紅外隱身材料

紅外隱身材料是目標紅外隱身的重點之一。紅外隱身材料具有隔斷目標的紅外輻射能力，同時在大氣視窗波段內，具有低的紅外發射率和紅外鏡面反射率。按照工作原理，紅外隱身材料可分為控制發射率和控制溫度兩類。前者主要有塗料和薄膜，後者主要有隔熱材料、吸熱材料和高比輻射率聚合物。

基本介紹

• 中文名：紅外隱身材料
• 外文名：infrared stealth material
• 所屬領域：航空航天
• 用途：目標紅外隱身
• 分類：控制發射率和控制溫度
• 種類舉例：低發射率材料等

基本要求

利用塗料實現熱紅外隱身的基本要求是塗層的紅外輻射特性與背景一致，一般通過測試塗層的紅外發射率進行評價。一般而言，紅外隱身可通過利用各種發射率的塗層對目標進行紅外迷彩設計來實現。中高發射率塗層一般容易製備，關鍵是製備低發射率塗層，而且低發射率塗層也有專門的隱身用途，它對一些武器的發熱部件具有明顯的降低表觀溫度作用。

另外，塗層的熱慣量也是研究塗層紅外隱身性能的一個重要參數。熱慣量是材料對溫度變化熱回響的量度。材料熱慣量越小，在白天和晚上的表觀溫度相差越大；材料熱慣量越大，在白天和晚上的表觀溫度相差越小。為了實現全天候紅外隱身，塗層的熱慣量應儘可能與背景材料的熱慣量一致。

發射率控制

控制紅外隱身材料的發射率主要用塗料和薄膜。塗料一般是採用具有較低發射率的塗料，以降低目標的紅外輻射能量，且塗料還應具有較低的太陽能吸收率和一定隔熱能力，以避目標表面吸熱升溫，並防止目標有過多熱紅外波段能量輻射出去。塗料通常由顏料和膠黏劑配製而成。

顏料

顏料是影響紅外隱身塗料性能的基本因素之一，其選用應符合以下要求：

(1)在紅外波段有較低的發射率。

(2)在近紅外波段具有較低的吸收率。

(3)能與雷達、可見光和近紅外等波段的隱身要求兼容。

目前，用於紅外隱身塗料配方中的顏料大致可分為金屬顏料、著色顏料和半導體顏料。

膠黏劑

膠黏劑是影響紅外隱身塗料性能的另一個基本因素，其選用應符合以下要求：

(1)可保護顏料並在塗層的整個使用期內保持其紅外特性不變。

(2)在所選光譜範圍紅外透明。目前在紅外隱身塗料配方中使用的膠黏劑包括有機膠黏劑和無機膠黏劑，以有機膠黏劑使用最為廣泛。

其他影響因素

1)塗層厚度

塗層厚度對輻射帶強度和譜帶解析度有很大影響。在常溫下塗料的紅外輻射性能主要取決於約35～40 um厚的表面層。當塗層厚度小於此值時，發射率與基體的性質和粗糙度有關；當塗層厚度大於160～170um時，塗層厚度對其輻射性能無影響。

2)塗覆工藝

塗覆工藝直接影響塗層的表面微結構形態和取向。測試結果表明，塗刷操作的不同就可使同配方塗層的發射率和反射率出現10%的偏差。刷塗的樣品比用噴槍噴塗的樣品發射率低，且物理性能更好；表面光滑的樣品比表面粗糙的樣品發射率低。從降低￡值考慮，塗層表面越光滑，￡值越低，但光滑表面對太陽輻射呈鏡面反射，使目標在某一方位的輻射能量增加，造成目標被探測到的可能性增大。因此，當考慮目標對環境輻射能量的反射時，塗層表面應有一定的粗糙度，使之呈漫反射。

3)襯底

紅外隱身塗料總要被塗敷在某一襯底(或載體)上使用，通過對銅、鋁、鐵、白金、溴化鉀和玻璃在300℃下的輻射光譜可看出，大部分金屬都有較低的比輻射率，而溴化鉀和玻璃在低波數區有較高的比輻射率。因此，對塗料來講，金屬是非常好的載體，尤其是白金。即使在很高的溫度下，也有極低的反應活性。資料表明，拋光的金屬具有更低的發射率和更高的反射率，但拋光的金屬表面黏附性不好，在進行塗敷時，除了應進行一般的除油處理外，還應進行表面磷酸化處理或陽極化處理，使之表面形成一層氧化層，從而增加其黏附性。同時，新形成的氧化膜對塗敷在其上面的塗料的紅外輻射性能又形成新的影響，這方面的內容有待於進一步研究。

種類舉例

航空紅外隱身材料技術研究和套用較多的是低紅外發射率材料、控溫材料等。近年來，紅外、厘米波兼容多頻譜隱身材料、智慧型型紅外隱身材料也成為研究的熱點。

塗料

低發射率材料通過調節目標表面發射率來控制紅外輻射強度，材料形式以塗料為主，是紅外隱身材料最主要的研究領域。低紅外發射率塗料能降低目標自身的熱輻射，同時具有使用方便、施工工藝簡單等特點。

低紅外發射率塗料主要由紅外低輻射填料和低吸收或透明粘接劑兩部分組成。

1)紅外低輻射填料

低輻射填料是低紅外發射率塗料的主要組成部分。填料的組成、尺寸形貌以及在塗層中的分散狀態等都會直接影響低紅外發射率塗料的輻射性能。

不透明體的反射率越高，發射率越低。因此，有較高反射率的金屬填料是比較好的紅外低輻射填料，如Al粉、Cu粉、Fe粉、zn粉等。石墨紅外吸收率高，發射率也高；一些金屬氧化物發射率較高；另一些則具有較高的紅外透過率，它們對塗料的熱紅外隱身性能不會有負面影響。燦粉性能優良、價廉易得，成為金屬填料的主要研究對象，其中包括燦粉的形態、粒徑、在塗層中的含量等對低紅外發射率塗層性能的影響。

2)紅外低吸收或透明粘結劑

粘結劑一般對吸波塗層的電性能的影響很小，但對塗層紅外輻射性能卻有較大影響。曾有文獻指出，紅外隱身塗層在熱紅外波段的吸收能力至少有60%取決於粘結劑。

薄膜

低發射率薄膜是另一類有發展前景的紅外隱身材料，是目前國內外研究的熱點。這類材料按結構可分為金屬膜、摻雜半導體膜、電介質/金屬多層複合膜等。

低紅外發射率薄膜的製備方法很多，主要方法包括溶膠一凝膠法、化學氣相沉積法、真空蒸鍍法和濺射法等。溶膠一凝膠法主要是通過噴塗或浸塗的方法將待鍍材料的溶液，均勻地塗覆於加熱的襯底上，使噴塗或浸塗上的溶液發生水解反應，從而形成薄膜；化學氣相沉積法是把含有構成薄膜元素的一種或幾種化合物氣體供給基片，利用加熱、電漿、紫外光乃至雷射等能源，藉助氣相作用在基片表面的化學反應(熱分解或化學合成)生成要求的薄膜；真空蒸鍍法是在真空室中，通過電阻蒸發、電子束蒸發、高頻感應蒸發等手段蒸發待形成薄膜的材料，使其原子或分子從表面氣化逸出，形成蒸汽流至襯底表面凝結形成固態薄膜的方法；濺射法則是在真空室中，充以惰性氣體，利用高頻、高壓電場作用產生高能量離子流轟擊靶材，使得靶材表面原子或原子團逸出，然後在襯底的表面形成膜層，主要有直流、射頻、磁控等方法，其中磁控濺射法是製備金屬薄膜、摻雜半導體薄膜常用的方法。

控溫材料

紅外輻射強度與物體表面溫度的四次方成正比，對溫度變化更加敏感，控溫材料即是通過控制材料表面溫度來調節其紅外輻射強度。目前研究的控溫材料包括各種隔熱材料、有源製冷材料和相變材料等。

隔熱材料在紅外隱身領域已得到了廣泛套用，如針對目標的強熱源部位的輻射抑制等。

有源製冷材料和相變材料在紅外隱身領域的研究起步較晚，大致十來年的時間，其中有源製冷材料採用半導體制冷機理，具有較高的輻射控制效率，但帶來功率負荷增加、結構複雜、重量增重以及多頻譜兼容困難等問題，使其套用範圍受到一定限制。相變控溫材料是一類展現出良好套用前景的紅外隱身材料，具有套用方便、形式多樣、兼容性好等優點，例如美國採用微膠囊技術包覆脂肪烴，來降低目標紅外可探測性。

智慧型型材料

智慧型紅外隱身材料即主動式紅外隱身材料，代表了隱身材料技術研究的最先進方向。它是一種具有感知功能、信息處理功能、自我指令並對信號做出最佳回響功能的材料系統或結構。材料由低發射率向可變發射率(自適應材料體系)方向發展；由單純控發射率向控發射率/控溫結合的方向發展。