作者简介: 张佳伦, 2001年生,安徽工业大学工程研究院硕士研究生 e-mail: 1799502806@qq.com
仿绿色植被伪装材料一直是多频谱兼容隐身领域的研究热点。 以聚氨酯树脂基体、 黄蓝色浆、 片状铝粉为主要原料, 通过黄蓝色浆配比、 片状铝粉及总颜料(色浆+铝粉)量的调控, 制备得到了一种具有与绿色植被相似可见近红外反射光谱特征的低红外发射率涂层。 系统研究了黄蓝色浆配比、 片状铝粉添加量及总颜料添加量对涂层可见近红外反射光谱、 颜色特征、 红外发射率及力学性能的影响规律, 并对其红外隐身效果进行了评估。 结果表明: 在9∶1~9.8∶0.2范围内调控黄蓝聚氨酯色浆比例, 涂层的颜色可在翠绿色到黄绿色范围内变化, 涂层在可见光波段的反射峰可在541~545 nm范围内变化, 与涂层的颜色变化规律一致。 调控黄蓝聚氨酯色浆比例至9.6∶0.4, 涂层在可见近红外反射光谱中具有与绿色植被相似的绿峰特征, 使涂层体现出与绿叶匹配的黄绿色特征。 不同色浆配比条件下的纯色浆涂层发射率均大于0.894, 涂层基本不具备红外隐身效果。 在最佳黄蓝色浆配比下通过在涂层中添加少量的片状铝粉便可显著降低涂层的发射率。 随着涂层中片状铝粉添加量的增大, 涂层的发射率降低, 涂层的黄绿色颜色特征变浅, 但反射光谱中依然可以在545 nm处看到一黄绿色反射峰的存在。 当涂层中的片状铝粉添加量为10%, 涂层的红外发射率可降至0.679, 相比纯色浆涂层的发射率(0.894)降低了24%, 且涂层依然保持了明显的绿峰和黄绿色可见光特征。 在最佳铝粉和色浆配比条件下调控涂层中的总颜料量, 涂层的颜色特征及545 nm处的谱峰特征基本没有变化。 当涂层中的总颜料量不超过50%时, 涂层的红外发射率可随总颜料量的增大而降低。 通过调控总颜料量发现其为50%时, 涂层的发射率可低至0.677, 红外隐身性能最佳。 同时涂层具备优异的力学性能(附着力1级、 柔韧性2 mm、 耐冲击强度50 kg·cm)。
In recent years, green vegetation-like camouflage materials have become a research hotspot in multi-spectrum compatible stealth. In this paper, polyurethane resin matrix, yellow and blue paste, and flake aluminum powder were used as the main raw materials, a kind of low infrared emissivity coating with visible near-infrared reflectance spectral characteristics similar to green vegetation was prepared by adjusting the ratio of yellow and blue paste, the amount of flake aluminum powder and total pigment (color paste+aluminum powder). The effects of the ratio of yellow and blue paste, the amount of flake aluminum powder, and the amount of total pigment on the visible near-infrared reflectance spectrum, color characteristics, infrared emissivity, and mechanical properties of the coating were systematically studied, and the infrared stealth effect was evaluated. The results show that the color of the coating varies from emerald green to yellow-green by adjusting the ratio of yellow and blue polyurethane paste in the range of 9∶1~9.8∶0.2, and the reflection peak of the coating in the visible band varies from 541 to 545 nm, which is consistent with the color change of the coating. When the ratio of yellow and blue polyurethane paste is adjusted to 9.6∶0.4, the coating has the characteristics of a green peak similar to that of green vegetation in the visible near-infrared reflectance spectrum, which makes the coating match the yellow-green characteristics of green leaves. The emissivity of the pure color paste coating under different color paste ratios is greater than 0.894, so the coating has no infrared stealth effect. Under the optimum ratio of yellow and blue paste, the emissivity of the coating can be significantly reduced by adding a small amount of flake aluminum powder to the coating. With the increase of flake aluminum powder in the coating, the emissivity of the coating decreases, and the yellow-green color characteristics become lighter. However, the reflection spectrum can still show a yellow-green reflection peak at 545 nm. When the amount of flake aluminum powder in the coating is 10%, the infrared emissivity of the coating can be reduced to 0.679, which is 24% lower than that of the pure paste coating (0.894), and the coating still retains the obvious green peak and yellow-green visible light characteristics. The color characteristics of the coating and the spectral peak characteristics at 545 nm are unchanged when the total pigment content in the coating is adjusted under the optimal ratio of aluminum powder and color paste. When the total amount of pigment in the coating does not exceed 50%, the infrared emissivity of the coating decreases with the increase of the total pigment content. By adjusting the total amount of pigment, it is found that when it is 50%, the emissivity of the coating can be as low as 0.677, and the infrared stealth performance is the best. At the same time, the coating has excellent mechanical properties (adhesion strength is grade 1, flexibility is 2 mm, and impact strength is 50 kg·cm).
伪装技术的目的是隐藏各类军事目标的特征, 使其在潜在威胁下不易被敌方探测设备发现从而保护自己。 最初的伪装灵感来源于各类动物尤其是变色龙, 他们通过改变自己表面肤色使自身与周围环境颜色相近进而迷惑捕食者, 这就是最真实的可见光隐身[1]。 近年来, 新型高灵敏性探测技术得到了快速发展, 其中红外热成像技术在军事领域的广泛应用使得防护光学与红外侦察的低红外发射率材料研究具有了重要意义[2, 3, 4]。 要使红外与可见光伪装综合效果较好, 所使用的隐身材料必须具有良好的环境适应性[5]; 而传统的用于环境适应性伪装的各类材料(如各类迷彩伪装涂层)往往具有较高的红外发射率, 导致高的红外辐射能量, 易使装备在红外波段显形[6]。 因此, 在可见光隐身涂层的基础上降低其红外发射率是实现红外与可见光兼容伪装的有效手段。
目前, 由于缺乏能精确拟合叶绿素光谱特性的颜料, 无法实现对叶绿色的准确模拟[7], 这易导致在高光谱目标检测中存在暴露的风险。 因此, 黄色与蓝色聚氨酯色浆调配获得同时具有黄绿色颜色特征和绿色植被绿峰特性的涂层是设计红外与可见光兼容伪装涂层值得考虑的问题。 以片状铝粉为功能颜料制备复合涂层, 因其红外发射率低和成本低廉的优点在红外隐身涂层制备方面应用广泛[8, 9]。 国内外学者通过研究铝粉形貌、 尺寸、 用量等关键因素与涂层发射率的关系, 研制出了一系列低发射率涂层[10, 11, 12]。 还研究了填料量、 涂层厚度对红外发射率的影响, 发现具有较高的铝粉含量往往是实现涂层低红外发射率的必要条件[13]。 但是铝粉的高光泽度以及质量较轻的特点导致其容易在固化过程中漂浮在涂层表面, 不可避免地引起可见光和红外的兼容问题[14]。 为了解决此类问题, Wang等[15]采用普鲁士蓝(PB)表面改性铝粉和聚氨基甲酸酯制备了黄绿色低红外发射率暗光涂层, 测试结果表明涂层的光泽度和8~14 μ m发射率明显降低。 在有机胶黏剂中, 聚氨酯因其优异的物理性能、 耐腐蚀及耐磨性能而被广泛应用于涂层制备[16, 17]。 但是, 聚氨酯本身具有较高的红外发射率[18], 因此需要例如铝粉这种低红外发射率特殊金属颜料作填料降低涂层的发射率[19, 20]。 也可通过对聚氨酯先进行改性并改变其涂装工艺, 使涂层的物理和化学性能优化并大大降低涂层的发射率和可见光特征[21]。 但目前报道的少量有关红外与可见光兼容隐身涂层只关注涂层的发射率和颜色特征, 而有关涂层的光谱谱峰特征则关注极少, 这使相关涂层无法满足近年来新出现的高光谱隐身需求。
为此, 通过系统研究色浆比例、 铝粉添加量、 总颜料添加量等关键因素对涂层红外发射率、 可见-近红外光谱、 力学性能的影响规律。 得到了一种与绿色植被具有相似可见近红外反射光谱特征的隐身涂层, 并对其红外伪装效果进行评估。
片状铝粉(粒径20~50 μ m, 固含67%), 章丘金属颜料有限公司; 聚氨酯(PU, 液态, 固含67%), 安徽省金盾涂料有限责任公司; 聚氨酯专用黄、 蓝色浆(纯度99.5%), 东莞云泽新材料科技有限公司; 硅烷偶联剂(KH560, 纯度99.0%), 马口铁片(测试级, 12 cm× 5 cm× 0.28 mm), 南京斯帝尔涂料有限公司。
UV-3600型UV-VIS-NIR分光光度计, 日本岛津公司; JSM-6510 LV型扫描电子显微镜, 日本电子株式会社; QFH漆膜划格仪、 QTY-10A漆膜圆柱弯曲试验仪、 QCJ漆膜耐冲击强度测试仪, 天津精科联材料试验机有限公司; M600F手持红外热成像仪, 烟台艾睿光电科技有限公司。
先用砂纸打磨马口铁基片的其中一面使其表面出现一定粗糙痕迹, 用纸巾蘸取无水乙醇将基片表面的铁屑与油污擦拭干净, 随后作为涂层基板待用。 按PU(黄)和PU(蓝)的质量比为9∶ 1、 9.2∶ 0.8、 9.4∶ 0.6、 9.6∶ 0.4、 9.8∶ 0.2称取一定量色浆后分别放置于一次性塑料杯中, 按总色浆和聚氨酯质量比为1∶ 9添加一定量的聚氨酯粘合剂, 用玻璃棒搅拌完全均匀, 外观上平滑细腻后将其分别倒入马口铁基板上, 用玻璃棒一次性刮涂成膜, 室温放置3 h后放入烘箱80 ℃固化3 h获得涂层, 对其进行微观形貌分析、 可见近红外光谱分析、 力学性能测试。 在最佳黄蓝色浆配比下加入铝粉, 固定总颜料量(色浆+铝粉)为40%, 调控铝粉与色浆的比例, 研究铝粉添加量(7%、 9%、 10%、 11%、 13%)对涂层性能的影响。 最后调控总颜料量的变化, 研究总颜料添加量(30%、 35%、 40%、 45%、 50%)对涂层性能的影响规律。
用UV-3600型UV-VIS-NIR分光光度计、 JSM-6510 LV型扫描电镜、 QFH漆膜划格仪、 QTY-10A漆膜圆柱弯曲试验仪、 QCJ漆膜耐冲击强度测试仪、 M600F手持红外热成像仪表征涂层在400~1 200 nm波段的可见近红外反射光谱、 微结构、 附着力、 柔韧性、 耐冲击强度和红外伪装效果。
图1所示为不同黄蓝色浆比所制备涂层的外观照片。 可见, 随着黄蓝色浆比的增加涂层颜色可从翠绿转变为中绿最后变成黄绿, 表明涂层的表观颜色可根据不同黄蓝色浆比调控直至达到不同绿色系涂层需求。 另外, 涂层中聚氨酯树脂与聚氨酯色浆匹配良好, 涂层色泽鲜艳, 色度饱满。
![]() | 图1 不同黄蓝色浆配比所制备涂层的外观照片Fig.1 Appearance of the coating prepared with different yellow-blue paste ratios |
图2所示为不同黄蓝色浆比所制备涂层的SEM照片。 可见, 不同黄蓝色浆配比条件下所制涂层均具有平整光滑的表面特征, 表面结构规整, 没有裂纹、 粉化、 龟裂等涂层微观结构缺陷, 涂层整体交联固化程度高。 涂层可表现出良好的色泽和对基材的保护性能。
![]() | 图2 不同黄蓝色浆配比所制备涂层的SEM照片 (a): 9.2∶ 0.8; (b): 9.6∶ 0.4; (c): 9.8∶ 0.2Fig.2 SEM images of coatings prepared with different yellow-blue paste ratios (a): 9.2∶ 0.8; (b): 9.6∶ 0.4; (c): 9.8∶ 0.2 |
图3所示为不同黄蓝色浆配比条件下涂层的可见近红外反射光谱。 可见不同黄蓝色浆配比所制得的涂层在540~550 nm波长范围内均存在一强吸收峰, 表明所制备涂层均有绿色特征, 吸收峰强度和形状基本一致, 此特征峰随着黄蓝色浆比例的增加, 绿峰位置可从黄蓝色浆配比为9∶ 1时的541 nm红移至黄蓝色浆配比为9.8∶ 0.2时的545 nm, 更为接近绿色植被可见近红外光谱对应的550 nm绿峰[22]。 表明采用聚氨酯黄、 蓝色浆的调控可以在聚氨酯基涂层中调配出与绿色植被可见近红外反射光谱特征基本一致的绿色系涂层, 这为后续绿色系低红外发射率涂层的调控创造了条件。
![]() | 图3 不同黄蓝色浆配比所制备涂层的可见近红外反射光谱Fig.3 Visible near-infrared reflectance spectra of coatings prepared with different yellow-blue paste ratios |
不同黄蓝聚氨酯色浆比例下涂层的力学性能如表1所示。 可见, 黄蓝色浆的比例变化对涂层的附着力、 柔韧性和耐冲击强度没有影响, 均可达到最佳状态的1级、 2 mm和50 kg· cm。 其主要原因是所选用的色浆为聚氨酯专用有机色浆, 其分子链具有良好的柔性和弹性特征, 与制备涂层所用聚氨酯树脂相容性好, 渗透性强。 同时, 聚氨酯树脂的柔性分子链能够有效吸收和分散外部冲击和应力, 防止涂层开裂和剥离。 在涂层的固化过程中, 聚氨酯色浆会与树脂基体发生物理交联形成网络结构, 进一步增强涂层的耐磨性和耐冲击强度。 对涂层的发射率测试结果表明, 由纯色浆和树脂基体构成的涂层由于不存在低发射率颜料, 涂层的红外发射率均较高, 可达0.894以上, 不具备红外隐身效果。 综合考虑涂层的颜色特征及在可见近红外光谱中的绿峰与绿色植被的相似性, 确定黄蓝色浆最佳配比为9.6∶ 0.4。
![]() | 表1 不同黄蓝色浆比例下涂层的性能参数 Table 1 Performance parameters of coatings with different yellow-blue paste ratios |
黄蓝色浆配比固定为9.6∶ 0.4, 总颜料(色浆+铝粉)量固定为40%, 不同铝粉添加量所制备涂层的外观如图4所示。 随着铝粉含量的增加, 涂层颜色特征逐渐变浅。 主要是由于铝粉是片状结构, 漂浮性较强, 在涂料中易漂浮于表面, 对涂层的颜色特征产生遮盖, 使得涂层表观颜色变浅并体现出泛白的效果。 但在铝粉含量10%以内仍然可以明显观察到涂层具有黄绿色特征。
![]() | 图4 不同铝粉添加量所制备涂层的外观照片Fig.4 Appearance of the coatings prepared with different aluminum powder dosages |
图5为不同铝粉添加量所制备涂层的SEM照片。 由图可见, 铝粉作为低发射率功能颜料以片状结构填充在涂层中, 片状铝粉在涂层中分散均匀, 大部分呈现水平分布状态。 随着铝粉含量从7%增加至13%, 涂层中均匀分散的片状铝粉特征更加明显, 在涂层中的致密性显著提高, 这一结构特征有利于涂层对红外光产生较强的反射作用, 从而达到在原先纯色浆涂层基础上明显降低涂层发射率的效果。 另外, 铝粉含量为10%时涂层表面树脂层特征依然明显, 这有利于在树脂中分布的色浆体现出涂层的颜色特征。
![]() | 图5 不同铝粉添加量所制备涂层的SEM照片 (a): 7%; (b): 10%; (c): 13%Fig.5 SEM images of coatings prepared with different aluminum powder dosages (a): 7%; (b): 10%; (c): 13% |
图6所示为不同铝粉添加量所制备涂层的可见近红外反射光谱。 随着铝粉含量的增加, 涂层在545 nm波长处的吸收峰逐渐减弱。 其主要原因在于片状铝粉的漂浮性强, 在聚氨酯基涂料中会浮于表面使黄绿色涂层逐渐泛白, 进而导致545 nm处吸收峰强度减弱。 但在铝粉含量为10%以内涂层依然在545 nm处保持了较为明显的黄绿色特征峰, 这和涂层的外观颜色特征一致。
![]() | 图6 不同铝粉添加量所制备涂层的可见近红外反射光谱Fig.6 Visible near-infrared reflectance spectra of coatings prepared with different aluminum powder additions |
表2为不同铝粉添加量涂层的性能参数。 如表所示, 随着铝粉含量的增加, 涂层的附着力、 柔韧性、 耐冲击强度均可保持在最优状态, 发射率明显降低。 这是因为铝粉的颗粒较小且在涂层中的含量较低, 不会对涂层的力学性能产生显著影响。 另外, 片状铝粉的密度较小, 容易浮在涂层表面, 使得涂层的发射率降低。 当铝粉含量为10%时, 涂层同时具有明显的黄绿色特征和较低的发射率(0.679), 相比于黄绿色纯色浆涂层的发射率(0.894)降低了24%, 有望使涂层具备良好的红外隐身效果。
![]() | 表2 不同铝粉添加量下所制备涂层的性能参数 Table 2 Performance parameters of coatings with different aluminum powder dosages |
图7为不同铝粉添加量的涂层红外热成像照片, 测试过程中以装有100 ℃开水的容器为热源。 可见, 在加入铝粉之前聚氨酯涂层的红外热成像显示为红色, 红外热辐射特征明显, 较背景差异很大; 随着铝粉含量的增大, 涂层的红外热成像逐渐变绿再变蓝, 与环境的匹配程度明显提高, 体现出良好的红外隐身效果。 说明在聚氨酯涂层中加入铝粉后热源的热量被涂层明显抑制, 红外辐射特征减弱。 上述现象表明, 铝粉的添加在一定程度上提高了涂层的红外隐身性能, 且随着铝粉含量的增加涂层的红外隐身性能增强。 当铝粉含量为13%时可以明显看出在高温作用下涂层的红外特征接近于室温下周围环境, 达到了突出的红外隐身效果。 但过高的铝粉含量会明显削弱涂层的颜色特征, 影响涂层的可见光兼容性, 综合考虑涂层中铝粉含量为10%较佳。
黄蓝色浆配比固定为9.6∶ 0.4, 铝粉与色浆配比固定为10∶ 30, 不同总颜料(铝粉+色浆)量涂层的外观如图8所示。 可见不同总颜料量的涂层颜色整体呈现黄绿色特征, 总颜料量的变化对涂层颜色及外观无明显影响。
图9为不同总颜料量所制备涂层的SEM照片。 由图可见, 不同总颜料量所制备涂层表面均没有出现裂纹, 表面结构较为平整。 随着总颜料量的增加, 铝粉均匀地分散在树脂中, 铝粉在涂层内部的致密性明显增强。 但是颜料量过多会使树脂基体无法黏结涂层内部的所有颜料而导致涂层内部出现龟裂, 力学性能大幅下降[23]。 因此总颜料量控制在50%以内较为合适。
![]() | 图9 不同总颜料量所制备涂层的SEM照片 (a): 30%; (b): 40%; (c): 50%Fig.9 SEM images of the coatings prepared with different total pigment amounts (a): 30%; (b): 40%; (c): 50% |
图10所示为不同总颜料量涂层的可见近红外反射光谱。 可见, 不同总颜料量所制备的涂层在545 nm处均存在一明显的吸收峰, 随着总颜料量的增加吸收峰强度无明显变化。 这和不同总颜料量的涂层外观始终保持明显的黄绿色特征一致。
![]() | 图10 不同总颜料量所制备涂层的可见近红外反射光谱Fig.10 Visible near-infrared reflectance spectra of coatings prepared with different total pigment amounts |
不同总颜料量下涂层的总体性能如表3所示。 随着总颜料量的增加, 涂层的表观黄绿色颜色特征变化不大, 发射率随着总颜料量的增加先减小后增大, 在总颜料量为50%时发射率最低为0.677。 并且其力学性能依旧保持最优。 随着总颜料量的进一步增加, 其各项力学性能显著变差, 因此确定总颜料量为50%时, 涂层性能最佳。
![]() | 表3 不同总颜料量所制备涂层的性能参数 Table 3 Performance parameters of coatings prepared under different total pigment amounts |
图11为不同总颜料量所制备涂层的红外热成像照片, 测试过程中以装有100 ℃开水的容器为热源。 可见, 涂层在红外热成像下的颜色随着总颜料量的增加先变绿再变蓝, 当总颜料量为50%时涂层在高温热源上的颜色特征与周围环境相近, 对热源的红外辐射起到了很好的抑制作用。 达到了突出的红外隐身效果且兼顾了一定的可见光隐身性能。
通过对聚氨酯黄蓝色浆配比、 铝粉添加量、 总颜料添加量的系统调控, 得到了一种基于绿色植被可见近红外反射光谱特征的低红外发射率涂层。 当黄蓝色浆比例达9.6∶ 0.4时, 涂层可在543 nm处出现与绿叶光谱特征相似的绿峰, 且与国军标798A所列YG1965黄绿色色差为7.1, 可以较好地达到可见光隐身性能。 在最佳色浆配比下添加铝粉, 可通过铝粉的低红外发射率特性改善涂层的红外隐身性能, 最佳铝粉添加量为10%, 发射率可降至0.679。 此外, 调控总颜料(色浆+铝粉)量为50%, 涂层在具备明显黄绿色特征的同时发射率可降至0.677, 红外热成像测试结果表明涂层具备优异的红外隐身效果。 涂层的力学性能均为最优(附着力1级、 柔韧性2 mm, 耐冲击强度50 kg· cm)。
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