紅外偽裝織物涂層材料的研制及其性能研究.pdf

1、隨著紅外隱身材料研發(fā)與應用的重要性與日劇增，紅外隱身涂層成為紅外隱身材料的熱點，如何設計和制備具有低紅外發(fā)射率和工程應用性能的紅外隱身涂層材料成為關鍵。紅外探測系統(tǒng)對目標物的探測和識別，主要取決于目標物與背景的紅外輻射特征對比和環(huán)境因素。改變目標物表面的溫度或降低目標物的紅外發(fā)射率都可以達到紅外偽裝的目的。目前的紅外隱身涂層研究大多以低紅外發(fā)射率隱身材料為主要內(nèi)容，對減少目標物紅外輻射能量的功能性隔熱填料的研究較少?？招奶沾晌⑶蚴且环N中

2、空微球，內(nèi)部充斥氣體，具有中空、質(zhì)輕、防火、阻燃、耐高溫和耐腐蝕的特點，適合用作隔熱材料，且可以通過包覆、接枝、鍍膜等方法實現(xiàn)表面功能化。金屬氧化物如氧化硅、鐵氧體等具有低紅外發(fā)射率特征，本文利用金屬氧化物對空心陶瓷微球表面進行改性，以期獲得可以降低目標物表面溫度的隔熱型紅外偽裝涂層材料，同時亦能調(diào)整目標物表面的紅外發(fā)射率。另外，低輻射率的紅外隱身涂層材料中，金屬摻雜的ZnO半導體是近年來新興的紅外隱身材料，可以實現(xiàn)紅外波段的高反射低發(fā)

3、射，多采用B、Al、Ga、In等ⅢA族元素對ZnO進行摻雜，并且大多集中于金屬摻雜ZnO基薄膜的研究，對摻雜ZnO納米晶體的紅外隱身性能并不多見。因此，本文合成了Al摻雜ZnO、（Al、La）和（Al、In）共摻雜 ZnO納米晶體，添加粘合劑制備了第二種可降低目標物表面發(fā)射率的紅外偽裝涂層材料。同時研究了這兩種不同類型涂層材料的制備條件和涂覆條件對棉織物在8-14μm波段的紅外發(fā)射率和紅外成像的影響。并實驗模擬典型環(huán)境，研究了幾種涂層織

4、物在典型環(huán)境下的紅外偽裝效果。
　　1.改性空心陶瓷微球的制備及紅外隱身性能研究
　　分別用硫酸鋁浸泡法、硅酸鋁共沉淀法、鐵氧體共沉淀法制備硫酸鋁、硅酸鋁和鐵氧體改性空心陶瓷微球，與適當?shù)恼澈蟿┌幢壤浞只旌?，直接涂覆到棉織物表面后干燥，制備隔熱型紅外隱身織物。初步探討了空心陶瓷微球粗化條件、改性溶液pH值、改性時間、粘合劑種類和涂層條件對棉織物紅外隱身性能的影響，并利用X射線衍射（XRD）表征改性空心陶瓷微球的結(jié)構。結(jié)果表

5、明：粗化工藝是Kw-20空心陶瓷微球前處理的關鍵，氫氟酸濃度為0.5％，粗化時間5min時，空心陶瓷微球表面刻蝕均勻，粗化效果最好。XRD表征表明空心陶瓷微球表面合成的氧化鋁、氧化硅和鐵氧體分別為薄水鋁石、無定形和立方反尖晶石。用濃度為10%的硫酸鋁溶液在pH=4條件下對空心陶瓷微球處理時間4h，得硫酸鋁改性空心陶瓷微球，用粘合劑C（聚醋酸乙烯乳液粘合劑）將硫酸鋁改性空心陶瓷微球涂覆在織物上，涂層織物的紅外發(fā)射率為0.895；用0.25

6、mol/L硫酸鋁和0.5mol/L硅酸鈉溶液在pH=4條件下對空心陶瓷微球處理時間4h，制得硅酸鋁改性空心陶瓷微球，用粘合劑C將硅酸鋁改性空心陶瓷微球涂覆在織物上，涂層織物的紅外發(fā)射率為0.815；用0.5mol/L硝酸鐵溶液和0.5mol/L六亞甲基四胺溶液在pH=9條件下對空心陶瓷微球處理時間4h，得鐵氧體改性空心陶瓷微球，用粘合劑 C將鐵氧體改性空心陶瓷微球涂覆在織物上，涂層織物的紅外發(fā)射率為0.918。以上三種涂層材料都降低了棉

7、織物的紅外發(fā)射率。提高涂層中改性空心陶瓷微球用量，增加涂層層數(shù)，涂層織物的紅外發(fā)射率均先下降后上升，當微球用量30%，涂覆8層時三種涂層織物都具有最低紅外發(fā)射率值。隔熱性能測試表明在將三種改性空心陶瓷微球涂層覆蓋在36℃手心上，棉織物的表面溫度可降低7℃左右，隔熱效果良好。紅外成像測試結(jié)果表明：涂覆硅酸鋁改性空心陶瓷微球的織物涂層具有良好紅外隱身效果，涂覆硫酸鋁改性空心陶瓷微球的織物涂層的紅外隱身效果最差。
　　2.摻雜ZnO晶體

8、的制備及紅外隱身性能研究
　　由于改性微球涂層對棉織物紅外發(fā)射率的改變不夠顯著，為獲得能夠顯著降低棉織物表面紅外發(fā)射率的材料，本文進一步合成了Al摻雜氧化鋅（ZAO）, Al、La共摻雜氧化鋅（ZnO:(Al,La)），Al、In共摻雜氧化鋅（ZnO:(Al,In)）。將摻雜 ZnO晶體與適當?shù)恼澈蟿┗旌?，直接涂覆到棉織物表面后干燥，制備了低紅外發(fā)射率紅外隱身棉織物。探討了摻雜金屬的種類和用量、摻雜 ZnO晶體的超細化、粘合劑與摻

9、雜 ZnO填料的比例對棉織物紅外發(fā)射率的影響，并利用X射線衍射（XRD）表征摻雜ZnO晶體的結(jié)構。結(jié)果表明Al、La和In在ZnO都有效摻雜，Al、La、In的摻雜有利于ZnO晶體沿c軸擇優(yōu)取向生長，增強了晶體的結(jié)晶性，降低了晶體的紅外發(fā)射率。提高摻雜Al、La、In的用量，ZAO、ZnO:(Al,La)、ZnO:(Al,In)涂層織物紅外發(fā)射率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。對摻雜 ZnO晶體進行超細化，ZAO、ZnO:(Al,La)、Zn

10、O:(Al,In)晶體的顆粒粒徑隨球磨時間的延長而下降，摻雜ZnO涂層織物的紅外發(fā)射率降低。粘合劑C與ZAO填料的比例下降，摻雜ZnO涂層織物的紅外發(fā)射率降低。Al摻雜摩爾百分比5%，粘合劑C與ZAO填料質(zhì)量比70:30，球磨時間30h，ZAO晶體的平均粒徑140nm時涂層織物在8~14μm波段最低紅外發(fā)射率為0.780。Al摻雜摩爾百分比5%，La摻雜摩爾百分比2%，粘合劑C與ZnO:(Al,La)填料質(zhì)量比為70:30，球磨時間為3

11、0h，ZnO:(Al,La)晶體的平均粒徑120nm時ZnO:(Al,La)涂層織物最低紅外發(fā)射率為0.628。Al摻雜摩爾百分比為5%，In摻雜摩爾百分比為7.5%，粘合劑C與ZnO:(Al,In)填料質(zhì)量比70:30，球磨時間為30h，ZnO:(Al,In)晶體的平均粒徑180nm時ZnO:(Al,In)涂層織物最低紅外發(fā)射率為0.715。紅外成像儀測試結(jié)果顯示三種摻雜ZnO涂層都有良好的紅外隱身性能，其中摻雜ZnO:(Al,La)

12、涂層織物的紅外發(fā)射率最低，其紅外隱身效果最好。
　　3.環(huán)境模擬和紅外隱身性能評價
　　為了定量評價改性空心陶瓷微球和摻雜 ZnO晶體涂層織物在典型背景中的紅外偽裝效果，論文以灰度代表參照物的紅外發(fā)射能量，分析了氣候和氣象條件對典型參照物紅外輻射強度的影響，及典型環(huán)境中人體穿著單一涂層織物和混合涂層織物的紅外隱身效果。結(jié)果表明目標物與參照物紅外輻射強度特征對比隨環(huán)境溫度和濕度呈現(xiàn)不同的變化特征。具有慢速吸熱和放熱參照物的環(huán)境

13、中，恒溫動物（人體替代物）與背景的紅外輻射差異穩(wěn)定，易于進行紅外偽裝；而在具有快速吸熱和放熱的參照物環(huán)境中，恒溫動物與背景的紅外輻射差異隨溫度波動較大，進行紅外偽裝難度較大。濕度對參照物的紅外輻射強度也有影響，同一環(huán)境中氣候潮濕時恒溫動物與背景的紅外輻射差異增大，增加了紅外偽裝的難度。人體穿著不同類型單一涂層織物的紅外成像測試表明6種涂層織物的灰度按照ZnO:(Al,La)、ZnO:(Al,In)、ZAO、硅酸鋁改性空心陶瓷微球、硫酸鋁

14、改性空心陶瓷微球、鐵氧體改性空心陶瓷微球涂層材料的高低順序依次降低，與在8~14μm波段的紅外發(fā)射率的變化規(guī)律相吻合。將上述6種涂層涂覆在同一塊織物的不同部位上制備復合涂層織物，其紅外成像測試表明混合涂層可較好的實現(xiàn)人體熱像圖像的分割，縮小人體與背景的紅外輻射差異，與單一涂層相比提高了棉織物對人體的紅外偽裝性能。而且灰度值比較計算表明：改性空心陶瓷微球和摻雜ZnO晶體涂層織物遮蔽的目標物與典型環(huán)境中的某種參照物被人眼識別的灰度值小于3，