Al/ATO复合粒子的制备及其性能研究

论文总字数：18121字

目 录

摘要 1

1 绪论 3

1.1 研究背景 3

1.2 大气窗口与红外探测原理 3

1.3 红外隐身原理 4

1.4 红外隐身涂料 5

1.4.1 红外隐身涂料的组成 5

1.4.2 红外隐身涂层性能的影响因素 7

1.5 红外隐身材料的研究现状 8

1.5.1 纳米材料的隐身特性 8

1.5.2 红外柔性隐身材料 8

1.5.3 智能型隐身材料 8

1.6 红外隐身材料现存的问题 8

1.7 论文的研究目的及内容 8

2 实验方法 10

2.1 实验原料 10

2.2 主要实验设备 10

2.3 材料的制备 10

2.4 测试分析方法 11

2.4.1 差热-热重分析(TG-DSC) 11

2.4.2 X-射线衍射分析(XRD) 11

2.4.3 扫描电镜分析(SEM) 11

2.4.4 红外光谱测试 11

3 实验的结果与讨论 12

3.1 Al/ATO复合粒子的微观结构分析 12

3.1.1 TG-DSC分析 12

3.1.2 形貌分析 12

3.1.3 XRD分析 13

3.1.4 FTIR分析 14

3.2 Al/ATO涂层的制备 15

3.3 Al/ATO涂层的红外隐身及理化性能 18

3.3.1 Al/ATO涂层的红外隐身性能 18

3.3.2 Al/ATO涂层的理化性能 18

4 实验结论 20

参考文献 21

成果 23

致谢 24

Al/ATO复合粒子的制备及其性能研究

张云柯

，China

Abstract：With the development of military science and technology, detection means are more and more abundant, and many kinds of detection methods are often used in combination, which makes stealth materials can not be designed for infrared detection only. Therefore, it is very important to prepare a material with both visible and infrared stealth properties. Righteous. In this paper, ATO (Antimony Doped Tin Oxide) particles were coated on the surface of flake aluminum powder by coprecipitation method, and the Al/ATO composite particles were prepared. The effects of the amount of aluminum powder, calcination temperature, reaction time and reaction temperature on the composite particles were discussed. The phase structure, microstructure and thermal infrared emissivity of the samples were characterized by XRD, SEM, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and comprehensive thermal analyzer. The experimental result shows that when the amount of aluminum powder is 50 wt, the reaction time is 2 h, the reaction temperature is 35 ℃, and the calcination temperature of the precursor is 400 ℃, the product can be prepared. The Al/ATO composite particles with complete and uniform surface coating and infrared emissivity of 0.69 were prepared.

Key Words：infrared stealth；Corecipitation method；flake aluminum；Al/ATO composite particles

1 绪论

1.1 研究背景

二战之后，隐身技术作为一种新的军事手段受到美、俄、英、法等国的高度重视，并被投入了巨额的研究经费进行开发与研究。隐身技术可以说是衡量一个国家军事力量与国防能力的一个标杆。现代战争中，红外探测和红外成像技术已经被广泛地应用。红外热像仪具有良好的隐匿性能、能够在夜间探测到很远的距离、能够在严酷的环境条件下使用，实现了适应于各种天气条件下的监测，致使军事目标易被发现、生存率低^[1]。因此，红外隐身技术受到各国的高度重视。

一般来说红外隐身应具备以下特点：

1. 具有符合要求的热红外发射率和控温性能；
2. 具有合理的表面结构；
3. 具有较低的太阳能吸收率；
4. 能与其他频段隐身相兼容。

红外隐身技术的关键在于降低特征目标的红外辐射能量。改善结构以及应用红外物理，来减小红外辐射的能量，均可以完成对军事目标的红外隐身，或者通过红外涂层的方法来降低被红外探测装置发现的可能性^[2]。

由于各类探测仪器的精确度大幅度提升，并且多种探测手段复合使用，所以对红外隐身材料的特性也听出了更高的要求。新型红外隐身材料需要向多频谱兼容方向发展^[3-5]。

达到红外隐身的主要方法是在目标物体表面涂覆低红外发射率的涂层。涂层中所添加的颜料发射率越低，军事目标越不容易被发现。铝粉有密度小（2.7g/cm³）、价格低、易施工等特点，因此被广泛地当作低发射率颜料来使用。但是铝粉遮盖力比较强，增加了对可见光的反射，此外还有较强的金属光泽，使得其在可见光隐身方面的相关应用被限制^[6]。ATO（掺锑二氧化锡）有着电阻低、化学性质稳定以及较高的可见光透过率等优点，而且其机械性能和着色力同样很好^[7,8]。把ATO当作填料运用在涂料中，将会是一种优良的红外隐身材料。因此，若将二者结合起来，可能会制备出优良的可见光/红外隐身材料。

1.2 大气窗口与红外探测原理

通常所说的大气窗口是太阳光穿透过大气层的时候透过率较高的光谱。在空气中传播的红外辐射，其部分波长的红外辐射会被空气中的水蒸气、二氧化碳及其气溶胶等吸收掉，能在大气中传播的只有大气窗口下的红外辐射^[9]。

由于大气对红外波的吸收，探测器一般只能接受1-3μm、3-5μm和8-14μm特定波段的辐射波^[9,10]。在3-5μm大气窗口的辐射背景小，在3-5μm范围易探测到目标；而10μm左右的大气窗口的辐射背景强，目标不易被探测^[11]。大气窗口与对应吸收带如图1-1所示：

图1-1 大气窗口与对应吸收带的分子

红外探测的关键在于，目标与背景在红外辐射上存在差异。目标与背景的辐射差异可用辐射对比度来表示，其定义为目标与所处背景的红外辐射射出度的数值之差与背景辐射射出度数值的比值，如下式所示^[9]:

（1）

式中M_B是背景的红外辐射射出度，M_T是目标的红外辐射射出度。当C小于一定值时，可认为探测器探测不到目标。当背景的红外辐射射出度较高时，需提高目标的红外辐射射出度；当背景的红外辐射射出度较低时，需降低目标的红外辐射射出度来提高军事目标的安全性。

1.3 红外隐身原理

绝对零度以上的物体会时刻向外辐射能量，“红外线”通常被认为是大于0.75μm，小于1000μm波长的这段电磁波。红外线是一种电磁辐射，人的肉眼难以观测到，需要借助红外仪器才能加以探测。因此，需要针对红外线进行隐身。

红外隐身的实质是通过各种技术来减小军事目标与背景的红外辐射差，从而降低军事目标被发现的几率。红外探测的距离方程R为：

（2）

式中E为目标的辐射强度；N为背景的辐射率；W为探测系统的视场角

由式（1）当目标的辐射强度减小时，红外探测的距离也会减小，因此降低目标辐射强度，可以降低目标被探测的几率。红外辐射能由斯蒂芬-玻尔兹曼定律决定：

（3）

式中W-物体的总辐射出射度；σ-玻尔兹曼常数；ε-物体的发射率；T-物体的绝对温度

由斯蒂芬-玻尔兹曼定律可知，降低红外发射率可以通过，降低目标的表面温度和改变发射率来实现。在一定温度下，任何物体的发射率和其吸收率之比的值都相等。换言之：好的吸收体也是好的发射体^[12]。而反射率和透明度高的物体，其发射率就越低。这可以作为制备不同红外辐射材料的理论依据。

1.4 红外隐身涂料

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