基于包膜铝粉的低明度低发射率涂层制备及其应用_张海永.pdf

：基于包膜铝粉的低明度低发射率涂层制备及其应用收稿日期：；修回日期：。基金项目：国家自然科学基金资助项目（）。作者简介：张海永（），男，高级工程师，博士，主要研究方向为海洋工程装备保障与腐蚀防护及新材料应用。通信作者：陶益杰（），男，副教授，博士，。张海永，李亮，曹京宜，殷文昌，陶益杰（部队，北京 ；湖南大学 材料科学与工程学院，长沙 ）摘要：针对车辆等装备的低温热源部位红外隐身受限于红外特性屏蔽与可见光隐身特性兼容的难点，提出了一种基于包膜铝粉技术的低明度低发射率涂层制备方法。首先，利用油酸刻蚀包膜铝粉，显著降低了铝粉的明度，同时不影响其发射率性能；然后，利用包膜铝粉与玻璃微珠、红外透明颜料、树脂等相结合，成功制备了明度低于、发射率低于 的红外隐身涂层，并将该涂层应用于车辆轮毂以及舰船模型的喷涂。结果表明：该方法所制备的涂层在显著降低目标亮度的同时，还能有效屏蔽目标的红外辐射特性，达到良好的光学与红外兼容隐身效果，可用于车辆等装备的低温热源部位红外隐身。关键词：包膜铝粉；低发射率；隔热涂层；红外隐身中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；低明度低发射率涂层因涉及光学与红外的兼容而成为伪装领域的难点，原因主要是用于降低发射率的铝粉往往具有较高的明度，且应用于涂层后导致其明度往往无法降低。低明度低发射率涂层的缺失，使车辆轮毂、发动机盖板等车辆热源部位的红外隐身成为难点。另外，随着海军舰船的深海远洋航行，暗色低辐射特性的水面背景也 使 低 明 度 低 发 射 率 涂 层 的 需 求 日 益 迫第 卷第期 年月 海军工程大学学报 切。为实现低明度低发射率涂层的制备，汪小舟等将 粉末与胶原结合，制备了颜色可设计的低发射率涂层，发射率低至 左右。半导体填料虽然对涂层颜色影响较小，但其降低发射率的幅度有限。李卫等利用碳黑覆盖铝粉粒子实现了低发射率涂层的制备，其明度为 时发射率仅，表明铝粉应用于低明度低发射率涂层的可行性。刘云峰采用无机颜料包膜铝粉的方法，制备了一系列低明度低发射率涂层，明度范围为 ，发射率为，但其制备过程相对复杂，不易于大规模应用。虽然目前针对低明度低发射率涂层的制备有一定研究，但总体而 言，仍 存 在 明 度 和 发 射 率 不 够 低 等 问题。本文通过选取具有一定红外透过特性的有机颜料为主体，利用油酸刻蚀包膜的方法在铝粉表面形成均匀的膜层，制备了一系列低明度低发射率填料，再将其与普通颜料和隔热填料相结合，实现明度仅、发射率仅且具有一定隔热效应的红外隐身涂层，在车辆轮毂、舰用涂装上具有良好的红外隐身效果。实验材料及仪器材料：片状铝粉购于广州璟泰化工有限公司，永固黄、酞菁蓝、中铬黄、玻璃微珠等颜填料购自湖南巨发科技有限公司，丙烯酸环氧树脂溶剂、油酸等均为自行采购，金属船模由中船 所船模中心提供。仪器；电热鼓风干燥箱（上海恒科学仪器有限公司）；型紫外可见分光光度计（岛津企业管理（中国）有限公司）；扫描电子显微镜（日立高新技术公司）；美国 公司 便携式红外光谱发射率仪；日本尼康公司 数码相机；美国 公司的 红外热像仪。有色铝粉的制备按一定原料质量比称取油性非浮型铝粉、颜料、二甲苯、油酸和硅烷偶联剂，然后，在加有氧化锆球的容器中进行高速分散研磨，研磨速度为 、研磨时间为，研磨过程中需根据溶剂挥发情况适时补充溶剂，得到包膜铝粉浆；对包膜铝粉浆采用真空抽滤的方式除掉其中的溶剂，得到包膜铝粉，将包膜铝粉使用乙醇清洗、在 的速度下分散 ，确保铝粉表面能被清洗干净，重复清洗次，再将产物在 的条件下进行真空干燥，直至乙醇完全挥发，得到包膜铝粉成品。低发射率涂层的制备包膜铝粉涂层的制备采用 份铝粉、份溶剂、份 丙 烯 酸 树 脂 互 混，并 采 用 分 散 机 高速分散后，直接在环氧树酯板上进行喷涂成膜，烘干 使其固化，待冷却后进行测试。黑色低发涂层的色坐标依据军用车辆轮毂色确定，其明度值不高于。涂层的具体配方是份黑色包膜铝粉、份绿色包膜铝粉、份红色包膜铝粉、份黑色颜料、份红色颜料、份溶剂、份丙烯酸、份功能助剂相互混合，采用分散机高速分散 后在环氧树脂板表面进行喷涂，烘干固化 后，冷却待测试。样品的测试与表征包膜铝粉的表面形貌由 扫描电子显 微 镜 获 取，铝 粉 及 涂 层 的 反 射 光 谱 由 型紫外可见分光光度计采集，其色坐标由反射率值计算，涂层板、样品照片及红外图像分别由 相机和 红外热像仪采集。外场样品主要选取车辆轮毂部位和舰船模型，将车辆的后轮喷涂涂层，前轮不喷作为对比样品，而舰船模型则整体喷涂涂层，并采集在水面情况下喷涂前后的红外热图进行比对分析。外场测试的地点为湖南长沙，时间为 年月日，气温 ，车轮轮毂测试时，先进行跑车，车辆行驶方案为高速行驶 （平均时速 ），低速行驶 （平均时速 ）。舰船模型测试时，先太阳照射 ，待舰船温度平衡后进行测试。结果与讨论有色铝粉的测试与分析颜料粒子在铝粉表面的分布状态将同时影响铝粉的光谱特性和红外发射率特性。笔者的工作海军工程大学学报第 卷实现了多种颜料包膜铝粉材料的制备，并选取了黄色和黑色包膜铝粉进行形貌分析（见图）。由图可见，包膜铝粉呈现片状结构，片状大小为 左右，与原铝粉尺寸相当，即包膜的颜料在铝粉表面的沉积厚度较小，可能对铝粉的红外发射率影响较小。另外，片状表面均匀分布所包膜的颜料粒子，且表面趋于细微粗糙，该形貌有利于增加铝粉表面的漫反射、降低镜面反射，从而可能进一步降低粉体的明度。原始铝粉和未加油酸黑色包膜铝粉对应的扫描电镜照片如图所示。图黄色和黑色包膜铝粉的扫描电镜照片 图原始铝粉和未加油酸黑色包膜铝粉的扫描电镜照片 对比图与图可以发现，原始铝粉表面光滑，包覆后铝粉表面粗糙，证明颜料颗粒成功附着在铝粉表面。图（）与图（）相比，添加油酸后包覆铝粉表面附着的颜料明显多于未添加油酸的，且颜料在表面分布得相对均匀。各颜色包膜铝粉的光谱反射曲线如图所示。由图可见，未包膜的铝粉在可见光和近红外波段均具有较高反射，导致了铝粉涂料的明度较高，而包膜后，在各颜色范围均有明显的特征吸收，如黄色包膜铝粉在 的反射率低至 左 右。另 外，绿 色 包 膜 铝 粉 在 和 的反射率低至左右，表明颜料包膜的方法可较好地降低铝粉反射。图包膜铝粉的反射光谱 各颜色包膜铝粉的颜色坐标及发射率信息如表所示。表包膜铝粉的颜色坐标及发射率 铝粉颜色颜色坐标发射率 未包覆.黄色.蓝色.黑色.绿色.红色.未包膜时，铝粉涂层的明度达到 左右，和 发射率均低于。包膜的铝粉除明度降低外，其对应的色坐标值也明显提高，如红色包膜铝粉的值达到 以上，绿色的值低于，均表明包膜铝粉具备一定的颜料功能。另外，作为核心指标，可以看到包膜后的铝粉发射率有一定升高，但均在左右，仍处于低发射率范围。这是因为颜料粒子包覆在铝粉表面，第期张海永 等：基于包膜铝粉的低明度低发射率涂层制备及其应用改变了片状铝粉表面状态，由镜面反射变成了漫反射，使得铝粉的发射率升高，明度越低时，铝粉表面所附着的颜料粒子越多，导致明度越低，发射率越高。低发射率涂层的测试为验证包膜铝粉的低明度和低发射率特性效果，结合颜料设计制备了暗色的低发射率涂层，该类涂层颜色与现有车辆轮毂等相似。低发射率涂层的反射光谱和颜色照片如图、所示。由图可见，其在 的平均反射率低于，外观呈现为一种黑色涂层样式。另外，该涂层内加入了一定量的玻璃微珠填料，较普通涂层具有一定的隔热效果。图低发射率涂层的反射光谱 图低发射率涂层的光学照片 该涂层的颜色坐标为（，），和 发射率分别为 和。该涂层在明度仅 的条件下，发射率低于，即目标一半的辐射能被涂层所屏蔽。红外隐身性能的测试将车辆后车轮喷涂所制备的黑色低发涂层，前轮不作处理作为对比样，并在跑车实验后进行红外特性测试。车辆轮毂正午时分的光学与红外热图如图所示。正午时草地背景的辐射温度为，车身平均辐射温度为 ，而前车轮的辐射温度为，与背景温差达到 ，后车轮喷涂低发涂层后，平均辐射温度为，且最高辐射温度为，与背景的辐射温差仅为。图车辆轮毂正午时分光学和红外热图 夜晚跑车后车辆草地背景的光学与红外图像如图所示。由图可见，夜晚时草地背景的辐射温度为，上车身平均辐射温度为，而前车轮的辐射温度为，与背景温差达到 ，后车轮喷涂隐身涂层后的平均辐射温度为，且最高辐射温度为 ，与背景的辐射温差仅为。图车辆轮毂夜晚时段光学和红外热图 以上测试表明：涂覆涂层后，车辆达到了良好的红外隐身效果，且其光学对比度也明显降低。舰船模型喷涂低发涂层前后的光学照片如图所示。喷涂前舰船整体亮度约为 左右，明显亮于水面背景，特别是远海区域，其水面背景的亮度接近于黑色。而喷涂低发涂层后，整体模型的亮度仅 左右，低于背景的普通水体，更适用于远洋背景颜色。舰船模型在正午时分的红外热图如图所示。在没有热源的条件下，模型的辐射温度远高于水体，平均辐射温度达到 ，与背景辐射温差达到以上，而喷涂低发涂层后，模型的辐射温度明显下降，平均辐射温度为 左右，海军工程大学学报第 卷与普通水体已较接近，此时整体辐射温差仅在以内，体现出良好的红外隐身性能。图舰船模型喷涂前后光学照片 图舰船模型在正午时分的红外热图 结论本文通过油酸刻蚀的方法制备了一系列有色低发射率铝粉，并通过颜料配色等，成功制成了明度仅、发射率低于的低发射率涂层制备；将该涂层应用于车辆轮毂、舰船模型等进行隐身性能验证，发现其可在显著降低目标亮度的同时，有效屏蔽目标的红外辐射特性，从而达到良好的光学与红外兼容隐身效果。参考文献（）：张伟钢，徐国跃，徐飞凤，等 颜料含量对复合涂层红外发射率的作用机制研究 光谱学与光谱分析，（）：，（）：（），：，（）：张晗，闫大海，钱治强 水面舰船隐身技术研究 舰船科学技术，（）：，（）：（）文娇，李介博，孙井永，等红外探测与红外隐身材料研究进展 航空材料学报，（）：，（）：（）徐冰洁，陈琦，刘鹏飞，等高发射率红外辐射材料的研究 进 展 功 能 材 料，（）：，（）：（）汪小舟，周钰明 胶原氧化铟锡复合红外低发射率涂料的制备及性能研究 材料保护，（）：，（）：（）李卫，徐国跃，刘宁，等 粘度对红外低发射率灰色涂层性能的影响 红外技术，（）：，（）：（）刘云峰低明度多色系铝粉颜料的制备及红外特性研究 成都：电子科技大学，：（下转第 页）第期张海永 等：基于包膜铝粉的低明度低发射率涂层制备及其应用 ，：，（）：，：，：，：，（）：，（），：，：，：，：，（）（），：，：时俊楠，金久才，张杰 无人船监视图像反光区域检测与去除方法及实验验证 海洋科学，（）：，（）：（），（）：，：，（）：，（）：（上接第页）张伟钢，张涛，吕丹丹 疏水型近红外低反射与 低发射率兼容涂层的制备及性能表征 功能材料，（）：，（）：（）吴护林，朱敏 红外低发射率颜料制备及其可见光红外特性研究 表面技术，（）：，（）：（）王自荣，孙晓泉 铝粉涂层的红外发射率研究 功能材料，（增刊）：，（）：（）海军工程大学学报第 卷