吳護(hù)林，朱敏

（1.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

紅外探測(cè)系統(tǒng)具有全天候性、隱蔽性、被動(dòng)性以及作用距離遠(yuǎn)、精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛用于偵察和制導(dǎo)領(lǐng)域，對(duì)軍事設(shè)施和武器裝備構(gòu)成巨大的威脅[1—2]。紅外探測(cè)系統(tǒng)主要根據(jù)目標(biāo)與所處背景的紅外輻射強(qiáng)度差來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別，因此采用紅外低發(fā)射率材料控制目標(biāo)的紅外輻射特性，使其與背景一致，是提高目標(biāo)戰(zhàn)場(chǎng)生存能力和增強(qiáng)作戰(zhàn)能力的有效技術(shù)手段[3]。

片狀鋁粉具有較低的發(fā)射率和較高的反射率，用于涂層可以屏蔽物體內(nèi)部的紅外輻射，是低發(fā)射率材料常用的金屬功能填料。國(guó)內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)已經(jīng)系統(tǒng)研究了鋁粉形貌、尺寸、用量等因素與涂層發(fā)射率的關(guān)系，并研制出了一系列低發(fā)射率涂層[4—6]。片狀鋁粉存在的最大問(wèn)題是在對(duì)紅外高反射的同時(shí)，對(duì)可見(jiàn)光也具有很強(qiáng)的反射，難以實(shí)現(xiàn)與可見(jiàn)光偽裝的兼容，這限制了其在多波段兼容偽裝材料中的應(yīng)用[7—8]。采用表面包覆技術(shù)對(duì)鋁粉進(jìn)行改性，維持紅外波段高反射的同時(shí)，降低可見(jiàn)光波段的反射特性，是金屬低發(fā)射率材料研究的熱點(diǎn)。有研究人員對(duì)鋁粉表面沉積 Fe3O4、TiO2等進(jìn)行了研究，制得了黃色、白色等各色中低發(fā)射率顏料[9—12]。文中采用液相沉積法，在片狀鋁粉表面包覆一層Cr(OH)3，然后在馬弗爐中煅燒，制得 Al/Cr2O3綠色低發(fā)射率顏料，并對(duì)該顏料及其涂層的性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

鋁粉漿：工業(yè)級(jí)，市售。硅酸鈉、碳酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、六水氯化鉻、聚乙烯吡咯烷酮：均為分析純，成都市科龍化工試劑廠(chǎng)。丙烯酸樹(shù)脂：工業(yè)級(jí)，美國(guó)JOHNSON公司。其余試劑均為國(guó)產(chǎn)。

在包覆實(shí)驗(yàn)前對(duì)鋁粉漿進(jìn)行脫脂處理。先將3 g硅酸鈉、2 g碳酸鈉、2 g十二烷基苯磺酸鈉加入到800 g無(wú)水乙醇中，制得清洗溶液，然后將80 g鋁粉漿加入清洗溶液中，用超聲波清洗機(jī)清洗 30 min，再經(jīng)抽濾、無(wú)水乙醇清洗、干燥，制得脫脂鋁粉。

1.2 Al/Cr2O3復(fù)合顏料及涂層制備

將60 g六水氯化鉻溶解于去離子水中，配制六水氯化鉻溶液。稱(chēng)取26 g脫脂鋁粉、23 g AMP-95、5 g聚乙烯吡咯烷酮，溶解于去離子水中，配制混合溶液。將六水氯化鉻溶液滴加到混合溶液中，在(40～45) ℃恒溫反應(yīng)3～4 h，經(jīng)抽濾、去離子水清洗、干燥后，制得Al/Cr2O3復(fù)合顏料的前驅(qū)物Al/Cr(OH)3復(fù)合粒子。

將Al/Cr(OH)3復(fù)合粒子置于馬弗爐中煅燒，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，于 400 ℃煅燒 4 h，最終制得Al/Cr2O3綠色復(fù)合粉體顏料。

取適量的Al/Cr2O3粉體顏料與丙烯酸樹(shù)脂，添加適量的分散劑、消泡劑和流平劑等助劑，混合均勻后，用稀釋劑調(diào)整黏度至13～15 s，在馬口鐵板上均勻噴涂厚度約23～27 μm的涂層，固化后制得Al/Cr2O3涂層。鋁粉涂層、Cr2O3涂層的制備方法同上。

1.3 性能測(cè)試

粉體材料的成分、微觀形貌分別采用英國(guó)OXFORD公司的INCA能譜儀和荷蘭FEI儀器公司的QUANTA200掃描電鏡進(jìn)行分析；涂層光譜反射率采用鉑金埃爾默儀器公司的Lambda750紫外/可見(jiàn)光分光光度計(jì)進(jìn)行分析；涂層紅外發(fā)射率采用上海技術(shù)物理研究所的 IR-2型紅外輻射率測(cè)試儀進(jìn)行分析，測(cè)試頻段為 3～5 μm和 8～14 μm；涂層紅外熱像采用武漢高德公司生產(chǎn)的 ThermoProTP8熱像儀進(jìn)行分析，工作波段為8～14 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al/Cr2O3復(fù)合顏料的微觀形貌與組成

采用能譜儀分析脫脂鋁粉和 Al/Cr2O3復(fù)合粉體的表面元素。由于能譜分析中電子束入射深度很淺（約1 μm），因此可以將表面元素視為粉體材料的表層成分組成。每個(gè)樣品選3個(gè)部位測(cè)試，脫脂鋁粉和 Al/Cr2O3復(fù)合粉體樣品的選取部位及元素測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)圖1和圖2。由圖1可知，脫脂鋁粉表面主要以Al元素為主，附有少量的O、P等雜質(zhì)元素。由圖2可知，Al/Cr2O3復(fù)合粉體表面主要以 Al、Cr、O元素為主，說(shuō)明鋁粉經(jīng)過(guò)表面包覆處理后，Cr2O3已經(jīng)附著在鋁粉表面。這種結(jié)構(gòu)既屏蔽了可見(jiàn)光波段的高反射，又削弱了表面包覆層對(duì)鋁粉紅外發(fā)射率的影響。

為進(jìn)一步表征Cr2O3在片狀鋁粉表面的包覆狀態(tài)，采用 SEM（二次電子像）分析脫脂鋁粉和Al/Cr2O3粉體顏料的微觀形貌。圖3為脫脂鋁粉的電鏡照片。從圖 3a可以看出，脫脂鋁粉為不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)，尺寸大小不一，粒徑基本在10～25 μm之間。放大后（圖3b）發(fā)現(xiàn)，鋁粉表面平整光潔，無(wú)雜質(zhì)附著，片狀形態(tài)保持完好，無(wú)破損。

圖4為 Al/Cr2O3粉體顏料的電鏡照片。從圖4a可以看出，鋁粉表面包覆Cr2O3后，粒徑變化不大，外形仍維持片狀結(jié)構(gòu)，但表面變?yōu)椴还饣瑺顟B(tài)。放大后（圖 4b）也可以看出，包覆后的鋁粉表面由原來(lái)的光滑狀態(tài)變?yōu)榇植诮Y(jié)構(gòu)，表面附有一層包覆基本完整的絮狀物質(zhì)，粉體的能譜分析表明該絮狀物質(zhì)為Cr2O3。另外，在鋁粉表面及鋁粉之間還分散存在許多小顆粒。這可能是在Cr(OH)3沉淀過(guò)程中異相成核，煅燒后形成的Cr2O3顆粒附著于粉體表面及粉體之間。

2.2 包覆處理對(duì)涂層可見(jiàn)光和近紅外特性的影響

為分析鋁粉包覆Cr2O3前后對(duì)涂層可見(jiàn)光、近紅外反射特性的影響，分別測(cè)試了鋁粉涂層、Cr2O3涂層及Al/Cr2O3涂層在400～2000 nm可見(jiàn)光/近紅外波段的光譜反射曲線(xiàn)，如圖5所示。

綠色偽裝材料一般要求其在可見(jiàn)光/近紅外波段的光譜反射曲線(xiàn)與自然背景植被一致，而自然背景中的樹(shù)葉等綠色植物因含葉綠素、葉黃素等多種色素，其光譜反射曲線(xiàn)在540 nm附近有一個(gè)反射峰，稱(chēng)為“綠色反射峰”；在670～800 nm之間是一個(gè)陡坡，反射率急劇升高，稱(chēng)為“紅邊”；在800 nm以后反射率變化不大，形成了一個(gè)“近紅外反射高原”[13]。

由圖5可知，鋁粉涂層在可見(jiàn)光、近紅外波段的反射率均較高，可作為紅外低發(fā)射率顏料，但難以滿(mǎn)足可見(jiàn)光偽裝要求。Cr2O3涂層在540 nm左右出現(xiàn)一個(gè)反射峰，在近紅外波段反射率急劇上升，可較好模擬自然綠色植被的可見(jiàn)光/近紅外光譜反射特性，但近紅外反射率較低，紅外發(fā)射率較高。Al/Cr2O3涂層的光譜曲線(xiàn)綜合了鋁粉涂層與 Cr2O3涂層的光譜反射曲線(xiàn)特點(diǎn)，整體趨勢(shì)與Cr2O3涂層基本一致，在540 nm左右也出現(xiàn)一個(gè)反射峰，到近紅外波段后反射率急劇上升，與鋁粉涂層接近，說(shuō)明制備的 Al/Cr2O3涂層在可見(jiàn)光與近紅外波段可較好模擬自然背景綠色植被的光譜反射特征，同時(shí)在近紅外波段反射率較高，可實(shí)現(xiàn)紅外低發(fā)射率。

2.3 Al/Cr2O3涂層熱紅外特性調(diào)控

自然背景一般由樹(shù)木、草地、砂土等植被和裸露的地表組成，由于地表各類(lèi)材料的物性差異，在紅外熱像下呈現(xiàn)明暗不同的斑塊分割，因而在背景中實(shí)現(xiàn)紅外偽裝的有效措施之一就是通過(guò)不同紅外發(fā)射率材料的組合應(yīng)用，形成與背景紅外輻射分布特征相近的斑塊分割效果。涂層的紅外發(fā)射率與低發(fā)射率功能填料的含量密切相關(guān)，按照Al/Cr2O3顏料與丙烯酸樹(shù)脂質(zhì)量比為1:5、1:10和1:20制備不同 Al/Cr2O3含量的涂層，測(cè)試涂層在 8～14 μm波段的紅外發(fā)射率，結(jié)果見(jiàn)圖 6?？梢钥闯?，Al/Cr2O3顏料含量對(duì)涂層紅外發(fā)射率影響顯著，隨Al/Cr2O3顏料含量增加，涂層的發(fā)射率降低?？梢?jiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)涂層中Al/Cr2O3顏料的含量，能夠獲得不同紅外發(fā)射率的涂層材料。

將 Al/Cr2O3涂層試板放置在玻璃鋼復(fù)合材料板上，置于戶(hù)外陽(yáng)光下曝曬30 min后，采集涂層的紅外熱像，如圖7a所示。利用與熱像儀配套的紅外圖像分析系統(tǒng)分析熱像圖，得到涂層試板的輻射溫度曲線(xiàn)和平均輻射溫度，結(jié)果見(jiàn)圖7b、c。

由圖7a可見(jiàn)，隨著涂層中Al/Cr2O3顏料含量的增加，發(fā)射率降低，相應(yīng)地，涂層紅外熱像變暗。當(dāng)涂層中Al/Cr2O3顏料與丙烯酸樹(shù)脂的比例為1:5和 1:10時(shí)，涂層的紅外輻射特征明顯低于玻璃鋼復(fù)合材料背板，表明低發(fā)射率材料可明顯抑制物體內(nèi)部向外輻射能量，降低物體的紅外輻射強(qiáng)度，具有較好的紅外偽裝效果。圖 7b的涂層輻射溫度曲線(xiàn)和圖 7c的涂層平均輻射溫度統(tǒng)計(jì)也證明了這點(diǎn)，隨著涂層中Al/Cr2O3顏料含量增加，涂層的平均輻射溫度由27.9 ℃降低到22.7 ℃?？梢?jiàn)，不同發(fā)射率涂層的輻射溫度有較大差別，可以通過(guò)控制涂層中Al/Cr2O3顏料的含量，獲得不同發(fā)射率梯度差的涂層，應(yīng)用于目標(biāo)能夠改變表面輻射溫度分布特征，從而實(shí)現(xiàn)有效的熱圖像分割效果及與背景紅外輻射特性的融合。

3 結(jié)論

1）采用液相沉積法及煅燒工藝制備出了Al/Cr2O3紅外低發(fā)射率顏料。測(cè)試結(jié)果表明，Cr2O3在鋁粉表面包覆基本完整，包覆后的鋁粉粒徑變化不大，外形仍維持片狀結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)紅外低發(fā)射率。

2）含Al/Cr2O3的涂層在可見(jiàn)光、近紅外波段的光譜反射曲線(xiàn)與背景綠色植被相似，可以較好地模擬自然背景中的綠色植物，具有良好的可見(jiàn)光/近紅外偽裝性能，滿(mǎn)足可見(jiàn)光/近紅外偽裝的要求。

3）涂層的紅外發(fā)射率與低發(fā)射率功能填料Al/Cr2O3的含量密切相關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)涂層中Al/Cr2O3顏料的含量，能夠獲得紅外發(fā)射率不同的涂層。不同發(fā)射率涂層的輻射溫度差較大，可以實(shí)現(xiàn)紅外熱像圖的有效分割和與背景紅外輻射特征的融合。