电热涂层在红外示假中的应用

杨辉， 何超， 潘家亮， 贾其， 何猛， 徐鑫

(1.陆军研究院五所， 江苏 无锡 214035；2.火箭军研究院， 北京 100011；3.陆军工程大学 野战工程学院， 江苏 南京 210007；4.陆军装备部 装备项目管理中心， 北京 100000；5.国防科技大学 气象海洋学院， 江苏 南京 210007)

0 引言

随着红外探测技术的发展，红外伪装的手段越来越多样[1-4]，然而红外示假技术尚没有定型的装备。红外示假技术用于尽可能模拟目标的红外特征，达到以假乱真的目的。面对红外成像侦察制导威胁，在信息化战争条件下，机动目标及有源固定目标的热示假已经成为亟待解决的难题。假目标红外示假技术主要有传统的红外点源模拟、相变材料模拟、电热膜模拟和电热涂层模拟等。随着侦察手段的飞速发展，传统的红外点源模拟方式已经不能满足军事伪装的要求。相变材料利用高热惯量的特点，可通过调节参数来实现对不同厚度钢板表面温度随环境变化的模拟，并已在坦克炮塔、车轮等部位进行了验证试验[5]。该方法主要针对目标的关键部位实现无源模拟，无法实现热源部位的有效模拟。电热膜和电热涂层的红外模拟原理近似，都是通过电能转换成热能，具有面状发热、热效率高、外形可选择性强、适用范围广、热分布随意、温度可控等优点[6]。其中，电热膜主要制备方法是将导电材料热压在两层绝缘聚酯膜间，其光学特性和较低的发射率是红外示假应用的难点[7]，未见实际应用的报道。电热涂层使用方便，装备形式简单，可在任何基底表面涂覆，表面可通过喷涂光学涂层实现光学波段的示假。该方法既可以用于生产新型红外假目标，又能对我军现有假目标进行改装，使其具有红外热成像仿真的性能，具有广阔应用前景。

孙浩等研制出炭黑石墨复合电热涂料[8]，利用电热涂层制作出坦克的二维假目标模型[9]。何文龙基于石墨烯制备了水性电热涂料，分析了石墨烯用量和涂膜厚度对其导电性能的影响[10]；张朋等基于纳米碳材料制备了水性电热涂料，其中石墨烯涂层具有最低的体积电阻率，为0.032 6 Ω·cm[11]，量化分析了涂层的导电性能和电热性能；郭佩等采用多壁碳纳米管作为填料制备的电热涂料，使电阻率低至8.956 Ω·cm[12]；闫军等研究了偶联剂对环氧- 铜粉复合导电涂料导电性能的影响，当铜粉含量70%～75%、固化剂用量20%、偶联剂含量2%时，制备的导电涂料综合性能较好[13]。

电热涂料的制备方法很多，目前主要是实验室小样制备，尚未见大面积红外示假应用。本文在理论上计算分析了电热涂层应用于红外示假的可行性，设计制备了不同电阻率梯度的电热涂层，通过电热涂层的大面积制备，在某型假目标样机上进行应用试验，取得了较好的热补偿红外示假效果。

1 电热涂层模拟目标温度的理论分析

红外示假用电热涂层的目的是使其在温度低于目标温度时得到热补偿，或使假目标特征区域的热辐射特征与目标一致。本文首先建立电热涂层系统的简化热交换模型(见图1)，与目标的热交换模型进行比较，通过理论计算得到需要补偿的热量；然后在安全电压36 V基础上计算涂层的电阻率选择范围；进一步设计电热涂料中导电填料的添加比例以及电热涂层的制备厚度。图1中，dt为目标厚度，df、ds分别为假目标电热涂层系统中假目标厚度和系统总厚度，x为垂直于平板表面的坐标方向。

图1 目标和假目标电热涂层系统传热模型Fig.1 Heat transfer model of target and decoy electro-thermal coating system

对于电热涂层系统，涂层部分含有内热源Q，系统热模型的微分方程如下：

(1)

根据模型对目标和假目标一日内的温度进行计算，计算时所取参数[14]为：目标材料为钢板，密度7 854 kg/m3、导热系数60.5 W(m·K)、比热434 J/(kg·K)、厚度20 mm；假目标材料为天然橡胶布，密度1 000 kg/m3、导热系数0.2 W(m·K)、比热1 J/(kg·K)、厚度2 mm；电热涂层密度取2 000 kg/m3、导热系数取10 W/(m·K)、比热取10 J/(kg·K)、厚度取200 μm. 电热涂层内热源Φ分别取30 000 W/m3、50 000 W/m3、70 000 W/m3. 在以上条件下进行温度变化特性计算，计算出目标、假目标以及假目标涂覆不同电热涂层后1 d的温度变化曲线，如图2所示。当假目标温度低于目标温度时，可通过电热涂层加热进行热补偿，达到模拟目标红外辐射特性的目的。当电热涂层内热源为常数时，由于热惯量的内在差别，电热涂层系统通电加热的温度变化和目标仍有不同，但在实际使用过程中可通过不连续通电和渐变电压的方式精确调整温升曲线，做到与目标温度变化的实时匹配。

2 电热涂层制备及试验分析

考虑到目标不同部位、有无热源的状态下其红外辐射特性都有所不同，要达到有效的红外示假效果，首先需要研制不同电阻梯度的电热涂层，然后通过形状、结构和电路的综合设计实现目标红外辐射特性的动态模拟。本文重点研究不同梯度的电热涂层设计制备。

图2 电热涂层对目标温度的模拟Fig.2 Simulation of target temperature by electro-thermal coating

2.1 涂料配方研究

2.1.1 成膜物质的选取

考虑到电热涂层的实际应用情况，成膜物质应该符合下列条件：

1)电热涂层必须要有很好的附着力，而随着填料含量的增加附着力下降，因此要选取高填充的成膜物质，在保证较高比例填料纳入量的同时保证优良的附着力。

2)电热涂层工作温度较高，需要成膜物质有很好的温度稳定性；电热涂层的正温度系数效应(PTC效应)是指涂层基体(成膜物质)和填料由于温度升高而热膨胀，但由于膨胀系数不同致使涂层导电通路断开，涂层电阻率急剧增加的现象。为了避免这种现象发生，成膜物质的热膨胀系数应与填料粒子接近。

3)与民用电发热漆相比，假目标用电热涂层基体应有更好的附着力和抗冲击强度。

成膜物质选取的主要参数依据及其考虑的优先级为：填料可纳入量>温度稳定性>热膨胀系数>附着力和抗冲击强度。

表1给出了3种待选成膜物质的主要参数对比。表1中的结果表明，聚氨酯是电热涂层成膜物质的最佳选择(注：聚氨酯的最高工作温度为155 ℃；填料粒子的热膨胀系数约为1.7×10-5℃-1)。

表1 成膜物质的主要参数对比

2.1.2 导电填料的选取

首先，填料粒子要有很好的导电性，足够高的填料粒子电导率值能保证足够高的涂料和涂层电导率值，使涂层有足够高的发热功率。其次，由于涂层要有较好的温度稳定性，需要在较高温度下连续工作，填料粒子也应具有稳定的化学物理性质，不能因为较高的温度和电流而改性、氧化或电导率发生较大变化。再次，选取填料粒子形状时，应综合考虑涂料导电性、涂层强度、附着力以及涂层辐射特性。银粉是最早使用的导电填料，银粉导电性好，不易氧化，而且其氧化物也具有导电性，但其价格较为昂贵；铜粉导电性好，但极易氧化；镍粉价格适中，稳定性介于铜和银之间，但其电阻率大约是铜和银的7倍。合金粉填料可以是两相的、也可以是三相的，目的都是为了使涂料的综合性能得到提高；金属包覆型复合粉的主要目的是降低成本和提高涂料的导电性。综上所述，选取银包铜粉体作为导电填料，从而实现高导电性、稳定性和低成本的兼容。

2.1.3 电热涂层制备

调整电热涂料颜基比(导电填料和成膜物质的比值)，是调控涂层电阻率的主要手段。通过吕绪良等前期的理论计算[15]可知：涂层的有效导电率在渗流阈值附近有明显突变，而开始导电后有效导电率变化趋缓，因此在保证涂层优良的导电性能时，需要尽量控制导电填料的添加量。本文试验比较了不同颜基比电热涂层的性能效果，采用颜基比为10%、20%、30%的电热涂料，在1块涂层布上制备了不同梯度的电热涂层。

2.2 试验分析

将设计制备的电热涂层串联接入直流电路，通过热像仪分析其升温曲线，待其表面温度稳定后拍摄热图，结果如图3所示。图3中AR01、AR02、AR03为电热涂层，分别对应的颜基比为30%、20%、10%，AR04为背景区域。

图3 温度平衡后热图Fig.3 Thermal image after temperature balance

由图3可以看出,3块不同电阻率的涂层在串联电路中的平衡温度不同，明显地形成了3个斑点。涂层的升温情况如图4所示。

图4 升温曲线Fig.4 Temperature-raising curves

通过3块涂层和背景的平均温度变化曲线可知，涂层在通电后升温速度快，在2 min时基本达到了平衡温度，3块涂层的平衡辐射温度分别为50 ℃、40 ℃、33 ℃(背景温度28 ℃)。通常大于4 ℃的红外辐射温差，能够有效地形成热图斑点。因此，不同电阻率梯度的电热涂层能够满足目标红外辐射特性模拟的需求。

3 电热涂层应用试验

通过不同颜基比电热涂层的的小样制备和试验分析，掌握了不同电阻率电热涂层的升温特性，进一步制备电热涂层的大样，在某型假目标样机上验证大面积电热涂层的红外示假效果。将电热涂层样布电极接通电源(36 V)，暴露于大气环境1 h后，利用红外热像仪，在8～14 μm波段对处于静止状态的试验目标进行红外观察测量，红外观测点距试验目标直线距离为50 m. 测试结果如图5所示(分别采集了夜间20：45、21：45、23：15、00：15等时刻的热图)。

图5 电热涂层红外示假热图Fig.5 Infrared images of electoral-thermal coating

根据图5可知，电热涂层比背景的平均温度高5.67 ℃，最大温差为0:15时的7.1 ℃，最小温差为20:45时的3.9 ℃.

4 结论

本文通过假目标涂覆电热涂层模拟目标温度的理论分析，有效指导了不同颜基比电热涂层的制备。进一步开展了不同梯度的电热涂层试验，在实验室内有效形成了不同温度梯度的红外热图，为模拟目标整体红外辐射特性奠定了基础。为了验证电热涂层在假目标上的实际应用，针对假目标侧上装甲部位制备了电热涂层大样，野外试验表明其在连续通电的过程中比背景高出5 ℃左右，可使假目标具有显著的红外辐射特性。

本文主要验证了电热涂层应用于红外示假的可行性，解决了不同电阻率梯度电热涂层设计制备及大面积应用的问题。下一步需要系统分析机动目标的红外辐射特性，并针对不同的热源部位设计制备不同的电热涂层模块及红外特征模拟温度控制器，以达到准确模拟目标红外辐射特性的目的。