防可见光近红外光氟碳伪装涂料的研制

尤欣敏1，徐海涛2，赵志刚1 高雯霞2
(1．南京工业大学，江苏南京210009；2．常州佳尔科仿真器材公司，江苏常州213111)

0 前言
随着科学技术的发展和武器装备的现代化，从目视侦察发展到成像侦察，近红外照相、热红外成像、微光夜视、雷达成像、多光谱成像和激光探测等侦察探测手段相继问世，并迅速发展。目前，越来越多的光电侦察仪器遍布陆、海、空立体空间，大量携带可见光、红外光、电视摄影、摄像和遥感设备的光电侦察设备被应用于现代战场的各个角落。面对全方位、多层次、多频段、多手段的光电侦察，如何防备重要建筑如桥梁、大坝、仓库、营房、指挥所、雷达站及地面武器系统等军事目标免遭打击，已成为一个十分重要的问题。目前，常采取多种伪装或隐身方式，如天然隐蔽、伪装涂料、吸波涂料、诱饵等。其中，伪装涂料因成本较低、施工便利、对目标外形适应性强而广泛应用，日益成为现代防空的必选材料。在重要设施和建筑、军用装备和器材的涂装保护上具有广阔的应用前景。伪装即用隐藏真貌展示假相的方法使军事目标和武器装备的可见性减少到低限度。它可以直接干扰和破坏敌方获取信息的准确性和及时性，降低敌方的侦察探测的效果和制导攻击的命中率，从而提高目标生存能力。伪装的理念源于仿生，伪装涂料主要涂覆在军用目标外表面，改变目标表面的光谱特性，并消除、降低目标与背景光学特征的差别，提高目标与背景的融合性。防可见光、近红外光侦视的伪装涂料可用来对抗紫外照相、近红外照相、微观夜视和电视制导等。氟碳涂料以含氟树脂为主要成膜物质，它的主要特点是树脂中引入的氟元素电负性大，含有大量的F—C 键，在受热、光（包括紫外线）的作用下，F—C 键难以断裂，显示出超强的耐候性、耐热性及耐化学介质腐蚀性能，优于聚氨酯、有机硅、丙烯酸树脂等涂料，户外有长达20 年的应用数据。以氟碳树脂为主成膜物制伪装涂料可延长涂料的使用寿命，增强对目标物的保护功能。

1 伪装涂料的原理和要求
1．1 伪装涂料的原理
利用涂料实现光学隐身的基本要求是在可见光与近红外波段（0.4～1.5 μm）内，涂层颜色大可能地融入所处的环境背景（如植被、土壤、沙漠或海洋等）中，由于背景的复杂多样,通常要求采用各种颜色的涂料将目标涂覆成迷彩图案的形式，以达到模糊、分割目标外形轮廓的效果，在可见光范围内得以隐身。如欲使被涂装的物体在近红外线的照射下得以隐形，这就要求涂层的光谱反射特性与背景一致，才能有效地模拟自然背景中物体的光谱反射曲线，即实现目标表面与背景的同色同谱，达到降低目标显著性或歪曲、分割目标外形轮廓的目的。在通常情况下，防红外侦察的伪装涂料的重点是叶绿素伪装，要求防红外伪装涂料在可见光和近红外的范围内，不仅颜色与环境相似，还要求涂料与天然叶绿素有近似或相同的反射程度，即两者有近似相同的光谱曲线。
1.2 伪装涂料的主要技术特性
1.2.1 耐候性、耐热性及附着力
伪装涂料主要应用于野外作业的装备，使用环境恶劣，尤其在阳光强烈直射、高风沙地区或沿海地区。为使涂料对目标物有更好的保护功能，伪装涂料不但需要良好的附着力，而且必须具有优良的耐候性、耐热性和耐腐蚀性。
1.2.2 亮度对比与色差
防可见光、近红外伪装涂料必须在0.4～1.5 μm 光谱区内具有与环境背景近似或相同的反射程度和极低的红外线吸收率。伪装技术指标中重要的是亮度对比与色差，实践表明，当目标与背景之间的亮度对比不大于0.2 时，该目标的可探视的概率极低。因而伪装涂料要求色差ΔE≤3、可见光亮度对比Kv≤0.1、近红外光亮度对比KN≤0.2。
1.2.3 光泽度的确定
红外线是没有颜色的色彩差异，它发现目标的依据是其和背景的亮度差别。因此，研制防红外线侦视涂料的主要任务是设法减少或消除目标与背景间的亮度差别，这就要求涂层表面效果与背景协调，尽量避免镜面反射[4]，所以60°光泽选择在10 以下。
1.3 研制氟碳伪装涂料采用的技术路线
（1）选择适宜类型的三氟氯乙烯与多种烷基乙烯基醚（酯）的共聚物———氟碳树脂为主要成膜物，以使涂料具有优异的耐候性、耐热性和耐腐蚀性[5]。
（2）筛选多种颜料并科学配比、合理组合，以使涂层满足目标表面与背景的同色同谱的要求，达到光学隐身的目的。
（3）选择特种助剂和共混改性剂，以使涂膜具有良好的附着力，并保证综合理化性能达到使用要求。

2 原材料的选择
2.1 主要成膜物质的选择
国内已研制和生产的伪装涂料有丙烯酸树脂漆、醇酸树脂漆、过氯乙烯树脂漆、环氧树脂漆等，鉴于本项目研制的伪装涂料要求具有良好的耐老化性和优良的耐热性，故选用常温固化的氟碳树脂为涂料的主成膜物。目前市场上的FEVE氟碳树脂主要为三氟氯乙烯与烷基乙烯基酯的共聚树脂和四氟乙烯与烷基乙烯基酯（醚）的共聚树脂，耐热性较好。我们通过试验选择树脂的类型和生产厂家。
测试用涂膜制备：在打磨成St3 级的马口铁板上刷涂涂料1 道，涂膜厚度为60～80 μm。将试样放入电热鼓风干燥箱中，其中1# 为丙烯酸树脂漆，2# 为三氟氯乙烯-乙烯基酯共聚物漆，3# 为四氟乙烯-乙烯基醚共聚物漆。恒温8 h 取出试样，分别测试其热损失量和光泽、颜色变化情况。
2.1.1 树脂的恒温热空气老化试验
不同温度下FEVE 氟碳涂料的热空气老化恒温质量损失见表1。
表1 不同温度下涂料的热空气老化质量损失 ％

从表1 可以看出，150 ℃时，3 种涂料的损失质量均在1%~2%，基本相同，说明分子链结构都未发生破坏；200 ℃时，3种涂料损失质量均有所增大，说明分子结构均发生较明显变化，其中3# 涂料的损失质量小，2# 的损失质量大；250 ℃时，氟碳涂料均发生明显的裂解、断链等复杂的反应，导致热损失质量明显加剧，而3# 的热损失质量较小，2# 的热损失质量大。
2.1.2 涂膜的热空气老化色差变化
经热空气老化后，测试涂膜的颜色变化及表面状态，结果见表2。
表2 经热空气老化试验后的色差△E及涂膜状态

从表2 可以看出，150 ℃时，3 组涂膜的色差△E 均小于1.5，变色0 级，漆膜颜色基本不变；200 ℃时，1# 和3# 变色仍为0 级，属于无变色范围，2# 变色3 级，属于明显变色；250 ℃时，所有涂膜都呈现严重变色，3# 的变色相对轻微一些。1# 涂料由于玻璃化温度较高，250 ℃高温下涂膜发脆，出现开裂现象。涂膜受热情况下的质量损失、变色和失光与高聚物的化学组成和分子链结构密切相关。四氟乙烯单体比三氟氯乙烯单体、乙烯基醚单体比醋酸乙烯酯单体热稳定性好。分子结构与试验结果均表明，四氟乙烯-乙烯基醚类型的FEVE 氟碳涂料具有更加优异的耐热、保光、保色性能。