電熱涂層在紅外示假中的應(yīng)用

楊輝， 何超， 潘家亮， 賈其， 何猛， 徐鑫

(1.陸軍研究院五所， 江蘇 無錫 214035；2.火箭軍研究院， 北京 100011；3.陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院， 江蘇 南京 210007；4.陸軍裝備部 裝備項目管理中心， 北京 100000；5.國防科技大學 氣象海洋學院， 江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展，紅外偽裝的手段越來越多樣[1-4]，然而紅外示假技術(shù)尚沒有定型的裝備。紅外示假技術(shù)用于盡可能模擬目標的紅外特征，達到以假亂真的目的。面對紅外成像偵察制導威脅，在信息化戰(zhàn)爭條件下，機動目標及有源固定目標的熱示假已經(jīng)成為亟待解決的難題。假目標紅外示假技術(shù)主要有傳統(tǒng)的紅外點源模擬、相變材料模擬、電熱膜模擬和電熱涂層模擬等。隨著偵察手段的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的紅外點源模擬方式已經(jīng)不能滿足軍事偽裝的要求。相變材料利用高熱慣量的特點，可通過調(diào)節(jié)參數(shù)來實現(xiàn)對不同厚度鋼板表面溫度隨環(huán)境變化的模擬，并已在坦克炮塔、車輪等部位進行了驗證試驗[5]。該方法主要針對目標的關(guān)鍵部位實現(xiàn)無源模擬，無法實現(xiàn)熱源部位的有效模擬。電熱膜和電熱涂層的紅外模擬原理近似，都是通過電能轉(zhuǎn)換成熱能，具有面狀發(fā)熱、熱效率高、外形可選擇性強、適用范圍廣、熱分布隨意、溫度可控等優(yōu)點[6]。其中，電熱膜主要制備方法是將導電材料熱壓在兩層絕緣聚酯膜間，其光學特性和較低的發(fā)射率是紅外示假應(yīng)用的難點[7]，未見實際應(yīng)用的報道。電熱涂層使用方便，裝備形式簡單，可在任何基底表面涂覆，表面可通過噴涂光學涂層實現(xiàn)光學波段的示假。該方法既可以用于生產(chǎn)新型紅外假目標，又能對我軍現(xiàn)有假目標進行改裝，使其具有紅外熱成像仿真的性能，具有廣闊應(yīng)用前景。

孫浩等研制出炭黑石墨復合電熱涂料[8]，利用電熱涂層制作出坦克的二維假目標模型[9]。何文龍基于石墨烯制備了水性電熱涂料，分析了石墨烯用量和涂膜厚度對其導電性能的影響[10]；張朋等基于納米碳材料制備了水性電熱涂料，其中石墨烯涂層具有最低的體積電阻率，為0.032 6 Ω·cm[11]，量化分析了涂層的導電性能和電熱性能；郭佩等采用多壁碳納米管作為填料制備的電熱涂料，使電阻率低至8.956 Ω·cm[12]；閆軍等研究了偶聯(lián)劑對環(huán)氧- 銅粉復合導電涂料導電性能的影響，當銅粉含量70%～75%、固化劑用量20%、偶聯(lián)劑含量2%時，制備的導電涂料綜合性能較好[13]。

電熱涂料的制備方法很多，目前主要是實驗室小樣制備，尚未見大面積紅外示假應(yīng)用。本文在理論上計算分析了電熱涂層應(yīng)用于紅外示假的可行性，設(shè)計制備了不同電阻率梯度的電熱涂層，通過電熱涂層的大面積制備，在某型假目標樣機上進行應(yīng)用試驗，取得了較好的熱補償紅外示假效果。

1 電熱涂層模擬目標溫度的理論分析

紅外示假用電熱涂層的目的是使其在溫度低于目標溫度時得到熱補償，或使假目標特征區(qū)域的熱輻射特征與目標一致。本文首先建立電熱涂層系統(tǒng)的簡化熱交換模型(見圖1)，與目標的熱交換模型進行比較，通過理論計算得到需要補償?shù)臒崃?；然后在安全電?6 V基礎(chǔ)上計算涂層的電阻率選擇范圍；進一步設(shè)計電熱涂料中導電填料的添加比例以及電熱涂層的制備厚度。圖1中，dt為目標厚度，df、ds分別為假目標電熱涂層系統(tǒng)中假目標厚度和系統(tǒng)總厚度，x為垂直于平板表面的坐標方向。

圖1 目標和假目標電熱涂層系統(tǒng)傳熱模型Fig.1 Heat transfer model of target and decoy electro-thermal coating system

對于電熱涂層系統(tǒng)，涂層部分含有內(nèi)熱源Q，系統(tǒng)熱模型的微分方程如下：

(1)

根據(jù)模型對目標和假目標一日內(nèi)的溫度進行計算，計算時所取參數(shù)[14]為：目標材料為鋼板，密度7 854 kg/m3、導熱系數(shù)60.5 W(m·K)、比熱434 J/(kg·K)、厚度20 mm；假目標材料為天然橡膠布，密度1 000 kg/m3、導熱系數(shù)0.2 W(m·K)、比熱1 J/(kg·K)、厚度2 mm；電熱涂層密度取2 000 kg/m3、導熱系數(shù)取10 W/(m·K)、比熱取10 J/(kg·K)、厚度取200 μm. 電熱涂層內(nèi)熱源Φ分別取30 000 W/m3、50 000 W/m3、70 000 W/m3. 在以上條件下進行溫度變化特性計算，計算出目標、假目標以及假目標涂覆不同電熱涂層后1 d的溫度變化曲線，如圖2所示。當假目標溫度低于目標溫度時，可通過電熱涂層加熱進行熱補償，達到模擬目標紅外輻射特性的目的。當電熱涂層內(nèi)熱源為常數(shù)時，由于熱慣量的內(nèi)在差別，電熱涂層系統(tǒng)通電加熱的溫度變化和目標仍有不同，但在實際使用過程中可通過不連續(xù)通電和漸變電壓的方式精確調(diào)整溫升曲線，做到與目標溫度變化的實時匹配。

2 電熱涂層制備及試驗分析

考慮到目標不同部位、有無熱源的狀態(tài)下其紅外輻射特性都有所不同，要達到有效的紅外示假效果，首先需要研制不同電阻梯度的電熱涂層，然后通過形狀、結(jié)構(gòu)和電路的綜合設(shè)計實現(xiàn)目標紅外輻射特性的動態(tài)模擬。本文重點研究不同梯度的電熱涂層設(shè)計制備。

圖2 電熱涂層對目標溫度的模擬Fig.2 Simulation of target temperature by electro-thermal coating

2.1 涂料配方研究

2.1.1 成膜物質(zhì)的選取

考慮到電熱涂層的實際應(yīng)用情況，成膜物質(zhì)應(yīng)該符合下列條件：

1)電熱涂層必須要有很好的附著力，而隨著填料含量的增加附著力下降，因此要選取高填充的成膜物質(zhì)，在保證較高比例填料納入量的同時保證優(yōu)良的附著力。

2)電熱涂層工作溫度較高，需要成膜物質(zhì)有很好的溫度穩(wěn)定性；電熱涂層的正溫度系數(shù)效應(yīng)(PTC效應(yīng))是指涂層基體(成膜物質(zhì))和填料由于溫度升高而熱膨脹，但由于膨脹系數(shù)不同致使涂層導電通路斷開，涂層電阻率急劇增加的現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，成膜物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與填料粒子接近。

3)與民用電發(fā)熱漆相比，假目標用電熱涂層基體應(yīng)有更好的附著力和抗沖擊強度。

成膜物質(zhì)選取的主要參數(shù)依據(jù)及其考慮的優(yōu)先級為：填料可納入量>溫度穩(wěn)定性>熱膨脹系數(shù)>附著力和抗沖擊強度。

表1給出了3種待選成膜物質(zhì)的主要參數(shù)對比。表1中的結(jié)果表明，聚氨酯是電熱涂層成膜物質(zhì)的最佳選擇(注：聚氨酯的最高工作溫度為155 ℃；填料粒子的熱膨脹系數(shù)約為1.7×10-5℃-1)。

表1 成膜物質(zhì)的主要參數(shù)對比

2.1.2 導電填料的選取

首先，填料粒子要有很好的導電性，足夠高的填料粒子電導率值能保證足夠高的涂料和涂層電導率值，使涂層有足夠高的發(fā)熱功率。其次，由于涂層要有較好的溫度穩(wěn)定性，需要在較高溫度下連續(xù)工作，填料粒子也應(yīng)具有穩(wěn)定的化學物理性質(zhì)，不能因為較高的溫度和電流而改性、氧化或電導率發(fā)生較大變化。再次，選取填料粒子形狀時，應(yīng)綜合考慮涂料導電性、涂層強度、附著力以及涂層輻射特性。銀粉是最早使用的導電填料，銀粉導電性好，不易氧化，而且其氧化物也具有導電性，但其價格較為昂貴；銅粉導電性好，但極易氧化；鎳粉價格適中，穩(wěn)定性介于銅和銀之間，但其電阻率大約是銅和銀的7倍。合金粉填料可以是兩相的、也可以是三相的，目的都是為了使涂料的綜合性能得到提高；金屬包覆型復合粉的主要目的是降低成本和提高涂料的導電性。綜上所述，選取銀包銅粉體作為導電填料，從而實現(xiàn)高導電性、穩(wěn)定性和低成本的兼容。

2.1.3 電熱涂層制備

調(diào)整電熱涂料顏基比(導電填料和成膜物質(zhì)的比值)，是調(diào)控涂層電阻率的主要手段。通過呂緒良等前期的理論計算[15]可知：涂層的有效導電率在滲流閾值附近有明顯突變，而開始導電后有效導電率變化趨緩，因此在保證涂層優(yōu)良的導電性能時，需要盡量控制導電填料的添加量。本文試驗比較了不同顏基比電熱涂層的性能效果，采用顏基比為10%、20%、30%的電熱涂料，在1塊涂層布上制備了不同梯度的電熱涂層。

2.2 試驗分析

將設(shè)計制備的電熱涂層串聯(lián)接入直流電路，通過熱像儀分析其升溫曲線，待其表面溫度穩(wěn)定后拍攝熱圖，結(jié)果如圖3所示。圖3中AR01、AR02、AR03為電熱涂層，分別對應(yīng)的顏基比為30%、20%、10%，AR04為背景區(qū)域。

圖3 溫度平衡后熱圖Fig.3 Thermal image after temperature balance

由圖3可以看出,3塊不同電阻率的涂層在串聯(lián)電路中的平衡溫度不同，明顯地形成了3個斑點。涂層的升溫情況如圖4所示。

圖4 升溫曲線Fig.4 Temperature-raising curves

通過3塊涂層和背景的平均溫度變化曲線可知，涂層在通電后升溫速度快，在2 min時基本達到了平衡溫度，3塊涂層的平衡輻射溫度分別為50 ℃、40 ℃、33 ℃(背景溫度28 ℃)。通常大于4 ℃的紅外輻射溫差，能夠有效地形成熱圖斑點。因此，不同電阻率梯度的電熱涂層能夠滿足目標紅外輻射特性模擬的需求。

3 電熱涂層應(yīng)用試驗

通過不同顏基比電熱涂層的的小樣制備和試驗分析，掌握了不同電阻率電熱涂層的升溫特性，進一步制備電熱涂層的大樣，在某型假目標樣機上驗證大面積電熱涂層的紅外示假效果。將電熱涂層樣布電極接通電源(36 V)，暴露于大氣環(huán)境1 h后，利用紅外熱像儀，在8～14 μm波段對處于靜止狀態(tài)的試驗?zāi)繕诉M行紅外觀察測量，紅外觀測點距試驗?zāi)繕酥本€距離為50 m. 測試結(jié)果如圖5所示(分別采集了夜間20：45、21：45、23：15、00：15等時刻的熱圖)。

圖5 電熱涂層紅外示假熱圖Fig.5 Infrared images of electoral-thermal coating

根據(jù)圖5可知，電熱涂層比背景的平均溫度高5.67 ℃，最大溫差為0:15時的7.1 ℃，最小溫差為20:45時的3.9 ℃.

4 結(jié)論

本文通過假目標涂覆電熱涂層模擬目標溫度的理論分析，有效指導了不同顏基比電熱涂層的制備。進一步開展了不同梯度的電熱涂層試驗，在實驗室內(nèi)有效形成了不同溫度梯度的紅外熱圖，為模擬目標整體紅外輻射特性奠定了基礎(chǔ)。為了驗證電熱涂層在假目標上的實際應(yīng)用，針對假目標側(cè)上裝甲部位制備了電熱涂層大樣，野外試驗表明其在連續(xù)通電的過程中比背景高出5 ℃左右，可使假目標具有顯著的紅外輻射特性。

本文主要驗證了電熱涂層應(yīng)用于紅外示假的可行性，解決了不同電阻率梯度電熱涂層設(shè)計制備及大面積應(yīng)用的問題。下一步需要系統(tǒng)分析機動目標的紅外輻射特性，并針對不同的熱源部位設(shè)計制備不同的電熱涂層模塊及紅外特征模擬溫度控制器，以達到準確模擬目標紅外輻射特性的目的。