红外低发射率颜料制备及其可见光/红外特性研究

吴护林，朱敏

（1.华南理工大学 材料科学与工程学院，广州 510640；2.西南技术工程研究所，重庆 400039）

红外探测系统具有全天候性、隐蔽性、被动性以及作用距离远、精度高、抗电磁干扰能力强等特点，被广泛用于侦察和制导领域，对军事设施和武器装备构成巨大的威胁[1—2]。红外探测系统主要根据目标与所处背景的红外辐射强度差来对目标进行探测识别，因此采用红外低发射率材料控制目标的红外辐射特性，使其与背景一致，是提高目标战场生存能力和增强作战能力的有效技术手段[3]。

片状铝粉具有较低的发射率和较高的反射率，用于涂层可以屏蔽物体内部的红外辐射，是低发射率材料常用的金属功能填料。国内外多家机构已经系统研究了铝粉形貌、尺寸、用量等因素与涂层发射率的关系，并研制出了一系列低发射率涂层[4—6]。片状铝粉存在的最大问题是在对红外高反射的同时，对可见光也具有很强的反射，难以实现与可见光伪装的兼容，这限制了其在多波段兼容伪装材料中的应用[7—8]。采用表面包覆技术对铝粉进行改性，维持红外波段高反射的同时，降低可见光波段的反射特性，是金属低发射率材料研究的热点。有研究人员对铝粉表面沉积 Fe3O4、TiO2等进行了研究，制得了黄色、白色等各色中低发射率颜料[9—12]。文中采用液相沉积法，在片状铝粉表面包覆一层Cr(OH)3，然后在马弗炉中煅烧，制得 Al/Cr2O3绿色低发射率颜料，并对该颜料及其涂层的性能进行了研究。

1 实验

1.1 原材料

铝粉浆：工业级，市售。硅酸钠、碳酸钠、十二烷基苯磺酸钠、六水氯化铬、聚乙烯吡咯烷酮：均为分析纯，成都市科龙化工试剂厂。丙烯酸树脂：工业级，美国JOHNSON公司。其余试剂均为国产。

在包覆实验前对铝粉浆进行脱脂处理。先将3 g硅酸钠、2 g碳酸钠、2 g十二烷基苯磺酸钠加入到800 g无水乙醇中，制得清洗溶液，然后将80 g铝粉浆加入清洗溶液中，用超声波清洗机清洗 30 min，再经抽滤、无水乙醇清洗、干燥，制得脱脂铝粉。

1.2 Al/Cr2O3复合颜料及涂层制备

将60 g六水氯化铬溶解于去离子水中，配制六水氯化铬溶液。称取26 g脱脂铝粉、23 g AMP-95、5 g聚乙烯吡咯烷酮，溶解于去离子水中，配制混合溶液。将六水氯化铬溶液滴加到混合溶液中，在(40～45) ℃恒温反应3～4 h，经抽滤、去离子水清洗、干燥后，制得Al/Cr2O3复合颜料的前驱物Al/Cr(OH)3复合粒子。

将Al/Cr(OH)3复合粒子置于马弗炉中煅烧，在氮气保护气氛下，于 400 ℃煅烧 4 h，最终制得Al/Cr2O3绿色复合粉体颜料。

取适量的Al/Cr2O3粉体颜料与丙烯酸树脂，添加适量的分散剂、消泡剂和流平剂等助剂，混合均匀后，用稀释剂调整黏度至13～15 s，在马口铁板上均匀喷涂厚度约23～27 μm的涂层，固化后制得Al/Cr2O3涂层。铝粉涂层、Cr2O3涂层的制备方法同上。

1.3 性能测试

粉体材料的成分、微观形貌分别采用英国OXFORD公司的INCA能谱仪和荷兰FEI仪器公司的QUANTA200扫描电镜进行分析；涂层光谱反射率采用铂金埃尔默仪器公司的Lambda750紫外/可见光分光光度计进行分析；涂层红外发射率采用上海技术物理研究所的 IR-2型红外辐射率测试仪进行分析，测试频段为 3～5 μm和 8～14 μm；涂层红外热像采用武汉高德公司生产的 ThermoProTP8热像仪进行分析，工作波段为8～14 μm。

2 结果与讨论

2.1 Al/Cr2O3复合颜料的微观形貌与组成

采用能谱仪分析脱脂铝粉和 Al/Cr2O3复合粉体的表面元素。由于能谱分析中电子束入射深度很浅（约1 μm），因此可以将表面元素视为粉体材料的表层成分组成。每个样品选3个部位测试，脱脂铝粉和 Al/Cr2O3复合粉体样品的选取部位及元素测试结果分别见图1和图2。由图1可知，脱脂铝粉表面主要以Al元素为主，附有少量的O、P等杂质元素。由图2可知，Al/Cr2O3复合粉体表面主要以 Al、Cr、O元素为主，说明铝粉经过表面包覆处理后，Cr2O3已经附着在铝粉表面。这种结构既屏蔽了可见光波段的高反射，又削弱了表面包覆层对铝粉红外发射率的影响。

为进一步表征Cr2O3在片状铝粉表面的包覆状态，采用 SEM（二次电子像）分析脱脂铝粉和Al/Cr2O3粉体颜料的微观形貌。图3为脱脂铝粉的电镜照片。从图 3a可以看出，脱脂铝粉为不规则片状结构，尺寸大小不一，粒径基本在10～25 μm之间。放大后（图3b）发现，铝粉表面平整光洁，无杂质附着，片状形态保持完好，无破损。

图4为 Al/Cr2O3粉体颜料的电镜照片。从图4a可以看出，铝粉表面包覆Cr2O3后，粒径变化不大，外形仍维持片状结构，但表面变为不光滑状态。放大后（图 4b）也可以看出，包覆后的铝粉表面由原来的光滑状态变为粗糙结构，表面附有一层包覆基本完整的絮状物质，粉体的能谱分析表明该絮状物质为Cr2O3。另外，在铝粉表面及铝粉之间还分散存在许多小颗粒。这可能是在Cr(OH)3沉淀过程中异相成核，煅烧后形成的Cr2O3颗粒附着于粉体表面及粉体之间。

2.2 包覆处理对涂层可见光和近红外特性的影响

为分析铝粉包覆Cr2O3前后对涂层可见光、近红外反射特性的影响，分别测试了铝粉涂层、Cr2O3涂层及Al/Cr2O3涂层在400～2000 nm可见光/近红外波段的光谱反射曲线，如图5所示。

绿色伪装材料一般要求其在可见光/近红外波段的光谱反射曲线与自然背景植被一致，而自然背景中的树叶等绿色植物因含叶绿素、叶黄素等多种色素，其光谱反射曲线在540 nm附近有一个反射峰，称为“绿色反射峰”；在670～800 nm之间是一个陡坡，反射率急剧升高，称为“红边”；在800 nm以后反射率变化不大，形成了一个“近红外反射高原”[13]。

由图5可知，铝粉涂层在可见光、近红外波段的反射率均较高，可作为红外低发射率颜料，但难以满足可见光伪装要求。Cr2O3涂层在540 nm左右出现一个反射峰，在近红外波段反射率急剧上升，可较好模拟自然绿色植被的可见光/近红外光谱反射特性，但近红外反射率较低，红外发射率较高。Al/Cr2O3涂层的光谱曲线综合了铝粉涂层与 Cr2O3涂层的光谱反射曲线特点，整体趋势与Cr2O3涂层基本一致，在540 nm左右也出现一个反射峰，到近红外波段后反射率急剧上升，与铝粉涂层接近，说明制备的 Al/Cr2O3涂层在可见光与近红外波段可较好模拟自然背景绿色植被的光谱反射特征，同时在近红外波段反射率较高，可实现红外低发射率。

2.3 Al/Cr2O3涂层热红外特性调控

自然背景一般由树木、草地、砂土等植被和裸露的地表组成，由于地表各类材料的物性差异，在红外热像下呈现明暗不同的斑块分割，因而在背景中实现红外伪装的有效措施之一就是通过不同红外发射率材料的组合应用，形成与背景红外辐射分布特征相近的斑块分割效果。涂层的红外发射率与低发射率功能填料的含量密切相关，按照Al/Cr2O3颜料与丙烯酸树脂质量比为1:5、1:10和1:20制备不同 Al/Cr2O3含量的涂层，测试涂层在 8～14 μm波段的红外发射率，结果见图 6。可以看出，Al/Cr2O3颜料含量对涂层红外发射率影响显著，随Al/Cr2O3颜料含量增加，涂层的发射率降低。可见通过调节涂层中Al/Cr2O3颜料的含量，能够获得不同红外发射率的涂层材料。

将 Al/Cr2O3涂层试板放置在玻璃钢复合材料板上，置于户外阳光下曝晒30 min后，采集涂层的红外热像，如图7a所示。利用与热像仪配套的红外图像分析系统分析热像图，得到涂层试板的辐射温度曲线和平均辐射温度，结果见图7b、c。

由图7a可见，随着涂层中Al/Cr2O3颜料含量的增加，发射率降低，相应地，涂层红外热像变暗。当涂层中Al/Cr2O3颜料与丙烯酸树脂的比例为1:5和 1:10时，涂层的红外辐射特征明显低于玻璃钢复合材料背板，表明低发射率材料可明显抑制物体内部向外辐射能量，降低物体的红外辐射强度，具有较好的红外伪装效果。图 7b的涂层辐射温度曲线和图 7c的涂层平均辐射温度统计也证明了这点，随着涂层中Al/Cr2O3颜料含量增加，涂层的平均辐射温度由27.9 ℃降低到22.7 ℃。可见，不同发射率涂层的辐射温度有较大差别，可以通过控制涂层中Al/Cr2O3颜料的含量，获得不同发射率梯度差的涂层，应用于目标能够改变表面辐射温度分布特征，从而实现有效的热图像分割效果及与背景红外辐射特性的融合。

3 结论

1）采用液相沉积法及煅烧工艺制备出了Al/Cr2O3红外低发射率颜料。测试结果表明，Cr2O3在铝粉表面包覆基本完整，包覆后的铝粉粒径变化不大，外形仍维持片状结构，有利于实现红外低发射率。

2）含Al/Cr2O3的涂层在可见光、近红外波段的光谱反射曲线与背景绿色植被相似，可以较好地模拟自然背景中的绿色植物，具有良好的可见光/近红外伪装性能，满足可见光/近红外伪装的要求。

3）涂层的红外发射率与低发射率功能填料Al/Cr2O3的含量密切相关，通过调节涂层中Al/Cr2O3颜料的含量，能够获得红外发射率不同的涂层。不同发射率涂层的辐射温度差较大，可以实现红外热像图的有效分割和与背景红外辐射特征的融合。