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红外隐身涂料黏合剂的应用与研究

2008-10-14 10:16
路过的码农
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    游毓聪1,杜仕国1,施冬梅1,纪占敏1,张彬2

 

    (1.军械工程学院,石家庄050003;2.63981部队,武汉430311)

 

    摘要:简要介绍了红外隐身涂料的隐身原理;综述了目前红外隐身涂料树脂的种类及研究现状;指出了红外隐身涂料的发展方向。

 

    关键词:隐身涂料树脂;隐身涂料;发射率;Kraton树脂

 

    红外探测指的是利用波长在3~15m的红外辐射特征谱进行探测的方法。在该波段,红外探测器主要是检测目标与背景本身温度差引起的热辐射差,利用其辐射的差别来识别目标,因此该波段的探测也称为热红外探测。考虑到所受的大气窗口的限制,红外探测器的实际工作波段为3~5μm和8~14μm。其热成像技术在军事领域的快速渗透,配以各种精确制导武器,使得军事目标只要被发现,基本上就能被摧毁,严重威胁到军事目标的生存。因此,以降低和削弱敌方红外探测设备效能为目的的红外隐身技术受到各国军方的广泛关注。

 

    红外隐身涂料以其独特的优点在热红外隐身技术研究中占有重要的地位。作为涂料必须具有一定的物理和化学性能。因此在红外隐身涂料黏合剂以及填料、颜料颗粒的红外隐身效果的研究中,必须对红外隐身涂料黏合剂本身的物理化学性能进行研究。

 

    1红外隐身的基本原理.

 

    红外探测系统是依靠探测目标自身和背景的辐射差别来发现和识别目标。红外隐身涂料主要针对红外热成像仪的侦察,旨在降低目标和背景的辐射差别,掩盖或变化目标在红外热像仪中的形状,降低其被发现和识别的概率。

 

    在斯蒂芬-玻耳兹曼定律中:

 

红外隐身涂料黏合剂的应用与研究

 

    式中:ε为物体的发射率;σ为斯蒂芬一玻耳兹曼常量;T为目标的绝对温度。从玻耳兹曼定律可以看出,实现红外隐身最有效的途径是降低材料的发射率和控制目标的表面温度。

 

    2黏合剂的要求和作用

 

    据研究,涂料在红外频段的吸收至少有60%取决于黏合剂。黏合剂是红外隐身涂料的基本组成部分,除了要满足力学性能和加工性能等一般要求外,还应具有在所选红外波段辐射率低、和填料有较好的相容性、与底材有较好的黏结性、工作条件下的结构稳定性等特点,同时能够保护填料在使用期间的红外特性不变、在所选波段红外透明。

 

    作为红外隐身涂料的黏合剂(通常也选用树脂),美国涂料技术协会研究结果表明,可以大致从有机化合物键和基团来判断其红外吸收能力。一般来说,所用树脂的红外发射率均较高,这是由于虽然大多数树脂在近外红波段无强烈吸收,但由于其中官能团的分子振动,如碳氢在3.3μm处、羰基在5.7μm处、碳氧在8.0μm处的伸宿振动,碳氢在7.0μm处的变形振动等都能引起树脂在热红外波段的强烈吸收。因此,选用不含这些官能基团的树脂可以减少材料在热 红外波段的强烈吸收。

 

    3黏合剂的种类

 

    可供选择的黏合剂分为有机和无机两大类,其中以有机黏合剂种类最多,目前研究的也最多。

 

    3.1无机黏合剂

 

    与有机黏合剂相比,无机黏合剂的主要缺点就是物理机械性能和工艺性能差,但若能克服这些缺点,无机黏合剂仍有着较大的应用前景。研究人员在比较了多种黏合剂后认为,无机磷酸盐黏合剂是较好的黏合剂品种。Kalvert等人研制了一种无机磷酸盐黏合剂,其组成为:磷酸24.2%(质量分数,以下同),氧化镁4.3%,铬酸4.7%,乙醇1.7%,水65.1%,并以此制成了红外发射率较低的涂料。

 

    3.2有机黏合剂

 

    有机黏合剂种类较多,其中以红外透明黏合剂和导电高分子黏合剂的研究较多,应用前景比较大。

 

    3.2.1红外透明黏合剂

 

    为降低热隐身涂料的发射率,既有较低的红外吸收率,又有较好的物理机械性能的红外透明聚合物是较理想的红外隐身涂料黏合剂。现有的对红外高透明的有机黏合剂有聚烯烃类(聚乙烯、氯化聚苯乙烯、乙烯与苯乙烯的共聚物,商品名称为Kraton),橡胶类(丁基橡胶、氯化橡胶和三元乙丙橡胶)以及其他聚合物(醇酸树脂、环氧树脂等)。其中Kraton在8~14μm范围内,透明度可达0.8,是比较理想的黏合剂。国内对三元乙丙橡胶进行改性或接枝聚合报道较多。董延庭等人通过改性方法用丙烯酸树脂单体对聚丁二烯和三元乙丙橡胶线型聚合物进行接枝聚合,对接枝聚合物的发射率、成膜性能和红外光谱特征进行了分析,研制出在红外波段透明性高、发射率低(最低可达0.19),且成膜性能优良的高透明红外隐身涂料黏合剂。张梅等人为克服三元乙丙橡胶(EPDM)其强度低、黏结力小和透气性差等缺点,进行环氧化改性及透气性改进,对红外发射率和织物各项性能进行了测试。结果表明,改性后的乙丙橡胶可以作为织物用伪装涂料黏合剂,并值得做进一步的研究。

 

    3.2.2导电或半导体高分子材料

 

    与红外透明黏合剂不同,导电高分子可直接提供热隐身效果,因此对制备热隐身涂料具有特殊意义。目前西方国家正在研究电导率随频率分布、红外发射率随时间改变的半导体聚合物,以用于热伪装。

 

    导电高分子材料按其组成和导电机理可以分为本征型和复合型。前者指聚合物本身具有导电性或经掺杂处理后才具有导电功能的聚合物,因其加工合成困难、成本高,仍处于研究阶段。所以研究重点为复合型导电高分子材料。其获得方法有两种:①在基体聚合物中填充各种导电填料;②将结构型导电聚合物或亲水性聚合物与基体聚合物共混。

 

    4黏合剂应用研发情况

 

    王庭慰按GB1727—79在马口铁板上制备漆膜。待漆膜固化后,采用红外辐射仪测定了各种基体树脂在波长为8~14μm下的红外辐射率,见表1。

 

表1各种基体树脂在波长为8?14μm下的红外辐射率

 

表1各种基体树脂在波长为8?14μm下的红外辐射率

 

    王自荣等人以ITO半导体为颜料(SnO2物质的量含量为5%),采用上海技术物理研究所研制的IR-01型发射率测量仪测量了不同黏合剂ITO涂料的发射率(见表2)。其试验结果表明以环氧树脂、醇酸树脂、聚氨酯漆、水晶漆为黏合剂的涂料的发射率都很高,均在0.8以上,这可能主要是由于黏合剂红外透明性低的缘故;以银粉漆为黏合剂的涂料发射率为0.753,这可能由于黏合剂中含有金属铝粉,致使发射率较低;以酚醛树脂为黏合剂的涂料发射率为0.673,以KRATON树脂为黏合剂的涂料发射率最低,为0.624,这主要是由于黏合剂的良好红外透明性引起的。

 

表2不同黏合剂ITO涂料的发射率

 

表2不同黏合剂ITO涂料的发射率

 

    5发展前景

 

    新一代红外隐身涂料的发展,以开拓宽频带,多大气窗口兼容,同时满足可见光、雷达隐身为主要方向,且在保持优良的隐身性能的同时,需进一步加强控制涂层发射率的能力。除此以外,黏合剂和多种涂料添加剂应能不断推陈出新,掌握在较大范围内自由调控发射率的配方技术,以满足不同场合的使用需求。

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