的整个使用期内保持其红外特性不变。

(2)在所选光谱范围红外透明。目前在红外隐身涂料配方中使用的胶黏剂包括有机胶黏剂和无机胶黏剂，以有机胶黏剂使用最为广泛。

其他影响因素1)涂层厚度

涂层厚度对辐射带强度和谱带分辨率有很大影响。在常温下涂料的红外辐射性能主要取决于约35～40 um厚的表面层。当涂层厚度小于此值时，发射率与基体的性质和粗糙度有关；当涂层厚度大于160～170um时，涂层厚度对其辐射性能无影响。

2)涂覆工艺

涂覆工艺直接影响涂层的表面微结构形态和取向。测试结果表明，涂刷操作的不同就可使同配方涂层的发射率和反射率出现10%的偏差。刷涂的样品比用喷枪喷涂的样品发射率低，且物理性能更好；表面光滑的样品比表面粗糙的样品发射率低。从降低￡值考虑，涂层表面越光滑，￡值越低，但光滑表面对太阳辐射呈镜面反射，使目标在某一方位的辐射能量增加，造成目标被探测到的可能性增大。因此，当考虑目标对环境辐射能量的反射时，涂层表面应有一定的粗糙度，使之呈漫反射。

3)衬底

红外隐身涂料总要被涂敷在某一衬底(或载体)上使用，通过对铜、铝、铁、白金、溴化钾和玻璃在300℃下的辐射光谱可看出，大部分金属都有较低的比辐射率，而溴化钾和玻璃在低波数区有较高的比辐射率。因此，对涂料来讲，金属是非常好的载体，尤其是白金。即使在很高的温度下，也有极低的反应活性。资料表明，抛光的金属具有更低的发射率和更高的反射率，但抛光的金属表面黏附性不好，在进行涂敷时，除了应进行一般的除油处理外，还应进行表面磷酸化处理或阳极化处理，使之表面形成一层氧化层，从而增加其黏附性。同时，新形成的氧化膜对涂敷在其上面的涂料的红外辐射性能又形成新的影响，这方面的内容有待于进一步研究。1

种类举例航空红外隐身材料技术研究和应用较多的是低红外发射率材料、控温材料等。近年来，红外、厘米波兼容多频谱隐身材料、智能型红外隐身材料也成为研究的热点。

低红外发射率涂料低发射率材料通过调节目标表面发射率来控制红外辐射强度，材料形式以涂料为主，是红外隐身材料最主要的研究领域。低红外发射率涂料能降低目标自身的热辐射，同时具有使用方便、施工工艺简单等特点。

低红外发射率涂料主要由红外低辐射填料和低吸收或透明粘接剂两部分组成。

1)红外低辐射填料

低辐射填料是低红外发射率涂料的主要组成部分。填料的组成、尺寸形貌以及在涂层中的分散状态等都会直接影响低红外发射率涂料的辐射性能。

不透明体的反射率越高，发射率越低。因此，有较高反射率的金属填料是比较好的红外低辐射填料，如Al粉、Cu粉、Fe粉、zn粉等。石墨红外吸收率高，发射率也高；一些金属氧化物发射率较高；另一些则具有较高的红外透过率，它们对涂料的热红外隐身性能不会有负面影响。灿粉性能优良、价廉易得，成为金属填料的主要研究对象，其中包括灿粉的形态、粒径、在涂层中的含量等对低红外发射率涂层性能的影响。

2)红外低吸收或透明粘结剂

粘结剂一般对吸波涂层的电性能的影响很小，但对涂层红外辐射性能却有较大影响。曾有文献指出，红外隐身涂层在热红外波段的吸收能力至少有60%取决于粘结剂。2

低红外发射率薄膜低发射率薄膜是另一类有发展前景的红外隐身材料，是目前国内外研究的热点。这类材料按结构可分为金属膜、掺杂半导体膜、电介质/金属多层复合膜等。

低红外发射率薄膜的制备方法很多，主要方法包括溶胶一凝胶法、化学气相沉积法、真空蒸镀法和溅射法等。溶胶一凝胶法主要是通过喷涂或浸涂的方法将待镀材料的溶液，均匀地涂覆于加热的衬底上，使喷涂或浸涂上的溶液发生水解反应，从而形成薄膜；化学气相沉积法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用在基片表面的化学反应(热分解或化学合成)生成要求的薄膜；真空蒸镀法是在真空室中，通过电阻蒸发、电子束蒸发、高频感应蒸发等手段蒸发待形成薄膜的材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流至衬底表面凝结形成固态薄膜的方法；溅射法则是在真空室中，充以惰性气体，利用高频、高压电场作用产生高能量离子流轰击靶材，使得靶材表面原子或原子团逸出，然后在衬底的表面形成膜层，主要有直流、射频、磁控等方法，其中磁控溅射法是制备金属薄膜、掺杂半导体薄膜常用的方法。2

控温材料红外辐射强度与物体表面温度的四次方成正比，对温度变化更加敏感，控温材料即是通过控制材料表面温度来调节其红外辐射强度。目前研究的控温材料包括各种隔热材料、有源制冷材料和相变材料等。

隔热材料在红外隐身领域已得到了广泛应用，如针对目标的强热源部位的辐射抑制等。

有源制冷材料和相变材料在红外隐身领域的研究起步较晚，大致十来年的时间，其中有源制冷材料采用半导体制冷机理，具有较高的辐射控制效率，但带来功率负荷增加、结构复杂、重量增重以及多频谱兼容困难等问题，使其应用范围受到一定限制。相变控温材料是一类展现出良好应用前景的红外隐身材料，具有应用方便、形式多样、兼容性好等优点，例如美国采用微胶囊技术包覆脂肪烃，来降低目标红外可探测性。2

智能型红外隐身材料智能红外隐身材料即主动式红外隐身材料，代表了隐身材料技术研究的最先进方向。它是一种具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号做出最佳响应功能的材料系统或结构。材料由低发射率向可变发射率(自适应材料体系)方向发展；由单纯控发射率向控发射率/控温结合的方向发展。2