高分子材料在红外隐身中的应用资料下载.pdf
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国内外目前研制的红外隐身材料主要有单一型和复合型两种。
本文就高分子材料在红外隐身中的应用现状综述如下。
高分子材料在红外隐身中的应用李春华齐暑华张剑王东红武鹏摘要:
综述了红外隐身材料中高分子材料的研究与应用现状,对单一型隐身材料、涂层型隐身材料中的树脂和填料、柔性隐身材料、手征隐身材料、多层隐身材料及纳米隐身材料等进行了讨论,并对隐身材料的发展趋势进行了展望。
关键词:
高分子材料;
柔性隐身材料;
手征隐身材料;
复合隐身材料;
导电聚合物;
纳米隐身材料262005年23卷第9期-国外塑料2.1单一型隐身材料导电高聚物材料重量轻、材料组成可控性好且导电率变化范围大,因此作为单一红外/雷达多功能隐身材料使用的前景十分乐观,但其加工较困难且价格相当昂贵,除聚苯胺外尚无商品生产。
E.R.Stein等人研究发现,导电聚合物聚吡咯在1.02.0GHz对电磁波的衰减达26dB7。
中科院化学所的万梅香等人8研制的导电高聚物涂层材料,当涂层厚度在1015m时,一些导电高聚物在820m的范围内的红外发射率可小于0.4。
2.2复合型隐身材料复合型红外隐身材料主要有涂料型材料、多层材料、夹芯材料和纳米复合材料。
2.2.1涂料型隐身材料涂料型红外隐身材料一般由粘合剂和填料两部分组成。
填料和粘合剂是影响红外隐身性能的主要因素,目前的研究大多针对热隐身。
粘合剂粘合剂是红外隐身涂料的基本组成部分,除应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,与底材有较好的粘接性,工作条件下的结构稳定性等特点,同时还应对涂层红外辐射有所贡献。
可供选择的粘合剂分为有机和无机两大类9。
其中有机粘合剂多为聚烯烃类（聚乙烯、聚乙烯与聚苯乙烯的共聚物,商品名称为Kraton）,橡胶类（丁基橡胶和硅橡胶）以及其它聚合物（如醇酸树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂和聚氨酯等）。
美国涂料技术协会研究结果表明10,可以从有机化合物中包含的键和基团来判断其红外吸收能力。
国外近年研制的Kraton树脂,据报道具有优良的红外透明性,但其在814m波段的发射率也达到了0.8411。
这是由于虽然大多数树脂在近外红波段无强烈强收,但其中官能团的分子振动却都能引起树脂在热红外波段的强烈吸收。
如聚氨酯,它的分子链中含有氨酯基（-NHCO-）和异氰酸酯基（-NCO）,由于这两个基团的高度不饱和,其红外吸收光谱在热红外波段出现了明显的吸收峰,使具有优异性能的聚氨酯不适合用作红外隐身材料。
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。
氟碳树脂不含有不饱和基团,在太阳辐射波段几乎透明,在热红外区域仅有微弱的吸收,同时它还具有优异的环境稳定性,非常适合于单纯特定波段的红外涂层。
氯化聚苯乙烯、丁基橡胶和二甲基硅酮树脂,也可以作为热隐身涂料粘合剂使用。
热红外性较差的醇酸树脂、硅醇酸树脂、聚氨酯、硅橡胶和聚苯乙烯等不适合作为热隐身涂料的粘合剂。
对于固定的填料,涂料发射率随着树脂用量的增加而升高,但当用量达到一定值后,发射率基本不再变化11。
填料12填料是影响红外隐身涂料性能的最重要因素,是对隐身材料性能起重要调节作用的物质。
红外隐身涂料主要是依靠其中填料的调节作用来得到尽可能低的发射率。
填料的组成、颗粒大小、形状以及在涂料中的含量和分散状态等因素都能影响涂层的辐射效果。
填料通常有如下几类:
（1）金属填料。
常见的金属填料有Al、Zn、Sn和Au等。
因为金属对涂料的发射率有较强的调节作用,所以在热红外隐身涂料中得到广泛应用。
王自荣等11以酚醛树脂为基料,测试了几种金属粉末及其涂料在814m波段的平均红外发射率,在几种金属中,较为理想的是铝粉和铁粉,铝粉的发射率最低,为0.478,把它制成涂料后的发射率为0.748;
还原铁粉的发射率为0.643,制成涂料后,其发射率为0.674。
也就是说,还原铁粉是一种很好的红外隐身填料。
（2）着色填料。
为了满足可见光伪装的要求,着色填料也是红外隐身涂料的重要填料之一。
着色填料有:
金属氧化物和氢氧化物、硫化物、硒化物、无机盐和有机填料等。
着色填料粒子大小对隐身性能影响很大,一般认为,其粒子尺寸应小于红外波长,大于近红外波长。
这样填料既具有良好的红外透明性,又具有一定的可见光和近红外反射。
（3）半导体填料。
最常见的掺杂半导体材料是SnO2和In2O3。
其在涂料体系中的体积百分比为10%90%,粒子为510m的针状体。
从理论上来说,通过选择适当的载流子浓度和迁移率以及等离子频率,可以使半导体填料在红外频段有较低的r,而在微波和毫米波段具有较好的吸收率,从而能较好地兼顾27WorldPlastics-2005Vol.23No.9综述专论REVIEW&
FEATURE材料雷达和红外隐身。
20多年来国外红外隐身涂料的研究情况,GerdHugo研制的Al（5）丁基橡胶/溶解的颜料涂料为目前国外性能最好的热红外兼容可见光涂料,具有低的热红外发射率（814m=0.55）和较好的可见光兼容性13。
2.2.2多层隐身材料多层隐身材料中最常见的是涂敷型双层材料。
一般有微波吸收底层和红外吸收面层组成。
德国的Boehne14研制了一种双层材料,底层有导电石墨、炭化硼等雷达吸收剂（75%85%）,Sb2O3阻燃剂（6%8%）和橡胶粘合剂（7%18%）组成。
面层含有在大气窗口具有低发射率的颜料。
国内15研制出了面层为低发射率的红外隐身材料,内层雷达隐身材料可用结构型和涂层型两种吸波材料的双层隐身材料。
实验结果表明只要红外隐身涂层的厚度达到20m便能覆盖整个高辐射表面。
在双层材料中,为了达到最佳阻抗匹配,要调整好每层的电磁参数,从而更有效地衰减雷达、反射红外。
研究表明16,底层如果用具有渐变阻抗的多孔材料,更易达到最佳阻抗匹配和拓展频宽。
但由于红外隐身层一般都有较高的介电常数,因此当它复合到吸波材料上后,可能会引起吸波材料吸收频带变窄、吸收率下降。
为了克服双层材料的缺点,展宽频带,提高吸收率,目前国内外研究较多的是多层材料。
涂敷型多层材料至少由三层组成:
微波电磁损耗底层、阻抗匹配中间层和红外隐身涂层。
Pusch17等人也研制了一种多层的宽波段多功能隐身材料。
这种材料由三层组成:
基层、金属反射层和隐形漆层。
基层材料可由丙纶、涤纶、锦纶和乙纶等纺织材料经涂层制得;
金属反射层被气相沉积在基层的表面;
最外层是隐形漆层,隐形漆层中的颜料在可见光和近红外波段与自然背景要有相似的反射率,隐形漆所用的粘结剂在大气窗口范围内是透明的;
内层为金属反射层,因此它的热红外辐射是低的。
此外还可以在隐形漆层外边涂一层聚烯烃材料形成防紫外薄层。
这种材料可以做成毡或毯,对可见光、红外线和雷达波都有隐身效果。
薄膜材料也是一种多层材料。
美国最近一份专利18披露了一种由多层颜料粒子组成的、能透射射频反射红外的涂料或薄膜的制造方法。
这种粒子由三部分组成:
中心是可透射射频的球型介电核（主要是夹心或空心玻璃微球等）,外面涂敷一薄层能反射红外的导电材料（主要为金属或金属氧化物）,最外层是包覆或灌封的可传导红外和射频的绝缘材料。
薄膜型多波段伪装材料13有七层膜组成,这种膜外层在红外波段有高反射性,在雷达波段有高透射性,它们提供与背景相似的红外辐射同时通过微波。
以下依次为雷达吸收层、增强织物热屏蔽层。
第三层为导电溅射薄膜或金属网格,而且金属膜之间涂有聚乙烯膜以防止电导通,使用时将其做成叶片附在伪装网上,用来保护停放的飞机或指挥中心。
2.2.3夹芯材料夹芯材料一般由面板和芯组成。
面板一般为透波材料,芯为电磁损耗材料和红外隐身材料。
美国专利报道了一种夹芯材料19,它有两个透明面板,一个导电层和一红外隐形膜组成。
导电层和红外隐形膜介于两透明面板之间组成芯层。
两面层可以用同种材料也可以用不同材料,如一面可以用玻璃板（厚110mm）另一面用聚酯或聚碳酸酯板。
导电层由金属纤维网或镀金属的有机纤维网组成。
红外隐形膜由两层组成:
基膜和隐形涂层。
基膜材料可以是PET、PC和PMMA等,厚约1020m。
隐形涂层含有Cu、Ag等导电材料和ITO粉、Ni等红外隐身材料。
最后把它们用胶粘结在一起。
这种胶由粘合剂和粒径在0.1100m的Cu、Ag、Ni、陶瓷粉组成。
夹芯材料一般较厚,且不易弯曲,但夹芯材料具有承载和隐身的双重功能,且易于制成各种隐身外形,同时还可以与隐身涂层配合使用。
因此,夹芯材料是一种极具发展潜力的红外/雷达多功能隐身材料。
2.3纳米材料纳米材料特殊的结构所引起的282005年23卷第9期-国外塑料小尺寸效应、界面效应和量子化效应导致它产生与常规材料不同的特殊性能。
一方面,由于纳米材料的活性较高,在微波的辐射下原子和电子磁化,使电子能转化为热能。
又由于量子化效应其能带分裂形成能隙,从而形成新的吸波通道。
一般由多层薄膜叠合而成的结构具有很好的磁导率和红外辐射率,在较宽的频带内有效。
甘永学等人20研究了纳米短切镀镍碳纤维（纤维的平均长度为1.5mm）和环氧树脂复合材料的微波电磁性能和雷达波吸收性能,他们发现:
在8.212.4GHz,随着频率的增大,对雷达波的吸收逐渐增强。
崔作林教授等人20研究了用一定尺寸的导电螺旋碳纤维与纳米粒子制备的8mm微波复合吸收剂涂料,在其面密度为1.5Kg/m2、厚度小于1mm时,在3040GHz范围内吸收最低可达12dB,最大吸收可达20dB。
Cheng-HsiungPeng等人21在180C的硅油中用重量比分别为6/1、4/1、2/1及1/1的铁酸盐Ni0.5Zn0.5Fe2O
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