红外隐身涂料组成之颜料的选择
日期：2019-05-08 10:05
颜料是影响涂料隐身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或较高的透射率(对着色颜料而言)，其红外吸收峰不能在大气窗口内；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灯波段的隐身要求兼容。实际上，要找到完全满足以上要求的颜料有很大困难。目前用于热隐身涂料配方中的颜料大致可分为3种：金属颜料、着色颜料和半导体颜料。
(1)金属颜料
光学研究表明,不透明体的反射率越高,发射率就越低。因此,有较高反射率的金属是热隐身材料最常用和最重要的颜料种类。可用的有A1、Zn、Sn、Au、青铜等,实际选用多集中于性能优良、价廉易得的A1。金属颜料的粒子形态、尺寸和含量均对涂料的Em有显著影响。实践表明,各向异性片状金属颜料粒子降低m的作用较强。金属颜料粒子形状的选择顺序是:鳞片状→小棒状→球状(空心或实心)粒子的直径应在0.1~1.00m。粒子的形状不同,尺寸范围也不同:鳞片状粒子,直径1~100m,最佳厚度0.1~10gm;小棒粒子,直径0.1~10m最佳长度1~100m;球状粒子,平均直径≤0.1~100m。对于前两者,直径与厚度(或长度)比越大,降低发射率ET的效果越明显。澳大利亚国防部材料实验室最先作过比较,在涂料配方中,将铝箔片的直径由12m增至70m,其余参数条件不变,结果发射率∈T值明显降低。显然,金属颜料的高反射性有利于降低发射率ε,但增加了对雷达波和可见光的反射,不利于雷达和可见光隐身。因此,金属颜料含量宜慎选。
(2)着色颜料
热隐身涂料选用着色颜料主要是为了满足与可见光伪装兼容的要求。大多数着色颜料不具备降低发挥ET的作用,仅能要求其不损害涂料的热隐身性能。因此,着色颜料的筛选一直是隐身涂料研制工作的难点之一。已用于或考虑用于热隐身涂料的着色颜料按性质可分为5类:①金属氧化物和氢氧化物颜料,如氧化锌、二氧化钛、五氧化二钽、氧化铁、氧化铬(绿、黄)、氢氧化铬;②硫化物颜料,如硫化镉、硫化锑;③硒化物颜料,如硒化镉;④无机盐颜料,如钛酸盐(如钛酸钡、钛酸钴)、铬酸盐(如铬酸铅)、磷酸盐、醋酸盐、碳酸盐;⑤有机颜料,如4-氯-2-苯基重氮酸、N,N-二(羟基乙基)芘3,4,9,10-四羧基二酰亚胺。
金属氧化物颜料具有较高的红外透明度,对涂料隐身性能不会有负影响。而有机颜料由于有复杂的C一N-O结构,在红外波段有强吸收,不适宜作为热隐身涂料的颜料。无机盐类颜料也有类似的缺陷。但也有学者认为硫化物颜料更适于作热隐身涂料的颜料。他们比较了硫化镉、氧化铁、氧化铬(绿)和氧化铬(黄)4种着色颜料的计算机模拟光谱后,认为硫化镉的红外透明性最好,吸收峰在红外大气窗口之外,在军用绿色涂层中能产生额外的散射,从而降低涂层的r值,有望用于新一代热隐身涂料。氧化铁稍优于铬绿,铬黄则最差,哪怕它在涂料中体积含量小于1%,也会使涂层的发射率Em猛增。着色颜料的颗粒大小对隐身性能也有较大影响。大多数研究者认为颜料颗粒尺寸应小于热红外波长,大于近红外波长,这样,颜料才会既有良好的热红外透明性,又有一定的可见光和近红外反射能力。具体数值不尽相同,如0.5~1.5m、1~3m等。
(3)半导体颜料
金属颜料虽有良好的红外反射性能,但不利于雷达隐身和可见光伪装,而着色颜料一般难以调低涂料的发射率ετ值。研制兼容性能良好的宽波段隐身涂料直是研究者奋斗的方向。掺杂半导体由金属氧化物(主体)和掺杂剂(载流子给予体)两种基本成分构成。理论证明,掺杂半导体的发射率ε值由材料的载流子密度N、载流子迁移率μ和载流子碰撞频率ω:控制,而N、和a1可以通过控制掺杂条件加以调整。这样,从理论上说,通过适当选择N、P和ω:等参数,可从使掺杂半导体在红外波段有较低的e值,而在微波和毫米波段具有较高的吸收率,从而形成红外-雷达隐身一体化材料。掺杂半导体在涂料体系中作为非着色颜料所占的百分比为10%~90%,粒子形状通常为细杆状、细方面状和扁平块,尺寸大小为5~100m.最常见的掺杂半导体材料是SnO2和In2O3。
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