楊輝， 何超， 潘家亮， 賈其， 何猛， 徐鑫

(1.陸軍研究院五所， 江蘇 無(wú)錫 214035；2.火箭軍研究院， 北京 100011；3.陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007；4.陸軍裝備部 裝備項(xiàng)目管理中心， 北京 100000；5.國(guó)防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院， 江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，紅外偽裝的手段越來(lái)越多樣[1-4]，然而紅外示假技術(shù)尚沒(méi)有定型的裝備。紅外示假技術(shù)用于盡可能模擬目標(biāo)的紅外特征，達(dá)到以假亂真的目的。面對(duì)紅外成像偵察制導(dǎo)威脅，在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，機(jī)動(dòng)目標(biāo)及有源固定目標(biāo)的熱示假已經(jīng)成為亟待解決的難題。假目標(biāo)紅外示假技術(shù)主要有傳統(tǒng)的紅外點(diǎn)源模擬、相變材料模擬、電熱膜模擬和電熱涂層模擬等。隨著偵察手段的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的紅外點(diǎn)源模擬方式已經(jīng)不能滿足軍事偽裝的要求。相變材料利用高熱慣量的特點(diǎn)，可通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同厚度鋼板表面溫度隨環(huán)境變化的模擬，并已在坦克炮塔、車輪等部位進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)[5]。該方法主要針對(duì)目標(biāo)的關(guān)鍵部位實(shí)現(xiàn)無(wú)源模擬，無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱源部位的有效模擬。電熱膜和電熱涂層的紅外模擬原理近似，都是通過(guò)電能轉(zhuǎn)換成熱能，具有面狀發(fā)熱、熱效率高、外形可選擇性強(qiáng)、適用范圍廣、熱分布隨意、溫度可控等優(yōu)點(diǎn)[6]。其中，電熱膜主要制備方法是將導(dǎo)電材料熱壓在兩層絕緣聚酯膜間，其光學(xué)特性和較低的發(fā)射率是紅外示假應(yīng)用的難點(diǎn)[7]，未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。電熱涂層使用方便，裝備形式簡(jiǎn)單，可在任何基底表面涂覆，表面可通過(guò)噴涂光學(xué)涂層實(shí)現(xiàn)光學(xué)波段的示假。該方法既可以用于生產(chǎn)新型紅外假目標(biāo)，又能對(duì)我軍現(xiàn)有假目標(biāo)進(jìn)行改裝，使其具有紅外熱成像仿真的性能，具有廣闊應(yīng)用前景。

孫浩等研制出炭黑石墨復(fù)合電熱涂料[8]，利用電熱涂層制作出坦克的二維假目標(biāo)模型[9]。何文龍基于石墨烯制備了水性電熱涂料，分析了石墨烯用量和涂膜厚度對(duì)其導(dǎo)電性能的影響[10]；張朋等基于納米碳材料制備了水性電熱涂料，其中石墨烯涂層具有最低的體積電阻率，為0.032 6 Ω·cm[11]，量化分析了涂層的導(dǎo)電性能和電熱性能；郭佩等采用多壁碳納米管作為填料制備的電熱涂料，使電阻率低至8.956 Ω·cm[12]；閆軍等研究了偶聯(lián)劑對(duì)環(huán)氧- 銅粉復(fù)合導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性能的影響，當(dāng)銅粉含量70%～75%、固化劑用量20%、偶聯(lián)劑含量2%時(shí)，制備的導(dǎo)電涂料綜合性能較好[13]。

電熱涂料的制備方法很多，目前主要是實(shí)驗(yàn)室小樣制備，尚未見(jiàn)大面積紅外示假應(yīng)用。本文在理論上計(jì)算分析了電熱涂層應(yīng)用于紅外示假的可行性，設(shè)計(jì)制備了不同電阻率梯度的電熱涂層，通過(guò)電熱涂層的大面積制備，在某型假目標(biāo)樣機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，取得了較好的熱補(bǔ)償紅外示假效果。

1 電熱涂層模擬目標(biāo)溫度的理論分析

紅外示假用電熱涂層的目的是使其在溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)得到熱補(bǔ)償，或使假目標(biāo)特征區(qū)域的熱輻射特征與目標(biāo)一致。本文首先建立電熱涂層系統(tǒng)的簡(jiǎn)化熱交換模型(見(jiàn)圖1)，與目標(biāo)的熱交換模型進(jìn)行比較，通過(guò)理論計(jì)算得到需要補(bǔ)償?shù)臒崃?；然后在安全電?6 V基礎(chǔ)上計(jì)算涂層的電阻率選擇范圍；進(jìn)一步設(shè)計(jì)電熱涂料中導(dǎo)電填料的添加比例以及電熱涂層的制備厚度。圖1中，dt為目標(biāo)厚度，df、ds分別為假目標(biāo)電熱涂層系統(tǒng)中假目標(biāo)厚度和系統(tǒng)總厚度，x為垂直于平板表面的坐標(biāo)方向。

圖1 目標(biāo)和假目標(biāo)電熱涂層系統(tǒng)傳熱模型Fig.1 Heat transfer model of target and decoy electro-thermal coating system

對(duì)于電熱涂層系統(tǒng)，涂層部分含有內(nèi)熱源Q，系統(tǒng)熱模型的微分方程如下：

(1)

根據(jù)模型對(duì)目標(biāo)和假目標(biāo)一日內(nèi)的溫度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)所取參數(shù)[14]為：目標(biāo)材料為鋼板，密度7 854 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)60.5 W(m·K)、比熱434 J/(kg·K)、厚度20 mm；假目標(biāo)材料為天然橡膠布，密度1 000 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)0.2 W(m·K)、比熱1 J/(kg·K)、厚度2 mm；電熱涂層密度取2 000 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)取10 W/(m·K)、比熱取10 J/(kg·K)、厚度取200 μm. 電熱涂層內(nèi)熱源Φ分別取30 000 W/m3、50 000 W/m3、70 000 W/m3. 在以上條件下進(jìn)行溫度變化特性計(jì)算，計(jì)算出目標(biāo)、假目標(biāo)以及假目標(biāo)涂覆不同電熱涂層后1 d的溫度變化曲線，如圖2所示。當(dāng)假目標(biāo)溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)，可通過(guò)電熱涂層加熱進(jìn)行熱補(bǔ)償，達(dá)到模擬目標(biāo)紅外輻射特性的目的。當(dāng)電熱涂層內(nèi)熱源為常數(shù)時(shí)，由于熱慣量的內(nèi)在差別，電熱涂層系統(tǒng)通電加熱的溫度變化和目標(biāo)仍有不同，但在實(shí)際使用過(guò)程中可通過(guò)不連續(xù)通電和漸變電壓的方式精確調(diào)整溫升曲線，做到與目標(biāo)溫度變化的實(shí)時(shí)匹配。

2 電熱涂層制備及試驗(yàn)分析

考慮到目標(biāo)不同部位、有無(wú)熱源的狀態(tài)下其紅外輻射特性都有所不同，要達(dá)到有效的紅外示假效果，首先需要研制不同電阻梯度的電熱涂層，然后通過(guò)形狀、結(jié)構(gòu)和電路的綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)紅外輻射特性的動(dòng)態(tài)模擬。本文重點(diǎn)研究不同梯度的電熱涂層設(shè)計(jì)制備。

圖2 電熱涂層對(duì)目標(biāo)溫度的模擬Fig.2 Simulation of target temperature by electro-thermal coating

2.1 涂料配方研究

2.1.1 成膜物質(zhì)的選取

考慮到電熱涂層的實(shí)際應(yīng)用情況，成膜物質(zhì)應(yīng)該符合下列條件：

1)電熱涂層必須要有很好的附著力，而隨著填料含量的增加附著力下降，因此要選取高填充的成膜物質(zhì)，在保證較高比例填料納入量的同時(shí)保證優(yōu)良的附著力。

2)電熱涂層工作溫度較高，需要成膜物質(zhì)有很好的溫度穩(wěn)定性；電熱涂層的正溫度系數(shù)效應(yīng)(PTC效應(yīng))是指涂層基體(成膜物質(zhì))和填料由于溫度升高而熱膨脹，但由于膨脹系數(shù)不同致使涂層導(dǎo)電通路斷開(kāi)，涂層電阻率急劇增加的現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，成膜物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與填料粒子接近。

3)與民用電發(fā)熱漆相比，假目標(biāo)用電熱涂層基體應(yīng)有更好的附著力和抗沖擊強(qiáng)度。

成膜物質(zhì)選取的主要參數(shù)依據(jù)及其考慮的優(yōu)先級(jí)為：填料可納入量>溫度穩(wěn)定性>熱膨脹系數(shù)>附著力和抗沖擊強(qiáng)度。

表1給出了3種待選成膜物質(zhì)的主要參數(shù)對(duì)比。表1中的結(jié)果表明，聚氨酯是電熱涂層成膜物質(zhì)的最佳選擇(注：聚氨酯的最高工作溫度為155 ℃；填料粒子的熱膨脹系數(shù)約為1.7×10-5℃-1)。

表1 成膜物質(zhì)的主要參數(shù)對(duì)比

2.1.2 導(dǎo)電填料的選取

首先，填料粒子要有很好的導(dǎo)電性，足夠高的填料粒子電導(dǎo)率值能保證足夠高的涂料和涂層電導(dǎo)率值，使涂層有足夠高的發(fā)熱功率。其次，由于涂層要有較好的溫度穩(wěn)定性，需要在較高溫度下連續(xù)工作，填料粒子也應(yīng)具有穩(wěn)定的化學(xué)物理性質(zhì)，不能因?yàn)檩^高的溫度和電流而改性、氧化或電導(dǎo)率發(fā)生較大變化。再次，選取填料粒子形狀時(shí)，應(yīng)綜合考慮涂料導(dǎo)電性、涂層強(qiáng)度、附著力以及涂層輻射特性。銀粉是最早使用的導(dǎo)電填料，銀粉導(dǎo)電性好，不易氧化，而且其氧化物也具有導(dǎo)電性，但其價(jià)格較為昂貴；銅粉導(dǎo)電性好，但極易氧化；鎳粉價(jià)格適中，穩(wěn)定性介于銅和銀之間，但其電阻率大約是銅和銀的7倍。合金粉填料可以是兩相的、也可以是三相的，目的都是為了使涂料的綜合性能得到提高；金屬包覆型復(fù)合粉的主要目的是降低成本和提高涂料的導(dǎo)電性。綜上所述，選取銀包銅粉體作為導(dǎo)電填料，從而實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和低成本的兼容。

2.1.3 電熱涂層制備

調(diào)整電熱涂料顏基比(導(dǎo)電填料和成膜物質(zhì)的比值)，是調(diào)控涂層電阻率的主要手段。通過(guò)呂緒良等前期的理論計(jì)算[15]可知：涂層的有效導(dǎo)電率在滲流閾值附近有明顯突變，而開(kāi)始導(dǎo)電后有效導(dǎo)電率變化趨緩，因此在保證涂層優(yōu)良的導(dǎo)電性能時(shí)，需要盡量控制導(dǎo)電填料的添加量。本文試驗(yàn)比較了不同顏基比電熱涂層的性能效果，采用顏基比為10%、20%、30%的電熱涂料，在1塊涂層布上制備了不同梯度的電熱涂層。

2.2 試驗(yàn)分析

將設(shè)計(jì)制備的電熱涂層串聯(lián)接入直流電路，通過(guò)熱像儀分析其升溫曲線，待其表面溫度穩(wěn)定后拍攝熱圖，結(jié)果如圖3所示。圖3中AR01、AR02、AR03為電熱涂層，分別對(duì)應(yīng)的顏基比為30%、20%、10%，AR04為背景區(qū)域。

圖3 溫度平衡后熱圖Fig.3 Thermal image after temperature balance

由圖3可以看出,3塊不同電阻率的涂層在串聯(lián)電路中的平衡溫度不同，明顯地形成了3個(gè)斑點(diǎn)。涂層的升溫情況如圖4所示。

圖4 升溫曲線Fig.4 Temperature-raising curves

通過(guò)3塊涂層和背景的平均溫度變化曲線可知，涂層在通電后升溫速度快，在2 min時(shí)基本達(dá)到了平衡溫度，3塊涂層的平衡輻射溫度分別為50 ℃、40 ℃、33 ℃(背景溫度28 ℃)。通常大于4 ℃的紅外輻射溫差，能夠有效地形成熱圖斑點(diǎn)。因此，不同電阻率梯度的電熱涂層能夠滿足目標(biāo)紅外輻射特性模擬的需求。

3 電熱涂層應(yīng)用試驗(yàn)

通過(guò)不同顏基比電熱涂層的的小樣制備和試驗(yàn)分析，掌握了不同電阻率電熱涂層的升溫特性，進(jìn)一步制備電熱涂層的大樣，在某型假目標(biāo)樣機(jī)上驗(yàn)證大面積電熱涂層的紅外示假效果。將電熱涂層樣布電極接通電源(36 V)，暴露于大氣環(huán)境1 h后，利用紅外熱像儀，在8～14 μm波段對(duì)處于靜止?fàn)顟B(tài)的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行紅外觀察測(cè)量，紅外觀測(cè)點(diǎn)距試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)直線距離為50 m. 測(cè)試結(jié)果如圖5所示(分別采集了夜間20：45、21：45、23：15、00：15等時(shí)刻的熱圖)。

圖5 電熱涂層紅外示假熱圖Fig.5 Infrared images of electoral-thermal coating

根據(jù)圖5可知，電熱涂層比背景的平均溫度高5.67 ℃，最大溫差為0:15時(shí)的7.1 ℃，最小溫差為20:45時(shí)的3.9 ℃.

4 結(jié)論

本文通過(guò)假目標(biāo)涂覆電熱涂層模擬目標(biāo)溫度的理論分析，有效指導(dǎo)了不同顏基比電熱涂層的制備。進(jìn)一步開(kāi)展了不同梯度的電熱涂層試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有效形成了不同溫度梯度的紅外熱圖，為模擬目標(biāo)整體紅外輻射特性奠定了基礎(chǔ)。為了驗(yàn)證電熱涂層在假目標(biāo)上的實(shí)際應(yīng)用，針對(duì)假目標(biāo)側(cè)上裝甲部位制備了電熱涂層大樣，野外試驗(yàn)表明其在連續(xù)通電的過(guò)程中比背景高出5 ℃左右，可使假目標(biāo)具有顯著的紅外輻射特性。

本文主要驗(yàn)證了電熱涂層應(yīng)用于紅外示假的可行性，解決了不同電阻率梯度電熱涂層設(shè)計(jì)制備及大面積應(yīng)用的問(wèn)題。下一步需要系統(tǒng)分析機(jī)動(dòng)目標(biāo)的紅外輻射特性，并針對(duì)不同的熱源部位設(shè)計(jì)制備不同的電熱涂層模塊及紅外特征模擬溫度控制器，以達(dá)到準(zhǔn)確模擬目標(biāo)紅外輻射特性的目的。