CN111876046A - 一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层 - Google Patents

一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层 Download PDF

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Abstract

一种可见光‑近红外‑热红外‑毫米波‑厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层，包括以下：该复合涂层自上而下依次为三色迷彩层、热辐射分流阻隔涂层、阻抗匹配过渡层、毫米波‑厘米波雷达吸波层和与目标基体材料结构附着力强的三防涂层。所述三色迷彩面涂层为以纳米氧化物和半导体材料为基。所述热辐射分流阻隔涂层为以纳米铝粉、纳米云母粉为基。所述阻抗匹配过渡层为以纳米氧化物为基。所述毫米波‑厘米波雷达吸波层为以纳米Fe、γ‑(Fe、Ni)合金粉、电解Fe粉为基。所述三防涂层为以纳米磷酸锌为基。本发明在伪装隐身性能和环境性能方面，尤其是在恶劣环境下的耐三防性能均显出综合优势。

Description

一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体 化的复合涂层
技术领域
本发明属于特种功能新材料领域，为两栖坦克专用的多频谱隐身一体化涂料，同时也可兼用其它军事装备隐身，尤其是国防工事的伪装隐身。
背景技术
高技术战争的三大支柱是C3I***、精密制导武器和电子战。由于C3I ***(Command指挥、Control控制、Communication通讯、Information情报)是由大量的电子设备、各种金属构件所组成，它受电子攻击的威胁也就特别大，因此电子战的主要攻击目标是敌方C3I***。值得引起我们注意的一个问题是，现代高技术战争的特点是：“信息赢得战争”，在实际作战中使得电子战的“攻”、“防”概念已不同于平时作战中的攻、防概念。对雷达波红外等的隐身实际上是进行“电子攻击”。现代军事目标多频谱探测技术，精确制导技术和全球卫星定位***(GPS)技术的高度发展，使现代化高技术战争中，攻击武器对目标的命中率几乎由军用目标的被发现概率所决定，“被发现就等于被消灭”，已成为现代军事家的共识。尤其是目前红外成象精确制导技术，双模探测技术(红外——毫米波探测技俩解术)和三毫米波末级制导技术的迅速发展，使武器装备在现代化战争条件下的生存能力受到极其严重的威胁。因此，降低军用目标被发现概率的技术-隐身技术，成为世界各国极为重视的研究课题。
英、阿马岛之战、海湾战争和北约侵南战争都演示了现代军事技术的最新成果，向各国军事决策者们揭示了各种先进的光电对抗技术、隐身技术在未来战争中的作用与迫切需求。因而，世界各国武器装备现代隐身技术工程和其相关的基础研究的投入不断增加，使其占武器装备的总成本比例逐渐增大。现代隐身技术，因极大地增强武器装备在现代战争条件下的生存能力和进攻能力，因而无论是从军事还是从经济角度来看，都带来极大的好处。因此，研究和发展新型隐身材料、隐身器材及其相关技术的基础研究和应用研究是十分重要的。是加强我国国力的重大研究课题之一。
在现有技术中，隐身材料多为单频段或极少的双频段隐身材料，例如美国专利US4116906、AD-A-157496、日本专利昭56-26968、58-188198、中国专利ZL86104839、ZL88108670.3及国内有关研究院所等提供的均是单一频段以厘米波为主的或以毫米波为主的隐身材料。中国专利(钢铁研究总院申请的)ZL9110764.7所涉及的是毫米波-厘米波双频段隐身材料；美国专利 US4156033涉及一种热伪装材料，它是在目标上涂一层泡沫塑料以达到热伪装目的，此层泡沫塑料可以在厚度密度和颜色上随意改变。US4142015也提供了一种热和光学伪装材料。美国海军发明了一种用于军舰的蓝灰色低反射率红外涂料(US4311623)，丹麦专利DE3118256发明了一种在热红外辐射频区具有低发射率的色漆，此漆含有3～30％的金属颜料。
英国的皇家信号和雷达研究所(RSRE)以及补给品和被服研究所 (RCRDE)则是欧洲开展热隐身材料研究的著名单位，它们在低发射率伪装涂料，金刚石类碳屏蔽层和热伪装毯等热隐身材料的研究上做了不少工作。西德的FGAN光学研究所对热隐身材料性能评介方法的研究和瑞典 Barracuda公司的热隐身产品开发工作同样令人关注。澳大利亚国防部材料研究所对热隐身涂料的研究及其发表的一篇著名的研究报告Calvert.R.L，et al，“Surface coatings for low emittance in the thermal surveillance band”更引起了各国专家的广泛兴趣。而尤为世人瞩目的是瑞典“巴拉居达”的伪装技术，它的品种齐全，发展成系列产品，如伪装涂料系列，伪装网，伪装布，屏蔽布，伪装变形扇和伞，隔热毯等多种系列。但它们在多频谱兼容技术上有着一定的缺陷，如在多频谱伪装涂料，多频谱伪装网的材料整体设计上达不到整体伪装隐身效果，如热迷彩分割效应较差，影响其与背景的融合度。另外对雷达波兼容较差。尽管如此，它已成为世界出口伪装器材的大国。而近几年美国在雷达波吸收材料研究方面则开辟新的途径，他们采用Carbonyl法来制造Carbonyl IronFilaments(CIF)，使材料在频带展宽、吸收率的提高及重量、厚度减轻减薄方面均有新的突破且着手扩频至毫米波，同时有最新迹象表明还要延伸至3毫米波段并与热红外3～5μm、8～14μm等热红外隐身材料复合成一整体来使用。隐身材料正朝着多频谱、高性能、实用性强的方向发展，但研究工作难度很大，这主要因为建立在高反射、低比辐射率基础上的红外隐身材料和低反射、高吸收的RAM在工作原理上发生了直接的冲突，使多频谱隐身材料在较长的时间内没有突破性进展，未能真正研制出可见光、近红外、热红外、毫米波、厘米波为一体的多频谱隐身材料。因此复合多频谱隐身的一体化材料及其机理研究是今后相当一段时期内世界各国主攻的关键科学问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可见光、近红外、热红外、毫米波、厘米波为一体的水陆两栖坦克专用的多频谱隐身涂料。该项研究为海军装备部专门下达任务进行技术攻关，项目代号为：海军武器装备预先研究ZH0104。
针对上述目的，开展了材料研究和科学实验。
首先对材料进行总体结构设计，如图1为多频谱一体化复合涂层结构设计图，确定了以纳米氧化物和纳米半导体颜料的深绿、中绿和土黄为基的可见光、近红外、热红外的三色迷彩层；以纳米片状铝粉和纳米片状云母粉为基的热辐射分流阻隔层；以纳米氧化物为基的阻抗匹配过渡层、以纳米级铁粉、γ-(Fe，Ni)合金粉、电解铁粉为基的毫米波-厘米波雷达吸波层和与目标基体材料结构附着力强的三防涂层。
按照上述纳米多频谱隐身一体化涂层结构设计图的各层化学成分分述如下：
三色迷彩层包含深绿涂料、中绿涂料和土黄涂料。其中深绿涂料的化学成分(重量％)为：纳米硝酸钴10-30％，高分子粘结剂20-60％，分散剂5-20％，固化剂5-15％，稀释剂5-10％；中绿涂料的化学成分(重量％)为纳米硝酸钴2-10％，(氧化铁)铁绿(Fe2O3)2-10％；，SnO22-8％，纳米铝粉2-5％， CdS 2-5％，高分子粘结剂25-65％，分散剂5-10％，固化剂2-10％，稀释剂 2-10％；土黄色涂料的化学成分(重量％)为：纳米氧化铁黄(纳米Fe2O3) 10-30％，纳米铝粉5-10％，CdS 2-10％，SnO22-10％，纳米硝酸钴2-10％，高分子粘结剂25-65％，分散剂5-10％，固化剂2-10％，稀释剂2-10％；
热辐射分流阻隔涂层的化学成分(重量％)为：纳米氧化铝粉10-20％，纳米云母粉10-30％，高分子粘结剂20-60％，分散剂5-10％，固化剂5-10％，稀释剂5-10％；
阻抗匹配过渡层的化学成分(重量％)为：纳米氧化铁20-40％，高分子聚合物30-60％，分散剂5-15％，固化剂5-15％，稀释剂5-10％；
毫米波-厘米波雷达吸波层的化学成分(重量％)为：纳米铁粉10-30％，电解铁粉5-20％，纳米铁镍合金粉5-20％，超细磁性纤维2-10％，高分子粘结剂30-60％，分散剂2-10％，固化剂2-10％，稀释剂2-10％；
与目标基体材料结构附着力强的三防涂层的化学成分(重量％)为：纳米磷酸锌20-40％，改性环氧树脂40-60％，低分子聚酰胺10-20％，103稀释剂3-5％；
在上述化学成分组元中，纳米硝酸钴的纯度不低于99.5％；纳米云母粉为合成云母粉其结构为片状结构，其分子式为KMg3(AlSi2O10)F2，粒度≤ 100nm；纳米氧化铁其结构为片状结构，粒度≤100nm；超细磁性纤维则是通过化学拓扑反应生成针状α-Fe00H，利用拓扑反应、脱水、还原生成针状磁性铁纤维，直径为100nm-10μm量级。
本发明所述的可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层主要应用于水陆两栖坦克。水陆两栖坦克用的多频谱隐身涂料的使用环境特别恶劣，需具备耐盐雾、耐霉菌、耐湿热的严峻考验。以往的隐身涂料很难达到这样的三防使用要求，因而涂层使用寿命不长，容易开裂脱落，附着力不强。而本发明采用上述的组分配方特别是涂层引入了纳米铝粉、纳米氧化铝粉、纳米片状云母粉、纳米片状氧化粉等既对隐身兼容性能的提高又对三防性能的提高起了重要的作用。为解决涂层与钢结构具有很强的附着力和耐三防性能，多频谱一体化复合涂层又引入了一层既与钢结构结合极强的底层涂料(附着力＞10mpa，一般涂层只能在3-5mpa)又能具备极强的三防性能，且具有和毫米波-厘米波雷达吸波层的兼容性，从而使本发明的纳米多频谱隐身一体化涂料在两栖坦克上恶劣环境下使用具有可靠性。
本发明水陆两栖坦克用的纳米多频谱隐身一体化涂料的制备方法如下：
按照各自的化学成分范围，分别配制好三防底层涂料、毫米波-厘米波雷达波吸收层涂料，阻抗匹配过渡层涂料、热辐射分流阻隔层涂料和三色迷彩层所包含的深绿涂料、中绿涂料、土黄涂料。然后在两栖坦克上喷涂上述的各种涂料。先喷涂三防底层涂料，待固化后喷涂毫米波-厘米波雷达波吸波层涂料，待固化后喷涂阻抗匹配过渡层涂料，然后喷涂热辐射分流阻隔层涂料，最后喷涂三色迷彩层所包含的深绿涂料、中绿涂料、土黄涂料。
有益效果：
1.解决了多频谱隐身涂料在两栖坦克上恶劣环境下使用不但具有很好的多频谱隐身功能。而且解决了隐身材料使用的老大难问题，即涂层要具有很好的三防使用性能，从而使涂层不开裂、不掉皮、不锈蚀，具有很强的附着力。
2.更好地解决了多频谱兼容性能，尤其是雷达波与热红外波段的兼容，不但解决了热红外在8-14μm波段的兼容，而且解决了3-5μm波段的兼容并且在两栖坦克上使用真正具备了热红外隐身与雷达波的隐身兼容特性。
3.多频谱涂料实际应用两栖坦克中，使敌发现概率大为降低，在可见光波段不大于30％；在近红外波段也不大于30％。
在热红外波段采用美国进口的Infro Metrics Model 760型热像仪，分别在上午8：00-9：00，中午11：00-12：00，下午5：00-6：00，晚上9： 00-10：00等4个典型时段进行测试结果表明多频谱伪装隐身涂层各种斑点亮度与周围背景斑点亮度一致，改变了两栖坦克的轮廓，起到了红外变形伪装的作用，有80％的时间与背景融合度很好。而在毫米波段和厘米波段与背景融合得也很好，完全融合于背景之中，很难被敌发现。
4.用航测对研制发明的材料进行考核，采用了米-171直升机和“奖状II”型遥感飞机，搭载LMK-3000航空相机、红外吊舱***及Ku波段机载合成孔径雷达、可见光彩色和彩红外照相地面分辨率为0.1，合成孔径雷达图像和红外热像的地面分辨率为1米，检测水平与国外最先进的成像卫星侦察水平相当。检测结果显示，喷涂在国防工事上的多频谱隐身涂料(包括喷涂在道路和房顶上的多频谱隐身涂料)迷彩斑点分割明显，各色斑块色调和亮度与背景同类色融合极好；从彩红外航片上看，迷彩涂层上的深绿色和中绿色斑块分别呈现深红和大红色，与背景植物颜色一致；从SAR图像上看，多频谱涂料明显改变了水泥屋顶的单色性，呈现亮暗不一的不规则图案，斑驳程度与背景相仿；从热红外图像上看，迷彩涂层斑块明显，能较好地分割目标外形，并与背景融合较好，伪装后的国防工事很难被发现，可有效地对付目前国外最先进的可见光、彩红外、合成孔径雷达和热红外等多波段成像卫星侦察。
5.本发明实用性强，无论是伪装隐身性能还是在环境性能方面，尤其是在恶劣环境下的耐三防性能均显出综合技术运用的特色。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1纳米多频谱一体化复合涂层结构图
在图中：
1、三色迷彩层
2、热辐射分流阻隔层
3、阻抗匹配过渡层
4、毫米波-厘米波雷达吸波层
5、三防涂层
6、目标基体材料
图2伪装隐身两栖坦克的实测的毫米波特性图
图3未伪装隐身两栖坦克的实测的毫米波特性图
图4伪装隐身两栖坦克的实测的厘米波特性图
图5未伪装隐身两栖坦克的实测的厘米波特性图
实施例
分别配制了三批三防底层涂料、毫米波-厘米波雷达吸波涂料、阻抗匹配过渡层涂料、热辐射分流阻隔涂料及三色迷彩层所包含的深绿涂料、中绿涂料和土黄涂料。其具体化学成分如表1-表7所示。涂料配制好后，先喷涂三防底层涂料，待固化后喷涂毫米波-厘米波雷达波吸波层涂料，待固化后喷涂阻抗匹配过渡层涂料，然后喷涂热辐射分流阻隔层涂料，最后喷涂三色迷彩层所包含的深绿涂料、中绿涂料、土黄涂料。分别将它们喷涂在水陆两栖坦克A、国防工程目标B和钢板C上。
表1 三防底层涂料的化学成分(重量％)
批号 纳米磷酸锌 改性环氧 低分子聚酰氨 103稀释剂
1 20 40 10 3
2 30 50 15 4
3 35 60 20 5
表2 毫米波-厘米波雷达吸波层涂料的化学成分(重量％)
Figure BSA0000197788800000061
Figure BSA0000197788800000071
表3 阻抗匹配过渡层涂料的化学成分(重量％)
Figure BSA0000197788800000072
表4 热辐射分流阻隔层涂料的化学成分(重量％)
Figure BSA0000197788800000073
表5 深绿涂料的化学成分(重量％)
Figure BSA0000197788800000074
表6 中绿涂料的化学成分(重量％)
Figure BSA0000197788800000075
Figure BSA0000197788800000081
表7 土黄涂料的化学成分(重量％)
Figure BSA0000197788800000082
首先将三批三防底层涂料喷涂在A、B、C上，待固化后再喷涂三批毫米波-厘米波雷达吸波涂料，固化后再喷阻抗匹配过渡层、热辐射分流阻隔层，最后喷涂三批深绿、中绿和土黄三色迷彩面层涂料，即形成了目标的纳米多频谱军事隐身涂层。
然后对其A、B、C伪装隐身目标与未伪装的A、B、C目标进行对比测试，其结果如表8、9、10所示，同时结合图2、图3、图4、图5，可得，实测的毫米波特性图显示伪装隐身两栖坦克与背景相融极好，很难被敌发现，未伪装隐身两栖坦克暴露无疑，很易被敌发现。实测的厘米波特性图显示伪装隐身两栖坦克的与背景相融很好，很难被敌发现；未伪装隐身两栖坦克暴露无疑，很易被敌发现。
表8 可见光、近红外、热红外应用试验结果
Figure BSA0000197788800000083
Figure BSA0000197788800000091
表9 毫米波段应用试验结果
Figure BSA0000197788800000092
表10 厘米波段应用试验结果
Figure BSA0000197788800000093
Figure BSA0000197788800000101
以上对本发明进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层，其特征在于，包括以下：该复合涂层自上而下依次为三色迷彩层、热辐射分流阻隔涂层、阻抗匹配过渡层、毫米波-厘米波吸波层和三防涂层，
所述三色迷彩层为以纳米氧化物和半导体材料为基的可见光、近红外、热红外三色迷彩层，
所述热辐射分流阻隔涂层为以纳米铝粉、纳米云母粉为基的热辐射阻隔层，
所述阻抗匹配过渡层为以纳米氧化物为基的阻抗匹配过渡层，
所述毫米波-厘米波吸波层为以纳米Fe、γ-(Fe、Ni)合金粉、电解Fe粉为基的雷达吸波层，
所述三防涂层为以纳米磷酸锌为基的三防涂层。
2.根据权利要求1所述的一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层，其特征在于，所述三色迷彩层包含深绿涂料、中绿涂料和土黄涂料；
所述深绿涂料的化学成分(重量％)为纳米硝酸钴10-30％，高分子粘结剂20-60％，分散剂5-20％，固化剂5-15％，稀释剂5-10％；
所述中绿涂料的化学成分(重量％)为纳米硝酸钴2-10％，铁绿(Fe2O3)2-10％；，SnO22-8％，纳米铝粉2-5％，CdS 2-5％，高分子粘结剂25-65％，分散剂5-10％，固化剂2-10％，稀释剂2-10％；
所述土黄色涂料的化学成分(重量％)为：纳米氧化铁黄(纳米Fe2O3)10-30％，纳米铝粉5-10％，CdS 2-10％，SnO2 2-10％，纳米硝酸钴2-10％，高分子粘结剂25-65％，分散剂5-10％，固化剂2-10％，稀释剂2-10％。
3.根据权利要求1所述的一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层，其特征在于，所述热辐射分流阻隔层的化学成分(重量％)为：纳米氧化铝粉10-20％，纳米云母粉10-30％，高分子粘结剂20-60％，分散剂5-10％，固化剂5-10％，稀释剂5-10％。
4.根据权利要求1所述的一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层，其特征在于，所述阻抗匹配过渡层的化学成分(重量％)为：纳米氧化铁20-40％，高分子聚合物30-60％，分散剂5-15％，固化剂5-15％，稀释剂5-10％。
5.根据权利要求1所述的一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层，其特征在于，所述毫米波-厘米波雷达吸波层的化学成分(重量％)为：纳米铁粉10-30％，电解铁粉5-20％，纳米铁镍合金粉5-20％，超细磁性纤维2-10％，高分子粘结剂30-60％，分散剂2-10％，固化剂2-10％，稀释剂2-10％。
6.根据权利要求1所述的一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层，其特征在于，所述三防涂层的化学成分(重量％)为：纳米磷酸锌20-40％，改性环氧树脂40-60％，低分子聚酰胺10-20％，103稀释剂3-5％。
7.根据权利要求5所述的一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层，其特征在于，所述电解铁粉其结构为树枝状铁粉，用作多频谱隐身一体化涂层的吸收剂。
8.根据权利要求5所述的一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频隐身一体化的复合涂层，其特征在于，所述超细磁性纤维为通过化学拓扑反应生成的磁性纤维。
9.根据权利要求2或5任一所述的一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层，其特征在于，所述高分子粘结剂为改性环氧树脂、聚氨脂、氯磺化聚乙烯、氯丁橡胶、丁晴橡胶、氯化橡胶、硅橡胶或改性有机硅中一种。
10.根据权利要求2、3、4或5任一所述的一种可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波多频谱隐身一体化的复合涂层，其特征在于，所述分散剂为甲苯、二甲苯、二脂类基液、甲醇、乙醇、油酸钠或聚乙烯蚍咯烷酮中任意一种；
所述固化剂为邻苯二甲酸脂、低分子聚酰胺、咪唑、乙二胺、三乙烯四胺、二乙烯三胺、二甲基甲酰胺、顺丁烯二酸酯或均苯四甲酸酯中任意一种；
所述稀释剂为酒精、煤焦油、异丙醇、丙酮丁醇或异丁醇中任意一种。
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