張偉鋼，徐國躍，薛連海

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低紅外發(fā)射率材料研究進(jìn)展

張偉鋼1,2，徐國躍2，薛連海1

（1. 滁州學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2. 南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106）

低紅外發(fā)射率材料是目前公認(rèn)的可實(shí)現(xiàn)飛行器紅外隱身的特種功能材料。現(xiàn)已報(bào)道了納米復(fù)合薄膜、單層（多層）膜結(jié)構(gòu)材料、樹脂/金屬復(fù)合涂層、樹脂/半導(dǎo)體復(fù)合涂層、核殼結(jié)構(gòu)材料等多種類型的低紅外發(fā)射率材料。介紹了上述低紅外發(fā)射率材料的優(yōu)缺點(diǎn)及最新研究進(jìn)展，指出低紅外發(fā)射率涂層的理論研究、紅外與激光兼容隱身材料、樹脂/半導(dǎo)體復(fù)合涂層及紅外光譜選擇性低發(fā)射率涂層是未來的重點(diǎn)研究方向。

低紅外發(fā)射率材料；納米復(fù)合薄膜；單層（多層）膜結(jié)構(gòu)材料；樹脂/金屬復(fù)合涂層；樹脂/半導(dǎo)體復(fù)合涂層；核殼結(jié)構(gòu)材料

0 引言

飛行器在飛行過程中由于發(fā)動(dòng)機(jī)及氣動(dòng)加熱使目標(biāo)輻射大量的紅外線，其中大部分輻射能被大氣吸收，但處于大氣窗口波段（3～5mm及8～14mm）的紅外輻射由于無法被大氣衰減而容易被紅外探測器所捕獲，導(dǎo)致目標(biāo)暴露而被敵方武器所摧毀。因此實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的紅外隱身以提高飛行器戰(zhàn)地生存能力及戰(zhàn)斗力具有重要的戰(zhàn)略意義。

降低目標(biāo)紅外輻射能量是實(shí)現(xiàn)飛行器紅外隱身的關(guān)鍵，目標(biāo)的紅外輻射能量可由斯蒂芬-波爾茲曼定律表示[1]：＝04，式中：為目標(biāo)的紅外發(fā)射率；0為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；為目標(biāo)的表面溫度?？芍?，通過降低目標(biāo)的紅外發(fā)射率或表面溫度可有效降低目標(biāo)的紅外輻射能量，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的紅外隱身。采用降低目標(biāo)表面溫度的方法往往需要引入較多其它材料或設(shè)備，不但會(huì)大大增加目標(biāo)自重而影響目標(biāo)作戰(zhàn)性能，而且引入的材料和設(shè)備受目標(biāo)幾何形狀限制明顯，且是以損失動(dòng)力為代價(jià)?？梢姴捎玫图t外發(fā)射率材料以降低目標(biāo)紅外發(fā)射率是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)紅外隱身的最行之有效的方法。

目前，有關(guān)低紅外發(fā)射率材料研究較多的包括納米復(fù)合薄膜[2]、單層（多層）膜結(jié)構(gòu)材料[3]、核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[4]及有機(jī)無機(jī)復(fù)合涂層材料[5]等，上述材料類型各有特點(diǎn)。本文將重點(diǎn)對(duì)上述各類低紅外發(fā)射率材料優(yōu)缺點(diǎn)、近年來的研究進(jìn)展及未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行系統(tǒng)的分析和探討。

1 低紅外發(fā)射率材料研究進(jìn)展

1.1 納米復(fù)合薄膜

我國東南大學(xué)有關(guān)課題組在該領(lǐng)域研究中處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，其在材料功能特性，即低紅外發(fā)射率性能指標(biāo)方面已取得了重大突破，代表性成果主要包括：Zhang F. Y.等[2]以殼聚糖（CS）、魔芋葡甘聚糖（KGM）及CdS為原料，采用一步法制備了CS/KGM/CdS有機(jī)-無機(jī)復(fù)合納米薄膜。采用IR、TEM、SEM及紅外發(fā)射率測試儀對(duì)薄膜的性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，Cd2＋和CS/KGM反應(yīng)12h后形成了樹枝狀結(jié)晶的CdS，其平均粒徑為40nm，在CS/KGM體系中分布良好。所制備薄膜同樣具有很低的紅外發(fā)射率，當(dāng)CdS顆粒粒徑在10～20 nm，CdS與CS & KGM總量的摩爾比為1:1時(shí)，復(fù)合薄膜的紅外發(fā)射率可低至0.011。Lin B. P.等[6]以聚酰亞胺與串狀納米BaTiO3顆粒為原料制備了聚酰亞胺/BaTiO3納米復(fù)合薄膜，BaTiO3添加量越高所形成的薄膜越均勻，而薄膜的紅外發(fā)射率與BaTiO3添加量并不成線性關(guān)系，當(dāng)BaTiO3添加量為14.7%()時(shí)，薄膜在8～14 μm波段發(fā)射率最低可達(dá)0.574。隨后他們又以聚酰亞胺與類球狀介孔SiO2顆粒為原料制備了聚酰亞胺/介孔SiO2復(fù)合薄膜，該膜由于相分離而成條帶狀結(jié)構(gòu)，其紅外發(fā)射率與SiO2添加量關(guān)系很大，薄膜在8～14 μm波段發(fā)射率最低可達(dá)0.356[7]。

上述研究成果表明，納米復(fù)合薄膜的低紅外發(fā)射率性能主要取決于其中的無機(jī)納米顆粒，以CdS為無機(jī)納米顆粒所制備的納米復(fù)合薄膜具有極低的紅外發(fā)射率。另外，由于納米顆粒的高表面能特性，如何使其在薄膜中均勻分散也會(huì)明顯影響薄膜的功能特性。然而，目前有關(guān)低紅外發(fā)射率納米復(fù)合薄膜的研究主要集中于其功能特性，而有關(guān)薄膜的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、耐候性能及耐溫性能等工程應(yīng)用性能方面的研究還是空白?？梢?，低紅外發(fā)射率納米復(fù)合薄膜的研究目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，離工程化應(yīng)用還有較長的路要走。

1.2 單層（多層）膜結(jié)構(gòu)材料

此類低紅外發(fā)射率材料主要采用物理氣相沉積技術(shù)，比如磁控濺射技術(shù)，將金屬或介質(zhì)材料沉積到基體材料表面形成單層或多層薄膜結(jié)構(gòu)，利用所形成單層或多層薄膜結(jié)構(gòu)對(duì)紅外光的強(qiáng)反射作用而使其實(shí)現(xiàn)低紅外發(fā)射率特性。此類材料具有發(fā)射率低、材料性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，但受制備技術(shù)的限制而較難在面積大或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件表面進(jìn)行此類低紅外發(fā)射率材料的沉積，這在一定程度上影響了其規(guī)?；瘧?yīng)用。近年來的代表性研究成果如下所述。

1.2.1 單層膜結(jié)構(gòu)材料

Mohelnikova J.[8]系統(tǒng)研究了沉積在玻璃表面上的Al、Ag、Au及Cu薄膜的紅外光學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)各種金屬薄膜均具有極低的紅外發(fā)射率，當(dāng)薄膜厚度低于10nm后具有較高的可見光透過率，在金屬薄膜表面再沉積上一定厚度的TiO2、SnO2、SiO2等介質(zhì)層后可明顯提高薄膜對(duì)可見光的透過率。此類薄膜材料可用到窗戶玻璃上，起到室內(nèi)控溫的同時(shí)又不影響室內(nèi)采光。Yuste M.等[9]采用磁控濺射技術(shù)沉積了TiN薄膜，研究了薄膜光學(xué)性能與其結(jié)構(gòu)和形貌間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)通過改變N2濃度及薄膜厚度可控制薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)薄膜的紅外發(fā)射率可隨厚度的增加而明顯降低，但也會(huì)使可見光的透過率下降。Kato K.等[10]采用磁控濺射技術(shù)在ZnO基底上沉積了Ag膜，并對(duì)其電學(xué)性能、光學(xué)性能與結(jié)構(gòu)間關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，當(dāng)Ag膜具有低電阻率和光滑表面時(shí)，其對(duì)可見光及近紅外光具有低吸收高透過性能，對(duì)中遠(yuǎn)紅外光具有低發(fā)射率性能。Huang Z. B.等[11]采用磁控濺射技術(shù)在Ni合金基板上沉積了Pt膜，經(jīng)600℃熱處理150 h，薄膜在3～14mm波段的平均發(fā)射率可低至0.1。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，Pt膜在600℃下隨退火時(shí)間的增加，Pt顆粒粒徑增大，電阻率降低，從而可使薄膜的紅外發(fā)射率降低。另外，對(duì)Pt膜進(jìn)行表面和斷面化學(xué)分析表明，其經(jīng)600℃處理150 h后在薄膜表面無明顯氧化物產(chǎn)生，表明在光滑Ni合金基板上沉積的Pt膜在600℃具有良好的抗氧化性能。隨后他們又采用磁控濺射技術(shù)在Ni合金基板上沉積了可用于高溫環(huán)境的低紅外發(fā)射率Au膜，研究了基板不同粗糙度對(duì)Au膜性能的影響。結(jié)果表明，基板粗糙度對(duì)Au膜的紅外發(fā)射率具有重要影響，經(jīng)600℃熱處理后，在低粗糙度上沉積的Au膜的紅外發(fā)射率基本沒有升高，而在高粗糙度上沉積的Au膜的紅外發(fā)射率升高很明顯。并將上述性能變化的成因歸結(jié)為增加粗糙度不僅會(huì)降低有效表面反射面積，還會(huì)破壞Au膜的完整性，從而使其發(fā)射率升高[12]。Zhu D. M.等[13]在不同熱處理溫度下制備了不同Al濃度的ZnO:Al（AZO）薄膜，研究發(fā)現(xiàn)，薄膜中的AZO主要成六邊形和圓形顆粒，隨退火溫度從600℃增至800℃，AZO顆粒尺寸增大，結(jié)構(gòu)逐漸變規(guī)整；另外，AZO薄膜的電阻率會(huì)隨Al濃度的增大而降低。AZO薄膜電阻率的降低與結(jié)構(gòu)的變規(guī)整會(huì)使薄膜的紅外發(fā)射率降低，最低可達(dá)0.505。Sun K. W.等[14]采用直流磁控濺射技術(shù)在溫度為100℃～400℃的玻璃基板上沉積了ITO薄膜，對(duì)薄膜從室溫～350℃的升溫及降溫過程中8～14mm波段的紅外發(fā)射率進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，在熱處理過程中，薄膜在升溫過程的紅外發(fā)射率隨熱處理溫度的升高而升高，降溫過程的紅外發(fā)射率隨熱處理溫度的降低而降低。熱處理前后，薄膜晶相無明顯變化，但所有薄膜的電阻率及紅外發(fā)射率均明顯降低，其原因?yàn)榫w顆粒邊界的吸附氧經(jīng)熱處理后得到了解吸。所有樣品在熱處理前后發(fā)射率均低于0.3，其中基板溫度為400℃時(shí)所制備的薄膜，其發(fā)射率可從熱處理前的0.16～0.17下降為熱處理后的0.11～0.12。Liu X. X.等[15]采用電解電鍍工藝制備了Ni-P-CB（碳黑）納米復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)CB的摻入可大大提高涂層的電導(dǎo)率，從而使涂層紅外發(fā)射率明顯降低，Ni-P-CB納米復(fù)合涂層在8～14mm波段的發(fā)射率可低至0.303。

1.2.2 多層膜結(jié)構(gòu)材料

Huang Z. B.等[16]采用磁控濺射技術(shù)在Au膜和合金基板間沉積了200 nm厚的Ni膜以改進(jìn)低紅外發(fā)射率Au膜在高溫下的耐久性。結(jié)果表明，Au/Ni多層膜在600℃下工作200h后依然保持了低發(fā)射率性能。Szczybowski J. 等[17]采用孿生磁控濺射技術(shù)在玻璃上沉積了Glass/TiO2/Blocker/Ag/ Blocker/Si3N4涂層，Ag膜的存在使上述多層膜結(jié)構(gòu)具有低發(fā)射率性能；TiO2的高折射率使多層膜結(jié)構(gòu)具有高可見光透過率；用孿生磁控濺射技術(shù)沉積的TiO2層有很光的表面特性，使Ag電導(dǎo)率得到改進(jìn)，發(fā)射率得到降低；堅(jiān)硬的Si3N4層的引入使多層膜結(jié)構(gòu)具備出色的力學(xué)性能。Martin-Palma R. J.等[18]采用磁控濺射技術(shù)制備了SnO2/Ni-Cr/ Ag//Ni-Cr/SnO2多層膜結(jié)構(gòu)，該多層膜由于具備極低的紅外發(fā)射率而使其具備優(yōu)良的隔熱效果，同時(shí)并不改變其對(duì)可見光的強(qiáng)透過特性。Yuste M. 等[19]采用磁控濺射技術(shù)制備了TiO2/TiN/TiO2多層膜，發(fā)現(xiàn)多層膜結(jié)構(gòu)中引入TiO2層可使其可見光透過率增加30%，同時(shí)可保持TiN層的低發(fā)射率性能。Rydzek M.等[20]以玻璃為基板，采用溶膠凝膠法制備了層數(shù)為11層的摻鋁氧化鋅（AZO）多層膜，當(dāng)單層AZO厚度為45nm時(shí)，多層膜的電阻率為1.6×10－3Ω·cm，紅外發(fā)射率為0.45，是玻璃基板發(fā)射率的一半，同時(shí)多層膜對(duì)可見光的透過率可達(dá)到0.86。Park S. H.等[21]采用磁控濺射技術(shù)在玻璃基板上沉積了Ag/Ta/glass多層膜結(jié)構(gòu)，Ta界面層的存在可降低多層膜的電阻率及紅外發(fā)射率，并提高可見光透明性。所制備多層膜Ag(9nm)/Ta(1 nm)/glass的發(fā)射率為0.08，550nm可見光的透過率為61%。并認(rèn)為Ta界面層的加入可使多層膜中的Ag層更致密，表面更光滑，從而實(shí)現(xiàn)上述性能。

1.3 樹脂/金屬復(fù)合涂層

樹脂/金屬復(fù)合涂層主要以聚氨酯（PU）、三元乙丙橡膠（EPDM）、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等為樹脂基體，鋁粉、銅粉等金屬顏料為填料制備而成。具有紅外發(fā)射率低、制備工藝簡單、施工方便、不受目標(biāo)表面形狀限制等突出優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)在于使用金屬粉往往使涂層的耐腐蝕及耐溫性能相對(duì)較差，這在一定程度上影響了涂層的使用壽命。目前有關(guān)樹脂/金屬復(fù)合涂層的研究在關(guān)鍵功能性指標(biāo)（紅外發(fā)射率）上已取得重大突破，已能制備出發(fā)射率低至0.1的復(fù)合涂層。在此基礎(chǔ)上，有關(guān)樹脂/金屬復(fù)合涂層的工程應(yīng)用性能方面的研究也日益引起人們的重視，這為此類功能涂層材料的工程化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.3.1 樹脂/金屬復(fù)合涂層的紅外發(fā)射率

樹脂/金屬復(fù)合涂層的紅外發(fā)射率主要受金屬顏料種類、添加量、形狀，樹脂粘合劑種類等因素影響，同時(shí)固化溫度、涂料粘稠度、表面粗糙度等工藝參數(shù)也會(huì)明顯影響所制備涂層的發(fā)射率性能。

Yu H. J.等[22]研究了Cu粉顆粒的尺寸、形狀及漂浮性對(duì)EPDM/Cu復(fù)合涂層紅外發(fā)射率的影響。結(jié)果表明：當(dāng)Cu粉顆粒的尺寸為幾微米、片狀、高漂浮性時(shí)，EPDM/Cu復(fù)合涂層的發(fā)射率最低；漂浮性對(duì)涂層發(fā)射率的影響最顯著，而非尺寸和形狀；并認(rèn)為由漂浮性顏料制備的涂層由于孔隙率低，從而使涂層對(duì)紅外輻射的吸收降低，反射加強(qiáng)，最終使發(fā)射率降低。另外，他們又通過在聚氨酯基體中添加偶聯(lián)劑，以銅粉為顏料制備得到了發(fā)射率可低至0.1的PU/Cu復(fù)合涂層[23]。并系統(tǒng)研究了Cu粉含量、表面粗糙度、涂層厚度及溫度等因素對(duì)紅外發(fā)射率的影響。結(jié)果表明：隨著Cu粉含量的增加及涂層厚度的升高發(fā)射率明顯降低；表面光滑的涂層要比表面粗糙的涂層發(fā)射率低；另外，還發(fā)現(xiàn)涂層發(fā)射率隨著溫度的升高呈U型變化，在380K時(shí)發(fā)射率最低。潘卓等[24]以鋁粉為填料，各種樹脂為粘合劑，討論了填料用量、粘合劑種類、涂層厚度等對(duì)涂層發(fā)射率的影響。結(jié)果表明：片狀鋁粉所制備涂層發(fā)射率低于其它樣品；隨填料用量增加，涂層發(fā)射率下降，但涂層力學(xué)性能也有所下降；當(dāng)涂層厚度為30～100μm之間時(shí)，隨著涂層厚度的降低，發(fā)射率隨之下降；刷涂的樣品表面較光滑，發(fā)射率低，且物理性能好，噴涂的樣品表面相對(duì)粗糙，發(fā)射率較高，且物理性能相對(duì)較差；涂層的發(fā)射率主要取決于約35～40mm厚的表面層，當(dāng)涂層厚度小于此值時(shí)，發(fā)射率與基體的性能和粗糙度有關(guān)，當(dāng)涂層厚度達(dá)到160～170μm后，涂層厚度對(duì)其發(fā)射率不再有影響。李正浩等[25]以三元乙丙橡膠為粘合劑，漂浮性片狀鋁粉為顏料，采用流延自成膜法制備了低紅外發(fā)射率涂層。重點(diǎn)研究了稀釋劑種類對(duì)涂層發(fā)射率的影響。結(jié)果表明，以二甲苯為溶劑時(shí)，涂層發(fā)射率較高為0.686；以環(huán)己烷為稀釋劑時(shí)，鋁粉在涂料中可表現(xiàn)出更好的漂浮性，相應(yīng)涂層發(fā)射率可低至0.358。白韶軍[26]等提出了熱紅外復(fù)合隱身涂層的設(shè)計(jì)方案，即同時(shí)控制涂層表面溫度與8～14mm波段紅外發(fā)射率。發(fā)現(xiàn)以鋁粉、氧化銦錫和相變微膠囊為填料所制備的復(fù)合涂層在8～14mm波段的紅外發(fā)射率分別為0.236和0.478，相變微膠囊的引入使涂層在相變區(qū)間內(nèi)有一定的降溫效果。

Le Y. 等[27]以片狀鋁粉為顏料，3種樹脂為粘合劑制備了3種低紅外發(fā)射率涂層。系統(tǒng)研究了樹脂粘度對(duì)顏料分布、涂層表面形貌及紅外發(fā)射率的影響。結(jié)果表明，在相同制備條件下，樹脂粘度可通過影響鋁粉的分布及涂層表面形貌而嚴(yán)重影響涂層的發(fā)射率。低樹脂粘度有利于顏料在涂層表面聚集并降低表層樹脂層的厚度，從而明顯降低涂層發(fā)射率。丁儒雅等[28]以環(huán)氧改性有機(jī)硅為粘合劑，鋁粉為顏料，制備了低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層。系統(tǒng)研究了固化溫度對(duì)涂層發(fā)射率、力學(xué)性能及耐腐蝕性能的影響。結(jié)果表明，固化溫度為180℃時(shí)，涂層發(fā)射率可低至0.1，同時(shí)具備優(yōu)良的力學(xué)性能與耐腐蝕性能。其原因在于180℃下固化的涂層界面結(jié)合良好，致密度高，從而使涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。

1.3.2 樹脂/金屬復(fù)合涂層的工程應(yīng)用性能

就涂層材料而言，不但要求具備突出的功能特性，為滿足工程應(yīng)用要求，涂層還必須具備優(yōu)良的力學(xué)、耐溫及耐腐蝕性能。為此，除有關(guān)涂層紅外發(fā)射率性能研究外，眾多學(xué)者也對(duì)樹脂/金屬復(fù)合涂層的力學(xué)、耐溫及耐腐蝕等工程應(yīng)用性能開展了卓有成效的研究。

陳慧敏等[29]以鋁粉為填料，環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂為粘合劑制備了發(fā)射率低至0.1的復(fù)合涂層，研究了分散劑、滑石粉及固化時(shí)間對(duì)涂層力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)滑石粉添加量為2%()，分散劑加入量為2%()，熱處理溫度為200℃條件下制得的涂層能在保持低發(fā)射率的同時(shí)具備最佳的力學(xué)性能。王雅君等[30]研究了固化溫度對(duì)環(huán)氧改性有機(jī)硅/Al復(fù)合涂層耐腐蝕性能的影響及其機(jī)理。結(jié)果表明：在保證低發(fā)射率前提下，固化溫度為200℃時(shí)，涂層的耐鹽霧、耐人工加速老化及耐濕熱腐蝕時(shí)間均能達(dá)到2000 h，基本滿足工程應(yīng)用要求。固化溫度為200℃時(shí)，涂層的固化度最適合，涂層交聯(lián)度最佳，使涂層樹脂基體與顏料間結(jié)合緊密，涂層致密度高，耐腐蝕性能最佳。Shao C. M. 等[31]以銅粉為顏料，EPDM及馬來酸酐改性三元乙丙橡膠（EPDM-G-MAH）為粘合劑制備了低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層。采用動(dòng)電位極化技術(shù)及電化學(xué)交流阻抗譜對(duì)涂層在3.5%()NaCl水溶液中的耐腐蝕性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，通過MAH對(duì)EPDM的接枝改性使Cu和EPDM間的界面作用得到了改進(jìn)，提高了涂層的致密性并降低了涂層對(duì)腐蝕離子的滲透性，從而使涂層在具備低發(fā)射率的前提下同時(shí)具備優(yōu)良的耐腐蝕性能。Wang Y. J.[32]等以銅粉為顏料，4種具有不同接枝基團(tuán)的聚氨酯樹脂（PU、EPU、FPU、EFPU）為粘合劑制備了8～14mm波段紅外發(fā)射率低至0.1的復(fù)合涂層。采用鹽霧測試技術(shù)研究了涂層的耐腐蝕性能。結(jié)果表明，不同接枝基團(tuán)對(duì)涂層的耐鹽霧腐蝕性能具有重要影響，EFPU由于具有環(huán)氧基團(tuán)及F原子而使涂層具有最優(yōu)的耐鹽霧腐蝕性能。Yan X. X. 等[33]以聚氨酯為粘合劑，Al粉為顏料制備了低紅外發(fā)射率涂層。系統(tǒng)研究了涂層的力學(xué)性能與耐腐蝕性能。結(jié)果表明，涂層力學(xué)性能與Al粉含量呈U型關(guān)系，在Al粉含量為40 wt%時(shí)具有最優(yōu)的附著力與耐沖擊強(qiáng)度。另外，隨著Al粉含量的增加，涂層耐腐蝕性能略有降低，主要由涂層空隙增加所致。Wu G. W. 等[34]制備了丙烯酸樹脂/聚乙烯修飾銅粉低紅外發(fā)射率涂層。系統(tǒng)研究了涂層的發(fā)射率、力學(xué)性能與耐熱老化性能。結(jié)果表明，修飾銅粉涂層的發(fā)射率要比純銅粉涂層的發(fā)射率低，當(dāng)修飾銅粉含量為20%()時(shí)，涂層具備較低的發(fā)射率和較好的力學(xué)性能。在65℃下，隨老化時(shí)間的增加，涂層發(fā)射率上升并不明顯，修飾銅粉有望解決銅粉氧化問題，因此在受熱條件下可較長時(shí)間保持低發(fā)射率。

1.4 樹脂/半導(dǎo)體復(fù)合涂層

相比樹脂/金屬復(fù)合涂層，樹脂/半導(dǎo)體復(fù)合涂層的發(fā)射率偏高，但其具有明顯優(yōu)于樹脂/金屬復(fù)合涂層的耐環(huán)境及耐溫性能，同時(shí)通過合理的填料設(shè)計(jì)可使涂層具備一定紅外、雷達(dá)、激光及可見光等多頻段兼容隱身效果，是目前隱身涂層材料研究的重點(diǎn)對(duì)象之一。

王自榮等[35]從氧化錫的摻雜量、粘合劑種類及用量等方面對(duì)以氧化銦錫為顏料制備的涂料的紅外發(fā)射率進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：當(dāng)氧化錫摻雜量為5%時(shí)發(fā)射率最低；環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、醇酸樹脂、聚氨酯及KRATON樹脂等幾種樹脂中，以KRATON樹脂所制備涂層的發(fā)射率最低；涂層發(fā)射率隨顏料用量升高而降低，當(dāng)氧化銦錫添加量大于25%()后，涂層發(fā)射率不再下降。汪小舟等[36]用液液分散法制備了膠原-氧化銦納米復(fù)合粒子，以該粒子為填料，環(huán)氧樹脂為粘合劑，并加入分散劑、流平劑及消泡劑等助劑制得復(fù)合涂層。當(dāng)顏料體積為0.473，涂層在8～14 μm波段的發(fā)射率可低至0.658，耐溫性為348℃，且具備良好的硬度、耐磨性及附著力等工程應(yīng)用性能。程從亮等[37]以納米氧化鎳包覆片狀鋁粉和二氧化硅粉為填料，聚氨酯為粘合劑，制備得到了紅外發(fā)射率可低至0.39的淺綠色涂層。該涂層具有一定的紅外與可見光、雷達(dá)兼容隱身效果。同時(shí)發(fā)現(xiàn)涂層的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率越大，涂層的紅外發(fā)射率越小。Wu K. H. 等[38]以聚硅氧烷為粘合劑，碳黑為顏料制備了聚硅氧烷/碳黑復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層具有良好的耐溫和耐腐蝕性能，紅外熱成像分析表明該涂層具備優(yōu)良的紅外隱身性能。

1.5 核殼結(jié)構(gòu)材料

核殼結(jié)構(gòu)材料可用作低紅外發(fā)射率涂層的功能顏料，其結(jié)構(gòu)靈活，便于設(shè)計(jì)，具有實(shí)現(xiàn)紅外與多頻段兼容的前景。目前，我國東南大學(xué)周鈺明教授課題組在該領(lǐng)域的研究處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，在制備技術(shù)及關(guān)鍵性能指標(biāo)上均取得了較大進(jìn)展。其代表性研究成果如下所述：

Bu X. H.等[39-40]制備得到了SiO2/TiO2/聚乙炔多層納米球和聚乙炔@WO3納米棒，其紅外發(fā)射率可分別低至0.548和0.527。Shan Y. 等[41]采用接枝共聚將膠原蛋白接枝到甲基丙烯酸甲酯上形成Collagen-g-PMMA共聚物，再用溶膠凝膠法制備得到了粒徑為600nm的Collagen-g-PMMA/In2O3核殼結(jié)構(gòu)粒子。由于粒子的高活性及核殼間良好的界面作用而使其在8～14mm波段具有較低的紅外發(fā)射率0.576。Ye X. Y.等[42]先以Ag為核，TiO2為殼制備了Ag@TiO2核殼納米顆粒，再在其外層包覆Collagen-g-PMMA聚合物而形成Collagen-g -PMMA/Ag@TiO2核殼結(jié)構(gòu)粒子。研究表明，復(fù)合粒子內(nèi)聚合物與Ag@TiO2納米粒子間的氫鍵使其具有強(qiáng)的界面結(jié)合力，從而使其在8～14mm波段具有較低的紅外發(fā)射率0.496。隨后，Chen J.[43]、Ye X. Y.[44]、Wang Z. Q.[45]、Yang Y.[46]等分別制備了紅外發(fā)射率可低至0.538、0.512、0.434及0.512的聚氨酯/TiO2、膠原蛋白/SiO2、螺旋狀聚氨酯@綠坡縷石及活性聚氨酯@ITO核殼結(jié)構(gòu)粒子，并認(rèn)為核殼間強(qiáng)的氫鍵及靜電力作用能使核殼間具有良好的界面結(jié)合，從而使其具有較低的紅外發(fā)射率。

為系統(tǒng)清晰展示各類低紅外發(fā)射率材料的特點(diǎn)，作者對(duì)各類材料的材料體系、制備技術(shù)、技術(shù)特性及紅外發(fā)射率列表總結(jié)如表1所示。

表1 各類低紅外發(fā)射率材料的特點(diǎn)

2 發(fā)展趨勢

樹脂/金屬復(fù)合涂層具備較低的紅外發(fā)射率，但金屬顏料對(duì)電磁波固有的強(qiáng)反射特性在一定程度上影響了其與多頻段兼容，尤其是與激光兼容隱身的效果。通過合理的填料改性手段對(duì)金屬填料進(jìn)行表面改性，或在傳統(tǒng)樹脂/金屬復(fù)合涂層配方中引入具有激光吸收特性的功能填料以提高涂層的激光兼容隱身性能是此類材料未來研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。另外，樹脂/半導(dǎo)體復(fù)合涂層具備優(yōu)異的工程應(yīng)用性能，且具備多頻段兼容隱身的潛力，將是未來隱身涂層材料發(fā)展的重點(diǎn)，如何在保持工程應(yīng)用性能前提下不斷降低此類涂層的發(fā)射率及提高多頻段兼容隱身效果是未來研究的關(guān)鍵。再者，有關(guān)樹脂基隱身涂層材料配方設(shè)計(jì)、制備及性能表征等方面的實(shí)驗(yàn)研究較多，但相關(guān)的理論研究明顯欠缺，這也將是未來有關(guān)此類材料研究的一個(gè)重點(diǎn)課題。最后，由于現(xiàn)有低紅外發(fā)射率涂層均不存在紅外光譜選擇性特征，即在全紅外波段均存在低發(fā)射率特性，這將使目標(biāo)本身的熱量無法有效的釋放，而使目標(biāo)長期處在高溫下工作而影響其使用壽命，同時(shí)較高的目標(biāo)表面溫度還會(huì)使目標(biāo)總體紅外輻射強(qiáng)度仍然較高而無法達(dá)到最佳紅外隱身效果。因此，研究紅外光譜選擇性低發(fā)射率涂層材料將是一個(gè)非常有前景和挑戰(zhàn)性的課題，也必將成為該領(lǐng)域研究工作者的一個(gè)嶄新的研究方向。

[1] 陳衡. 紅外物理學(xué)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1985: 5-104.

Chen Heng.[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1985: 5-104.

[2] Zhang F Y, Zhou Y M, Sun Y Q, et al. Preparation and characterization of Chitosan/Konjac glucomannan/Cds nanocomposite film with low infrared emissivity[J]., 2010, 45(7): 859-862.

[3] Chiba K, Takahashi T, Kageyama T, et al. Low-emissivity coating of amorphous diamond-like carbon/Ag-alloy multilayer on glass[J]., 2005, 246(1-3): 48-51.

[4] Wang Z Q, Zhou Y M, Yao Q Z, et al. Synthesis, characterization and infrared emissivity study of helical polyurethane@SiO2core-shell composite[J]., 2009, 256(5): 1404-1408.

[5] Fonseca A M, Silva C J R, Nunes N, et al. Organic–inorganic hybrid matrix doped with alkenyldiazenido complexes of molybdenum[J]., 2008, 454(1-2): 72-77.

[6] Lin B P, Liu H J, Zhang S Y, et al. Structure and infrared emissivity of silicon-containing polyimide/BaTiO3nanocomposite films[J]., 2004, 177(10): 3849-3852.

[7] Lin B P, Tang T N, Liu H J, et al. Structure and infrared emissivity of polyimide/mesoporous silica composite films[J]., 2005, 178(3): 650-654.

[8] Mohelnikova J. Materials for reflective coatings of window glass applications[J]., 2009, 23(5): 1993-1998.

[9] Yuste M, R Escobar Galindo, Sanchez O, et al. Correlation between structure and optical properties in low emissivity coatings for solar thermal collector[J]., 2010, 518(20): 5720-5723.

[10] Kato K, Omoto H, Tomioka T, et al. Visible and new infrared light absorbance of Ag thin films deposited on ZnO under layers by magnetron sputtering[J]., 2011, 95(8): 2352-2356.

[11] Huang Z B, Zhou W C, Tang X F. Effects of annealing time on infrared emissivity of the Pt film grown on Ni alloy[J]., 2010, 256(7): 2025-2030.

[12] Huang Z B, Zhou W C, Tang X F, et al. Effects of substrate roughness on infrared emissivity characteristics of Au films deposited on Ni alloy[J]., 2011, 519(10): 3100-3106.

[13] Zhu D M, Li K, Luo F, et al. Preparation and infrared emissivity of ZnO:Al(AZO) thin films[J]., 2009, 255(12): 6145-6148.

[14] Sun K W, Zhou W C, Tang X F, et al. Effect of the heat treatment on the infrared emissivity emissivity of indium tin oxide (ITO) films[J]., 2011, 257(22): 9639-9642.

[15] Liu X X, Wu C, Wang X J. Synthesis, characterization, and infrared-emissivity study of Ni-P-CB nanocomposite coatings by electroless process[J]. J, 2010, 7(5): 659-664.

[16] Huang Z B, Zhou W C, Tang X F, et al. High-temperature application of the low-emissivity Au/Ni films on alloys[J]., 2010, 256(22): 6893-6898.

[17] Szczybowski J, Brauer G, Ruske M, et al. New low emissivity coating based on TwinMag sputtered TiO2and Si3N4layers[J]., 1999, 351(1-2): 254-259.

[18] Martin-Palma R J, Vazquez L, Martinez-Duart J M. Silver-based low-emissivity coatings for architectural windows: optical and structural properties[J]., 1998, 53(1-2): 55-66.

[19] Yuste M, Escabar Galindo R, Calindo S, et al. Improving the visible transmittance of low-e titanium nitride based coatings for solar thermal applications[J]., 2011, 258(5): 1784-1788.

[20] Rydzek M, Reidinger M, Arduini-Schuster M, et al. Low-emissivity surfaces prepared by applying transparent aluminum-doped Zinc Oxide coatings via a sol-gel process[J]., 2012, 520(12): 4114-4118.

[21] Park S H, Lee K S, Sivasankar Reddy A. Low emissivity Ag/Ta/glass multilayer thin films deposited by sputtering[J]., 2011, 110: 063508.

[22] Yu H J, Xu G Y, Shen X M, et al. Effects of size, shape and floatage of Cu particles on the low infrared emissivity coatings[J]., 2009, 66(2): 161-166.

[23] Yu H J, Xu G Y, Shen X M, et al. Low infrared emissivity of polyurethane/Cu composite coatings[J].2009, 255(12): 6077-6081.

[24] 潘卓, 趙振聲, 何華輝. 低紅外發(fā)射率材料的研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2003, 31(7): 28-30.

Pan Chuo, Zhan Zhen-sheng, He Hua-hui. Study of the materials with low infrared emissivity[J].(Nature Science Edition), 2003, 31(7): 28-30.

[25] 李正浩, 酒紅芳, 劉亞青, 等. 三元乙丙橡膠低紅外發(fā)射率涂層的制備與表征[J]. 涂料工業(yè), 2012, 42(1): 36-38.

Li Zheng-hao, Jiu Hong-fang, Liu Ya-qing, et al. Preparation and characterization of EPDM-based low infrared emissivity coating[J]., 2012, 42(1): 36-38.

[26] 白韶軍, 張存, 楊愛弟, 等. 熱紅外復(fù)合隱身涂層的性能研究[J]. 激光與紅外, 2009, 39(4): 386-389.

Bai Shao-jun, Zhang Cun, Yang Ai-di, et al. Research of the thermal infrared composite stealthy coating capability[J]., 2009, 39(4): 386-389.

[27] Le Y, Weng X L, Deng L J. Influence of binder viscosity on the control of infrared emissivity in low emissivity coating[J]., 2013, 56: 25-29.

[28] 丁儒雅, 徐國躍, 張偉鋼, 等. 固化溫度對(duì)低發(fā)射率涂層綜合性能的影響[J]. 兵器材料科學(xué)與工程, 2012, 35(6): 4-7.

Ding Ru-ya, Xu Guo-yue, Zhang Wei-gang, et al. Influence of curing temperature on comprehensive properties of low infrared emissivity coatings[J]., 2012, 35(6): 4-7.

[29] 陳慧敏, 王雅君, 徐國躍, 等. 低紅外發(fā)射率涂層的力學(xué)性能研究[J]. 材料科學(xué)與工藝, 2010, 18(6): 873-877.

Chen Hui-min, Wang Ya-jun, Xu Guo-yue, et al. Study on the mechanical properties of low infrared emissivity coatings[J]., 2010, 18(6): 873-877.

[30] 王雅君, 陳慧敏, 徐國躍, 等. 固化溫度對(duì)有機(jī)硅基低發(fā)射率涂層耐腐蝕性能的影響[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2010, 24(6): 603-609.

Wang Ya-jun, Xu Guo-yue, Chen Hui-min, et al. Influence of curing temperature on anti-corrosion properties of silicone based composite coatings with low infrared emissivity[J]., 2010, 24(6): 603-609.

[31] Shao C M, Xu G Y, Shen X M, et al. Infrared emissivity and corrosion-resistant properties of maleic anhydride grafted ethylene - propylene- dieneter- polymer (EPDM- g-MAH)/ Cu coatings[J]., 2010, 204(24): 4075-4080.

[32] Wang Y J, Xu G Y, Yu H J, et al. Comparison of anti-corrosion properties of polyurethane based composite coatings with low infrared emissivity[J]., 2011, 257(10): 4743-4748.

[33] Yan X X, Xu G Y. Corrosion and mechanical properties of polyurethane/Al composite coatings with low infrared emissivity[J]., 2010, 491(1-2): 649-653.

[34] Wu G W, Yu D M. Preparation of a novel infrared low-emissive coating from the Cu powder modified by the polyethylene wax[J]., 2012, 55(1): 26-31.

[35] 王自榮, 余大斌, 於定華, 等. ITO涂料在8～14μm波段紅外發(fā)射率的研究[J]. 紅外技術(shù), 1999, 21(1): 41-45.

Wang Zi-rong, Yu Da-bin, Yu Ding-hua, et al. Infrared emittance of paints with ITO pigments in 8-14μm waveband[J]., 1999, 21(1): 41-45.

[36] 汪小舟, 周鈺明, 韓鳳俊, 等. 膠原-In2O3納米復(fù)合低紅外發(fā)射率涂料的制備及性能研究[J]. 涂料工業(yè), 2006, 36(8): 40-43.

Wang Xiao-zhou, Zhou Yu-ming, Han Feng-jun, et al. Preparation and characterization of Collagen/Indium Oxide Nanocomposite based low IR emissivity coatings[J]., 2006, 36(8): 40-43.

[37] 程從亮, 李萍. 聚氨酯涂料紅外發(fā)射率性能研究[J]. 激光與紅外, 2007, 37(10): 1067-1070.

Cheng Cong-liang, Li Ping. Study on infrared emittance property of polyurethane coatings[J]., 2007, 37(10): 1067-1070.

[38] Wu K H, Chang Y C, Yang C C, et al. Synthesis, infrared stealth and corrosion resistance of organically modified silicate- polyaniline/ carbon black hybrid coatings[J]., 2009, 45(10): 2821-2829.

[39] Bu X H, Zhou Y M, He M, et al. Optically active SiO2/ TiO2/ polyacetylene multilayered nanospheres: Preparation, characterization, and application for low infrared emissivity[J]., 2014, 288: 444-451.

[40] Bu X H, Zhou Y M, He M, et al. Fabrication and characterization of optically active polyacetylene @WO3nanorodhybrids with low infrared emissivity[J]., 2014, 120: 239-242.

[41] Shan Y, Zhou Y M, Cao Y, et al. Preparation and infrared emissivity study of collagen-g-PMMA/In2O3nanocomposite[J]., 2004, 58(10): 1655-1660.

[42] Ye X Y, Zhou Y M, Chen J, et al. Synthesis and infrared emissivity study of collagen-g-PMMA/Ag@TiO2composite[J]., 2007, 106(2-3): 447-451.

[43] Chen J, Zhou Y M, Nan Q L, et al. Synthesis, characterization and infrared emissivity study of polyurethane/TiO2nanocomposites[J]., 2007, 253(23): 9154-9158.

[44] Ye X Y, Zhou Y M, Sun Y Q, et al. Structure and infrared emissivity of collagen/SiO2composite[J]., 2008, 254(18): 5975-5980.

[45] Wang Z Q, Zhou Y M, Sun Y Q. Preparation, characterization and infrared emissivity study of Attapulgite@helical polyurethane composites[J]., 2009, 19(2): 202-207.

[46] Yang Y, Zhou Y M, Ge J H, et al. Optically active polyurethane @indium tin oxide nanocomposite: preparation, characterization and study of infrared emissivity[J]., 2012, 47(9): 2264-2269.

Research Progress of Low Infrared Emissivity Materials

ZHANG Wei-gang1,2，XU Guo-yue2，XUE Lian-hai1

(1.,,239000,; 2.,,211106,)

Low infrared emissivity material is now recognized as a special functional material which can achieve infrared stealth for aircraft. Several kinds of low infrared emissivity materials, such as nanocomposite films, mono（multi） layer structural materials, resin/metal composite coatings, resin/semiconductor composite coatings, and core-shell structural materials have been reported. The advantages, disadvantages, and the latest research progress of the above low infrared emissivity materials are introduced. Then, it is pointed out that theoretical studies of low infrared emissivity coatings, infrared and laser compatible stealth materials, resin/semiconductor composite coatings, and infrared spectrally selective low emissivity coatings are the key directions for future research.

low infrared emissivity materials，nanocomposite films，mono（multi） layer structural materials，resin/metal composite coatings，resin/semiconductor composite coatings，core-shell structural materials

E952. 2

A

1001-8891(2015)05-0361-07

2014-11-03；

2014-11-27.

張偉鋼（1982-），男，博士，主要從事紅外隱身材料方面的研究。E-mail：abczwg15@163.com。

國家自然科學(xué)基金，編號(hào)：51173079；安徽省教學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目，編號(hào)：20101035，2013tszy034。