復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)與紅外波段特性、兼容性及光譜選擇性研究.pdf

1、紅外波段分為近紅外（1~3μm）、中紅外（3~5μm、5~8μm）和遠(yuǎn)紅外（8~14μm），不同波段具有不同的應(yīng)用背景。其中近紅外（1~3μm）主要針對(duì)1.06μm與1.54μm激光隱身，要求強(qiáng)吸收、低反射；中紅外（3~5μm）主要針對(duì)高溫紅外隱身，要求低吸收、高反射（低發(fā)射率）；中紅外（5~8μm）要求高紅外輻射（高發(fā)射率），以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的輻射散熱；遠(yuǎn)紅外（8~14μm）主要針對(duì)常溫紅外隱身，要求低吸收、高反射（低發(fā)射率）。本文根據(jù)各波

2、段特點(diǎn)展開研究：在8~14μm遠(yuǎn)紅外大氣窗口波段，基于樹脂/片狀金屬?gòu)?fù)合涂層的微結(jié)構(gòu)特征，引入一維光子結(jié)構(gòu)相關(guān)理論，對(duì)上述低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層的相關(guān)理論問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；在1~3μm近紅外波段，以Sm2O3為顏料，PU為粘合劑，制備得到了PU/Sm2O3復(fù)合涂層，系統(tǒng)表征了所制備涂層的近紅外吸收性能與力學(xué)性能；在1~3μm近紅外及8~14μm遠(yuǎn)紅外波段，以青銅（bronze）粉、Al粉及Sm2O3為顏料，PU為粘合劑，制備得到了PU

3、/(bronze&Sm2O3)及PU/(Al&Sm2O3)復(fù)合涂層，系統(tǒng)表征了所制備涂層的紅外發(fā)射率、近紅外吸收性能及力學(xué)性能；在3~14μm中遠(yuǎn)紅外波段，以Ge及ZnS為高低折射率材料，設(shè)計(jì)并制備得到了在3~5μm、8~14μm及同時(shí)在3~5μm和8~14μm波段具有低發(fā)射率的三種Ge/ZnS一維光子結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)表征了所制備一維光子結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)及法向光譜發(fā)射率。
　　本文所得主要結(jié)論如下：
　?。?）在8~14μm遠(yuǎn)紅外大氣

4、窗口波段，建立了樹脂/片狀金屬低紅外發(fā)射率復(fù)合涂層最佳顏料含量模擬方法和紅外發(fā)射率計(jì)算模型，以PU/Al、PU/bronze及PU/Ag三種樹脂/片狀金屬?gòu)?fù)合涂層為研究對(duì)象，對(duì)上述方法和模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，三種涂層材料模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致。樹脂/片狀金屬?gòu)?fù)合涂層發(fā)射率隨顏料含量呈“U”型變化規(guī)律主要是由涂層中一維光子結(jié)構(gòu)的主反射峰中心波長(zhǎng)隨顏料含量增加所產(chǎn)生的藍(lán)移現(xiàn)象引起的。隨著顏料含量的增大，涂層中由一維光子結(jié)構(gòu)引起的

5、對(duì)紅外輻射的反射率會(huì)由于反射峰的藍(lán)移而產(chǎn)生先增大后減小的變化規(guī)律，從而導(dǎo)致發(fā)射率呈現(xiàn)先下降后升高的“U”型變化規(guī)律。樹脂/片狀金屬?gòu)?fù)合涂層中片狀金屬顏料的定向?qū)ν繉拥陌l(fā)射率具有重要影響，發(fā)射率會(huì)隨著片狀金屬顏料定向角的增大而逐漸升高，當(dāng)定向角為45o時(shí)發(fā)射率升至最高。采用不同厚度的片狀A(yù)l粉復(fù)合，或以片狀A(yù)l粉和片狀青銅粉復(fù)合作為復(fù)合金屬顏料可明顯降低涂層的紅外發(fā)射率。其原因在于復(fù)合金屬顏料可使涂層中由一維光子結(jié)構(gòu)引起的反射光譜具有明顯

6、的多重反射峰，使涂層對(duì)紅外輻射的總體反射率增大，進(jìn)而使涂層發(fā)射率得到明顯降低。
　?。?）在1~3μm近紅外波段，以Sm2O3為顏料，PU為粘合劑，制備得到了PU/Sm2O3復(fù)合涂層，系統(tǒng)表征了涂層的近紅外吸收性能與力學(xué)性能。Sm2O3的存在可使涂層具備對(duì)1.06μm與1.54μm近紅外光的強(qiáng)吸收性能，PU的存在可使涂層表現(xiàn)出優(yōu)越的力學(xué)性能。隨Sm2O3含量及涂層厚度的增加，涂層對(duì)1.06μm與1.54μm近紅外光的吸收能力明顯增

7、強(qiáng)、反射率明顯降低。當(dāng)Sm2O3含量為40 wt％，涂層厚度為90~100μm時(shí)，涂層對(duì)1.06μm與1.54μm近紅外光的反射率可分別低至58.7%和34.7%，隨后趨于穩(wěn)定。同時(shí)涂層具備良好的力學(xué)性能，涂層硬度可達(dá)5 H，附著力可達(dá)1級(jí)，柔韌性可達(dá)2 mm，耐沖擊強(qiáng)度可達(dá)40 kg·cm。
　?。?）在1~3μm近紅外及8~14μm遠(yuǎn)紅外波段，以青銅粉、Al粉及Sm2O3為顏料，PU為粘合劑，制備得到了PU/(bronze&S

8、m2O3)及PU/(Al&Sm2O3)復(fù)合涂層。系統(tǒng)表征了涂層的紅外發(fā)射率、近紅外吸收性能及力學(xué)性能。金屬粉的存在可使涂層具備低紅外發(fā)射率性能，Sm2O3的存在可使涂層具備對(duì)1.06μm與1.54μm近紅外光的低反射性能，PU的存在可使涂層表現(xiàn)出優(yōu)越的力學(xué)性能。隨金屬粉與Sm2O3質(zhì)量比的增加，涂層中金屬粉含量增加，Sm2O3含量降低，涂層導(dǎo)電性升高，發(fā)射率降低，同時(shí)對(duì)近紅外光的吸收能力下降，使涂層對(duì)1.06μm與1.54μm近紅外光的

9、反射率增加。另外，當(dāng)涂層中總顏料含量固定時(shí)，PU/(bronze&Sm2O3)復(fù)合涂層的力學(xué)性能對(duì)不同青銅粉與Sm2O3質(zhì)量比并不敏感，在不同質(zhì)量比下均具有良好的力學(xué)性能。而PU/(Al& Sm2O3)復(fù)合涂層的柔韌性受不同 Al粉和Sm2O3質(zhì)量比影響較為明顯，其值可在2 mm~5 mm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
　?。?）在3~14μm中遠(yuǎn)紅外波段，從理論上分析了膜系材料的折射率差及周期數(shù)對(duì)一維光子結(jié)構(gòu)紅外發(fā)射率的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)并制備得

10、到了在3~5μm、8~14μm及同時(shí)在3~5μm和8~14μm波段具有低發(fā)射率的三種Ge/ZnS一維光子結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)膜系材料的折射率差越大，發(fā)射率越低，隨周期數(shù)增加，發(fā)射率降低明顯，達(dá)到5周期后趨于穩(wěn)定。所制備的3~5μm和8~14μm低發(fā)射率Ge/ZnS一維光子結(jié)構(gòu)的發(fā)射率可分別低至0.052和0.195，表明并非只有高導(dǎo)電性貴金屬薄膜具有低于0.1以下的超低紅外發(fā)射率，采用Ge、ZnS等半導(dǎo)體材料，通過(guò)合理的一維光子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣可