国内外红外隐身材料研究进展

叶圣天，刘朝辉，成声月，班国东

(后勤工程学院化学与材料工程系，重庆401311)

1 引言

随着红外探测系统的快速发展和探测精度的提高，军事装备、设施的安全和生存受到了严重威胁，尤其是战斗机、坦克和舰船等具有大功率发动机的移动目标，运动时会产生高温，导致军事目标的红外辐射量大幅度增加，与背景形成强烈的辐射反差，增加了被发现的概率。

红外隐身材料，能够通过涂覆在目标表面等方式弱化目标的红外辐射特征信号，有效降低目标被发现和识别的概率，提高目标的战场生存能力。因此，红外隐身材料受到世界各军事强国的关注，并投入大量的人力、物力、财力进行研究。

2 红外隐身材料隐身原理

2.1 红外探测系统探测方法

一切高于绝对零度的物体都能发出红外辐射，红外辐射的光子能量能够使一些活泼金属产生红外光电效应。红外探测系统的原理就是通过上述红外光电效应把红外辐射特征信号转化为电信号。红外探测的方法有两种:

一是点源探测，与红外探测系统能探测目标的最大距离有关［1］:

式中，J为目标红外辐射强度;τa为大气透过率;D0为红外探测系统中光学系统的接收孔径;NA为光学系统的数值孔径;τ0为光学系统的红外透过率;D*为红外探测系统的探测率;ω为瞬时视场;Δf为系统带宽;Vs为信号电平;Vn为噪声电平。其中，J、τa两项参数反映了目标的红外辐射特性和辐射的大气传输特性，其余八项参数反映了红外探测系统中光学系统的特性以及信号处理特性。

二是成像探测，利用目标与背景的红外辐射对比度识别发现目标，辐射对比度公式［2］:

式中，C为辐射对比度;ET为目标的红外辐射量;EB为背景的红外辐射量。

对于上述两种探测方法，目标要达到红外隐身的目的，就要增大红外探测系统的探测距离和目标与背景的辐射对比度。从式(1)、(2)可知，J、ET反应了目标的红外辐射量，是可以通过红外隐身材料等手段改变的物理量，因此，目标通过改变红外辐射量可以提高隐身效率。

2.2 Stefan－Boltzmann定律

目标的红外辐射量是由Stefan－Boltzmann定律决定的:

式中，W为红外辐射量;σ为玻尔兹曼常数;ε为目标表面的发射率;T为目标表面的热力学温度。

从式(3)可知，目标的红外辐射量与目标表面的发射率成正相关的关系，与目标表面绝对温度的四次方成正比。因此，降低目标的红外辐射量的措施主要有两个:一是降低目标表面的发射率;二是控制目标表面的温度。

3 红外隐身材料

红外隐身材料的应用能够有效降低目标的红外辐射量，目前研究和应用较为广泛的红外隐身材料有低发射率涂层材料、控温涂层材料、智能隐身材料和生物仿生隐身材料四种。

3.1 低发射率涂层材料

低发射率涂层主要由粘合剂和填料组成。根据选用的材料不同，粘合剂分为有机粘合剂和无机粘合剂两种;填料主要分为金属填料、半导体填料和颜料。

3.1.1 粘合剂

粘合剂是低发射率涂层的主要成膜物质，是涂层的重要组成部分。涂层在红外波段的吸收主要是由粘合剂引起的。低发射率涂层的粘合剂要求具有较高的红外透过性，并且，还应具有较好的力学性能、耐腐蚀性能以及耐老化性能等。

无机粘合剂虽然具有较高的红外透过率，但其物理机械性能和成膜性较差，所以无机粘合剂的研究和应用较少。Kalvert比较有机树脂、无机硅酸盐和无机磷酸盐等多种粘合剂后，认为红外透过率最高的是无机磷酸盐粘合剂。

有机粘合剂较无机粘合剂有更好的力学性能和粘结力，所以被广泛应用于红外隐身涂层中，表1列举了几种常用的有机粘合剂的8～14 μm红外透过率，可以看出，三元乙丙橡胶具有最高的红外透过率(0.95)，但在实际应用中，三元乙丙橡胶与填料的相容性较差，限制了涂层的发射率，而环氧树脂等力学性能和粘结力优良的树脂红外透过性又较差。因此，通过粘合剂改性的方法，降低粘合剂的红外发射率或者增强其物理机械性能和耐久性，能够改善有机粘合剂在红外隐身涂层中的应用。

表1 几种有机粘合剂的红外透过率(8 ～ 14 μm)［3～5］Tab.1 Transmittances of several kinds of binders(8 ～14 μm)

有机粘合剂的改性是通过改变粘合剂的某些基团或分子链，对粘合剂本体进行改善，克服其性能缺陷，常用的改性方法有单体共聚改性和接枝改性。邢宏龙团队［6－7］通过乳液聚合法，利用异戊二烯和丙烯腈为主要共聚单体，制得了聚异戊二烯/丙烯腈粘合剂，在涂覆成膜后红外透过率达到96%(8～14 μm波段范围内)，红外发射率为0.8 ～0.9。Shao C M［8］通过改性三元乙丙橡胶(EPDM)制备了三元乙丙橡胶接枝马来酸酐(EPDM－g－MAH)，改善了EPDM同填料的相容性，并以铜粉为填料制备红外隐身涂层，涂层的红外发射率可降至0.15。

3.1.2 填 料

填料是影响低发射率涂层性能的重要因素，对涂层的红外隐身性能起调节作用。填料的选择要求在红外波段吸收率低，反射率大，发射率低。

(1)金属填料

根据Kirchhoff定律，对于不透明的物体，反射率越高，发射率就越低。金属填料［9］有:

式中，R为反射率;ω为电磁辐射的圆频率;ε0为真空中介电常数;σ为电导率。从式(4)可知，对于金属良导体，如 Al、Cu、Ag等，电导率较高，具有较高的反射率和低的发射率，适合作为红外隐身涂层的填料，实际应用中多以性能优良、廉价易得的Al粉和Cu粉为主。另外，金属填料的粒径、形貌、形态等因素对降低红外隐身涂层红外发射率起重要的作用。Yu H J［10］系统研究了金属填料粒径、形貌和形态对涂层红外发射率的影响，当铜粉粒径为4 μm、形貌为片状、形态为漂浮型时，铜粉具有最低的发射率，制备的涂层红外发射率最低可达0.10。

金属填料的高光泽度和易氧化的性质，不利于涂层的耐久性和兼容可见光隐身。目前金属填料的研究主要集中在填料的包覆改性，常用于填料包覆改性的材料有金属、金属氧化物和有机物等。Yan X X［11］通过球磨法利用Ag对Cu粉进行表面改性，得出Ag、Cu的最佳摩尔比为2∶3，利用改性过的铜粉制备的低发射率涂层，具有优良的耐腐蚀性。Yuan L［12－13］通过液相沉淀法在铝粉表面分别包覆一层氧化铬和四氧化三铁制得绿色和黑色粉体，粉体具有低光泽度(明度降低12～15)和低红外发射率(0.5～0.7)，能够兼容可见光隐身和红外隐身。Wu G W［14］在铝粉表面包覆一层聚乙烯蜡制得填料，将其加入到聚氨酯粘合剂制备了低发射率涂层，当铝粉的质量分数为30%时，改性铝粉同时降低了红外发射率和光泽度，涂层红外发射率为0.52。

(2)半导体填料

半导体填料可以通过掺杂其他元素控制其红外发射率，掺杂改性的半导体由于其在微波波段具有高吸收率，可以用于制备多波段兼容隐身材料。理论上，通过掺杂改性适当调整载流子的密度N、载流子迁移率μ和载流子碰撞频率ωt就可以使掺杂半导体具有较低的红外发射率。常见的几种掺杂半导体及其性能如表2所示。

表2 几种掺杂半导体及其性能［15－19］Tab.2 Several kinds of doped semiconductorsand their properties

(3)颜料

选择合适的颜料，能够满足红外隐身涂层兼容可见光隐身的要求。所选取的颜料一般不对涂层的红外隐身效果有明显的影响，因此要求颜料在红外波段发射率低、反射率高或者具有高红外透明性。颜料分为无机颜料和有机颜料。无机颜料中金属氧化物、金属氢氧化物、硫化物和硒化物具有较好的红外透明性，有机颜料主要有4－氯－2苯基重氮酸等。王自荣［20］比较了 Bi2O3、Fe(OH)3、CdS 等几种无机颜料的粉末发射率，结果表明，Bi2O3、Sb2O3、NiO三种颜料的红外发射率相对较低(0.8以下)，适合做红外隐身涂层的颜料。

在不改变颜料红外发射率的前提下，提高颜料在可见光和近红外波段的反射率可以降低涂层表面的温度。王光应［21］通过高温焙烧法制备了钛铬黄、铬绿、钴蓝和铁黑四种无机反射隔热颜料，结果表明，自制的四种颜料的反射率较购买的颜料提高10% ～25%，涂层表面温度可降低6～30℃。

3.2 控温涂层材料

根据Stefan－Boltzmann定律，目标的红外辐射量同温度的四次方成正比，控制温度能有效降低目标红外辐射量。控温涂层粘合剂的选择同低发射率涂层一样，都要求粘合剂既有良好的红外透过性、与填料的相容性，又具有优良的物理机械性能和成膜性。目前，控温涂层的研究主要集中在填料方面，为了降低目标的表面温度，填料一般采用热惯量大、热导率低的材料，主要有隔热材料和相变材料。

中空微珠作为隔热材料，由于其密度小、抗压能力强、导热系数低等优点，被广泛应用于隔热涂层。通过在红外隐身涂层中添加中空微珠，涂层表面的温度有一定程度的降低。研究发现［22］，对比硼硅酸盐空心玻璃微珠、陶瓷微珠和粉煤灰漂珠等填料的太阳光反射率和隔热性能，空心玻璃微珠具有较高的太阳热反射率，其值为 0.88。Dombrovsky L A［23］系统研究了中空玻璃微珠的红外反射性能，以中空玻璃微珠为填料制备的涂层在4.5 μm有强烈的反射峰，并得出在8.5～13.5 μm 的反射是由微珠表面粗糙度引起的结论。为了进一步增大空心玻璃微珠对太阳热的反射率，通常在微珠表面镀一层金属膜。吴进喜［24］利用化学镀的方法制得金属镀膜空心玻璃微珠，和颜料、粘合剂混合制得具有红外隐身能力的篷布，在1.88 kW/m2长时间照射下，温度升高为7℃，能达到一定的隐身效果。

相变材料在红外隐身涂层中应用的主要形式是将相变材料微胶囊化，通过相变材料的状态变化，使其吸热或者放热，将目标表面温度稳定在一定的范围之内。根据囊芯材料相变温度的不同，相变微胶囊可分为低温(15℃以下)、中低温(15～40℃)和中温(40～75℃)相变微胶囊。表3列举了几种典型的相变微胶囊，从表中可以看出，目前相变微胶囊的控温梯度能够基本满足红外隐身要求，但是，可调温度的范围较小，制约了相变微胶囊在红外隐身材料中的应用。

表3 典型的相变微胶囊及其性能［25－28］Tab.3 Typical PCMs and their properties

3.3 智能隐身材料

智能隐身材料是一种新型隐身材料，是智能材料和隐身材料的有机结合，它可以感知目标和背景环境的差别，通过对感知信号的处理，材料可以对自身的发射率做出相应调整，减小目标与环境的辐射对比度，增强目标的自适应能力。根据诱导因素的不同，智能隐身材料可分为电致变智能隐身材料和热致变智能隐身材料。

电致变智能隐身材料是在电场或电流的作用下，材料组分发生化学变化，进而影响材料的红外发射率。电致变智能隐身材料中研究和应用较为广泛的是导电高分子和三氧化钨。Chandrasekhar P［29］研究了导电高分子材料的红外发射性能，发现其在0.4 ～45 μm 波段范围内的红外反射率在 0.3 ～0.7可调。Sauvet K［30］研究了三氧化钨(WO3)在3～5 μm和8～12 μm波段红外发射率的变化情况，通过对导电因素的控制，WO3薄膜的红外发射率变化幅度可达 0.4。

热致变材料通过感应目标的表面温度发生变化，改变材料的红外发射率。Bergeron B V［31］将铜沉积在聚酯薄膜和铯化锌上制备了一种膜材料，薄膜在0.3～2.4 μm波段红外吸收率的调节范围为0.51 ～0.83，在 8 ～12 μm 波段红外发射率的变化范围为0.20～0.73。二氧化钒(VO2)被认为是一种很有应用前景的热致变智能隐身材料，VO2共有R、M、B、A、C、D 六种相，温度的变化会导致 VO2相之间的相互转变，伴随其红外透过性和红外发射率也会有一定的变化。刘影［32］以水合硫酸氧钒为钒源，经二次煅烧制备了与R相具有循环可逆的M相VO2，晶相变化温度为62 ～67.9 ℃，8 ～14 μm 波段红外发射率可调幅度为 0.12。M Z［33］利用二次煅烧法通过掺杂改性制备得到W－VO2，W－VO2在48.2℃达到相变温度，涂层的红外发射率变化范围为0.752 ～0.95。

智能隐身材料的出现推动了红外隐身材料的发展，目标通过材料的智能调节更能适应背景环境，同背景能够达到更好的融合效果。但是，目前智能隐身材料还处在实验室研究阶段，未能广泛实际应用。

3.4 生物仿生隐身材料

生物仿生材料是通过研究生物所具有的功能及其作用机理，并以此为模型利用一定技术手段合成的能够模仿生物特点和特性的新型材料。生物仿生红外隐身材料是基于生物的微观结构特性、变色原理或者电磁波反射特点而进行合成、制备的新型红外隐身材料。

Zhang W［34］利用聚氨酯和片状铜粉仿生珍珠层结构，制备的仿生结构涂层红外发射率低于一般的铜粉/聚氨酯涂层，通过建立了红外发射率计算模型仿真计算涂层发射率，实验结果表明，当铜粉含量为60%，涂层的红外发射率可降至0.206。Phan L［35］通过研究头足类动物的动态隐身机制，探索并研制了一种基于石墨烯的可调仿生伪装涂层。在化学药剂的刺激下涂层能够在可见光和红外电磁波谱区域之间动态调节电磁波的反射，为可重构和可调节红外隐身涂层的研究做出了探索。Y C［36］基于头足类动物的皮肤研究了一种能够灵活感觉和适应周围环境颜色的柔性材料，能够兼容可见光、红外隐身。

4 结语

随着红外反隐身技术的发展，红外隐身技术对红外隐身材料提出了更高的要求，结合红外隐身材料的研究进展，红外隐身材料的研究仍然存在一些不足，红外隐身材料的发展趋势将表现为以下四个方面:

(1)控温与低发射率材料相结合

由Stefan－Boltzmann定律可知，影响目标红外辐射量的是目标的表面温度和红外发射率，目前研究的红外隐身材料大部分集中在降低目标的红外发射率，控制目标温度和降低发射率相结合的材料研究较少。就目前的研究来看，仅通过降低目标的红外发射率的手段往往不能达到理想的红外隐身效果，因此，复合涂层的研究可以从控制温度和降低红外发射率两方面入手，为实现红外隐身提供了研究方向。

(2)红外隐身材料的耐环境性能研究

红外隐身材料表面污染以及老化会影响红外发射率，研究具有自清洁及耐老化性能的材料是延长材料使用寿命的手段。

(3)实现材料多频段兼容隐身

探测手段的多样化使得单一频段的隐身材料无法满足实际需求和应用，因此，开发多频段兼容隐身材料成为必要。实现多频段兼容隐身，途径有两个:一是采用单频段隐身材料进行复合形成多层的隐身涂层结构;二是针对目前的新型材料还处在探索研究阶段的现状，开发和研究新型材料，加速新型材料的应用进程，满足兼容隐身的要求。

(4)多种材料的综合运用研究

目前的研究都集中于一种红外隐身材料的应用，如低发射率材料或者控温材料，对于多种材料的综合应用尤其是结合目标本身结构多种材料的应用研究较少。多种具有隐身效果的材料通过复合等方式，综合各种材料的优势，可以提高目标的红外隐身效率。

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