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聚氨酯基红外-激光兼容隐身涂层性能研究
邢宏龙;郭文美;陶启宇;叶翠情;周桂娥
【摘 要】以三氧化二铬包覆片状铝粉粒子(Al/ Cr2O3)为填料,聚碳酸酯基水性聚氨酯为粘合剂,涂敷于玻璃片上,自然干燥制得涂层.研究了粘合剂、填料及它们的加入量对涂层红外发射率和激光反射性能的影响.采用红外发射率测量仪和可调谐CO2激光器测试涂层在8～14μm红外发射率和10.6 μm激光反射性能.结果表明:使用的粘合剂较普通水性聚氨酯发射率低,固定粘合剂量,改变填料加入量,涂层在8 ～14 μm波段发射率和10.6 μm激光的反射性能都随着包覆粒子的增加而减小,当加入量达到30％时,涂层的红外发射率可以降低至0.688,激光反射能量降至初始入射能量的1％,且涂层综合物理性能良好,达到红外—激光兼容隐身的要求.
【期刊名称】《激光与红外》
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【年(卷),期】2013(043)007
【总页数】5页(P761-765)
【关键词】红外发射率;激光反射;兼容隐身;涂层
【作 者】邢宏龙;郭文美;陶启宇;叶翠情;周桂娥
【作者单位】安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001
medium的同义词【正文语种】中 文
【中图分类】TN213
1 引言
涂层隐身技术是一种通过涂敷功能涂料使目标物具备隐身能力的有效方法，并以其施工方便、成本低廉、性能优越等优点一直是各国研究的重点［1］。传统的单隐身涂层已经不能满足现代探测技术的需要，红外－微波、红外－激光和激光－微波以及三种及三种以上的多种兼容隐身已经成为研究应用的重点［2］。
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为了实现红外－激光兼容隐身，必须同时降低涂层的红外发射率和激光反射率。兼容隐身
涂层主要由填料和粘合剂组成［3］。聚碳酸酯二醇为主要原料合成的水性聚氨酯具有良好的光学性能、力学性能、耐水解性、耐热性、耐氧化性和耐磨性［4］。片状铝粉广泛运用于红外隐身涂层，但其在激光波段内高反射，且发射率会随着温度的上升动态增大［5］，不符合激光隐身要求。Cr2O3是一种耐高温，高强度物质，具有遮蔽激光，抵御激光照射的能力，有效保护涂层和目标物［6］。把Cr2O3包覆在片状铝粉表面，由于Cr2O3在红外区没有强吸收［7］，制得的 Cr2O3包覆铝包覆粒子(Al/Cr2O3)具有低发射率的同时兼具有低激光反射率，实现红外－激光兼容隐身。
激光隐身的材料开发和应用多针对于1.06 μm波段钇铝石榴石激光器，而10.6 μm波段的二氧化碳激光器具有对人眼安全、大气传输性能好、兼容性好、较大的输出功率和能量转换效率等优点［8］，应用越来越广泛。探究涂层在10.6 μm波段的反射情况显得尤为重要。本研究采用Al/Cr2O3包覆粒子为填料，自制聚碳酸酯二醇型水性聚氨酯作为粘合剂，制备聚氨酯基红外－激光隐身涂层，并进行了10.6 μm波段激光反射性能和8～14 μm波段红外性能研究。
2 实验方法
2.1 主要原料
六水氯化铬，片状铝粉，聚碳酸酯二醇(PCDL)，异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，三羟甲基丙烷(DMPA)，三乙胺，二乙胺，市售普通水性聚氨酯，六偏磷酸钠，防老剂乳液SD－1688，羧甲基纤维素钠，HP－855聚醚改性聚有机硅氧烷，CP－02硅烷高效消泡剂。
2.2 涂层的制备
(1)乳液粘合剂的制备
装有机械搅拌器、温度计、氮气进气口和回流冷凝管的250 mL四口烧瓶中，采用丙酮法进行乳液聚合。反应典型配方为:PCDL/IPDI质量比为2.5∶1，加入 DMPA的量为单体总量的6%，中和度为100%，控制二次扩链剂乙二胺的加入量使得－NH3与－NCO的摩尔比为1.5∶1。
(2)填料Al/Cr2O3包覆粒子的制备
装有机械搅拌器、温度计的250 mL三口烧瓶中，采用水热沉淀法制备包覆粒子中间体:氢
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氧化铬包覆铝，反应配方为:铝粉与 Cr2O3的质量比为1∶1.2，分散剂六偏磷酸钠为铝粉加入量8%，控制pH为7。再将中间体干燥后380℃煅烧。获得墨绿色的Al/Cr2O3片状包覆粒子。
(3)兼容隐身涂层的制备
将包覆粒子、水、助剂高速分散后联合其他助剂一起加入到自制乳液粘合剂中，混合均匀，调节黏度，过滤，使其达到细度要求后，参照标准 GB/T 1727－1992采用刷涂法制备涂层，室温下自然干燥，即可获得兼容隐身涂层。
2.3 测试表征
用X射线衍射仪对制备的填料Al/Cr2O3包覆粒子进行测试，扫描范围10～60°;用FI－IR傅里叶变换红外光谱仪对粘合剂进行测试，测试范围4000～500 cm－1;用IR－2型双波发射率测量仪测量8～14 μm波段的红外发射率;用可调谐CO2激光器测量涂层在激光10.6 μm波段内的激光反射性能:设置激光波长为10.6 μm，CO2激光束扩束，扩束后激光脉冲能量密度为0.1 J·cm2。架设激光能量计，对准目标反射光路，记录能量计采样数值;用扫描式电子显微镜观察包覆粒子和涂层的微观状态。
3 结果与讨论
3.1 自制聚碳酸酯二醇型水性聚氨酯粘合剂的红外光谱图
图1中a曲线为市售普通水性聚氨酯1250－750 cm－1波段红外光谱图，b曲线为合成的碳酸酯基水性聚氨酯1250－750 cm－1波段的红外光谱图，相比较可以看出，在红外光谱在750～1250 cm－1波段内，即大气窗口8～14 μm，合成的聚碳酸酯基水性聚氨酯的吸收峰比市售普通水性聚氨酯的少并且峰强度弱，市售普通水性聚氨酯在1100 cm－1左右有个很强的C－O峰，而聚碳酸酯基水性聚氨酯在1250 cm－1左右才出现，在750～1250 cm－1(即大气窗口8～14 μm)波段内无强吸收，符合红外隐身机理［9］，因而合成聚碳酸酯基水性聚氨酯发射率低。
图1 碳酸酯基水性聚氨酯膜与市售普通水性聚氨酯膜1250－750 cm－1波段红外光谱图Fig.1 FT-IR spectra of the films of polycarbonate-bad water-bad polyurethane and commercially available ordinary water-bad polyurethane in band of 1250 to 750 cm－1
3.2 自制填料Al/Cr2O3包覆粒子分析hobby什么意思
图2为制备的Al/Cr2O3包覆粒子XRD图，从图中可以看出，衍射角 2θ=24.48°，33.62°，36.26°，38.50°，39.82°，41.58°，44.72°，50.28°，54.92°，58.58°处分别出现 10个峰。2θ=38.50°和 44.72°与铝的标准卡片(PDF#85－1327)的(111)(200)晶面所对应的位置基本一致;衍射角2θ=24.48°，33.62°，36.26°，39.82°，41.58°，50.28°，54.92°，58.58°与 Cr2O3的标准卡片(PDF#85－0730)的(110)(121)(110)(222)(120)(220)(231)(233)晶面所对应的位置基本一致;且没有衍射峰与Al2O3的标准卡片(PDF#85－1337)晶面峰一致，说明没有铝的氧化物产生，氧化铬已经对片状铝粉基本形成了包覆，在降低其激光反射的性能的基础上防止铝粉氧化，提高红外隐身性能。同时Al/Cr2O3包覆粒子和纯Cr2O3的XRD衍射峰都较尖锐，说明在铝粉表面Cr2O3结晶良好［10］。
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图2 Al/Cr2O3包覆粒子的XRD图Fig.2 XRD patterns of Al/Cr2O3composite particles
由图3(a)，(b)可以看出，包覆后的铝粉与未包覆前的铝粉［11］相比，表面有颗粒物附着，颗粒物在片状铝粉粒子表面包覆比较完全，使得铝粉表面具备了一定的粗糙度，结合XRD分析，可以知道表面颗粒物为三氧化二铬，且从SEM图可以看出包覆在片状铝粉表面的三氧化二铬已达到微米级，部分达到纳米级。表1为Al/Cr2O3包覆粒子、Cr2O3和片状铝粉的红外发射率和激光反射性能测试结果。
图3 Al/Cr2O3包覆粒子的SEM图片Fig.3 SEM picture of Al/Cr2O3composite particles蒂托夫
中俄翻译
表1 Al/Cr2O3包覆粒子、Cr2O3和片状铝粉的红外发射率和激光反射性能Tab.1 Infrared emissivity and lar reflection properties of Al/Cr2O3composite particles，Cr2O3and aluminum powders填料 红外发射率 反射激光能量占入射能量的比例/%Al/Cr2O3包覆粒子0.691 1.13 Cr2O3 0.925 0.97片状铝粉0.595 2.96
由于包覆粒子中包覆在片状铝粉表层的微米级和纳米级的三氧化铬颗粒对波的透过率增大，同时微米级和纳米级的粒子具有大的比表面积，使得包覆粒子表面原子增多，平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，界面产生极化作用，对入射光波形成多重散射，因此入射光反射回去的能量和光波就减少［12－13］;包覆粒子的粗糙表面，使得散射增加，从而降低了激光的反射［14］。所以制得的包覆粒子红外发射率较低，仅为0.691，激光反射性能弱，反射激光能量占入射激光能量的比例的1.13%。
意义英文3.3 涂层的红外发射率
固定聚碳酸酯基水性聚氨酯粘合剂的加入量，改变填料包覆粒子的加入量，制备了一系列红外－激光兼容隐身涂层，其8～14 μm波段的红外发射率如图4所示。
图4 红外－激光兼容隐身涂层红外发射率变化曲线Fig.4 Curve of IR-Lar composite stealthy coating infrared emissivity
由图4可知随着包覆粒子加入量的增加，涂层的红外发射率在40%以前呈不断下降的趋势，发射率下降了0.166，加入量超过40%以后发射率有所上升。其中在0～30%之间发射率下降明显，超过30%后发射率降低减缓，这是因为随着包覆粒子加入量的增加，对载体的有效覆盖面积不断增大，配合粘合剂的使用，形成了连续的涂层，红外发射率下降明显。但是随着加入量的继续增大超过30%，有效覆盖面积已经不再增加，发射率下降趋缓;当包覆粒子继续增大时超过40%时，由于粘合剂的用量一定，形成的涂层，表层不够致密，包覆粒子裸露，干燥后容易开裂，红外发射率反而上升，同时涂层也变脆，物理性能下降，所以包覆粒子的加入量30%左右为宜，此时发射率可以降低至0.688，涂层物理性能较好，且经济节约。
