热红外伪装军用充气坦克技术的研究现状与进展
现代战争中，随着红外探测技术的不断发展，使武器装备的热红外伪装变得越来越困难，其生存和安全受到严重威胁，因此研究热红外伪装技术受到了世界各国军事科学家的高度重视。热红外伪装技术是一种交叉学科技术，通过材料科学、色彩学、光学等各种学科的综合运用，调控目标的热红外辐射特征，使目标与背景的热红外辐射特征相融合，减小其被红外探测设备发现的概率，或者缩短侦查距离来提高目标的战场生存能力。本文针对武器装备的热红外伪装需求，介绍热红外伪装技术原理，重点阐述热红外伪装技术几种实现方式的研究现状和进展。
根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律和实际物体的发射率定义可知，对于发射率为ε的实际物体，其在单位表面积上向半球空间辐射出的总辐射力为：
根据公式（1）可知，物体对外辐射的能力不仅与物体的温度有关，还与物体的发射率有关。由于一般军事目标的辐射都强于背景，为了降低目标与背景的辐射对比度，达到伪装效果，需要减小目标表面的温度和发射率。但是温度和发射率在不同的条件下对辐射力的影响是不同的：高温情况下，温度是主要影响因素；低温情况下，发射率是主要影响因素。
涂料技术作为一种常见的材料技术，在诸多方面优势明显，因此受到各国的高度重视，是热红外伪装技术研究的重点领域。为了降低目标的红外辐射能量，热红外伪装涂料一般是选用低发射率的涂料，主要由低发射率的颜料（或填料）、军用充气坦克粘合剂以及其他功能性助剂组成。同时对热红外伪装涂料还有低太阳吸收率和隔热能力的要求，这样是为了避免目标表面因吸收太阳辐射的热量而升温，并防止目标内部有过多的热量辐射出去。
目前各国的伪装涂料研究方向集中在功能颜料和粘合剂上面。功能颜料是伪装涂料的重要组成部分，其主要特征是具有低发射率。伪装涂料中的功能颜料主要分为有机和无机两大类。有机颜料，如酞青蓝等，因为复杂的官能团结构，一般在6~11um的波段范围内有明显的吸收峰，同时耐老化性能差，所以很少使用。无机颜料因具有遮盖力好、耐光性好、不易分解和耐高温等诸多优点，在伪装涂料中应用较多。无机颜料一般包括：金属颜料、半导体颜料、着色颜料等。
有研究表明，不透明体的反射率越高，其发射率越低。金属颜料具有优良的红外反射性能，因此，金属颜料是伪装涂料中最常用的颜料种类。目前Cu、Al、Ag、Au、Zn等金属颜料常用在红外伪装涂料中。影响金属颜料发射率的主要因素有粒子的含量、形态、尺寸大小等。沐磊等总结了金属颜料的粒子形态、尺寸和含量对红外波段发射率的影响。认为金属颜料粒子应优选鳞片状形状，而且具有一定的含量范围，超过含量后，不仅对发射率的调节作用不大，反而会导致涂料无法成型。徐国跃等为了研究铜粉尺寸、形状、漂浮性、用量等对涂层红外发射率的影响，制备了一系列的低红外发射率涂料。经过大量的研究发现，铜粉含量对涂层的发射率有较大影响：铜粉含量从10%增加到50%时，涂层发射率从大于0.8降低到小于0.2。铜粉的漂浮性和用量对涂层的红外发射率影响最大，因为漂浮性和用量能够减小涂层表面的空隙率，使涂层的有效反射层减少，从而有利于红外发射率的降低，其最低发射率可达0.1。
除传统的金属颜料以外，研究人员也在开发新型低发射率颜料，如半导体颜料。可以通过掺杂来控制半导体颜料的载流子密度、迁移率以及碰撞频率等，从而调控其红外发射率，同时半导体颜料具有良好的多波段兼容伪装性能，是一种有很好发展前景的颜料。美军在20世纪90年代初开始研究发温致变发射率半导体颜料，其研究成果陆续披露后，西方各国也开始重视半导体颜料的研究。德国某公司的专利中制备出了一种半导体材料：具有较低的红外发射率；同时能在不同的波段进行选择性吸收，能应用于多光谱伪装。
国内在半导体颜料研究起步较晚但发展较为迅速。刁训刚等人采用磁控溅射法的制备了ITO、ZAO、TiO₂/Ag/TiO₂纳米多层膜等3种低发射率的纳米氧化物半导体材料，研究结果表明ITO颜料的发射率可调范围为0.1~0.9，TiO₂/Ag/TiO₂纳米多层膜的最低发射率可达0.05。王自荣等将不同掺杂程度的ITO粉末分别与环氧树脂、酚醛树脂、醇酸树脂等不同粘合剂混合后制成了ITO涂料，研究了掺杂浓度以及ITO固化量对涂层发射率的影响：当SnO₂掺杂比例为5%、ITO固含量为25%时，涂层发射率最低可达0.63。
粘合剂的作用有两个：其一是涂料的主要成膜物质；其二是调节涂层的发射率。低发射率涂层的粘合剂一般具有如下两个基本要求：一是所用粘合剂必须在选定的光谱范围内红外透明，一般要求在大气窗口透明；二是具有一定的机械强度，保持涂层在整个使用过程中的红外特性。大多数有机粘合剂在热红外区由于其官能团的振动，致使其在相应的波段有强烈的吸收。所以在涂料配方设计中，尽量避免用含此类官能团的树脂材料作为粘合剂，以减少红外吸收。
国内对热红外透明粘合剂研究较晚，在理论探索方面有一定的进展，但缺乏系统性的研究，在实际应用还不成熟。目前研究较多的热红外透明粘合剂包括：环化橡胶、丙烯聚氨酯、氯化聚苯乙烯、氯丁橡胶、乙丙橡胶等。张梅等人对三元乙丙橡胶进行环化和乳化改性，得到了透气好、附着力强的粘合剂，且乳化改性后的三元乙丙橡胶在远红外波段的发射率为0.58，可以用作热红外伪装涂料的粘合剂。王庭慰等人用三元乙丙橡胶与丙烯酸接枝得到的共聚物在8~14um的波段内没有强吸收峰，红外透明性良好，耐冲击性和耐酸碱盐性能优良。翁小龙等人测试了不同树脂及厚度的红外发射率，发现氯化橡胶和环化橡胶的热红外发射率分别为0.33~0.66、0.37~0.49，是一种优良的红外透明粘合剂。他们分别用氯化橡胶和环化橡胶作为反射层和面漆的粘合剂，选用具有红外高反射低吸收功能的颜料，得到的涂层的最低发射率为0.55。
目前国外主要朝两个方面研究低发射率粘合剂：一是红外透明粘合剂；二是选择性吸收粘合剂，即在大气窗口是透明的，而在非大气窗口有较强的吸收。满足此功能的粘合剂有聚乙烯、异丁烯橡胶、石蜡化合物、氯化聚丙烯等。
热红外伪装网主要通过具有不同发射率的伪装布形成热迷彩图案，模拟背景的热红外特征，达到伪装常温状态的热目标的目的。美国Brunswick Defence公司研制的“热红外伪装篷布”，其主要由金属箔硬底和表面热红外织物组成，把它与目标隔开一定距离，就能有效衰减和扩散目标的热红外辐射，具有优良的热红外伪装性能。其与轻型反雷达网配合使用，成为了第一代宽频伪装遮障。德国的OGUS公司研制成功的“热红外伪装网”，该伪装网可以根据目标温度高低、有源或无源与“绝热帆布”配合使用，使目标的热图像更好地与环境融合在一起。瑞典于1986年研制成功的“巴拉库达热伪装遮障”，该遮障由热伪装网和含有金属薄膜的隔热层组成，且开有一种用来屏蔽热辐射的眼睑式冲孔，可以形成一个温度均匀低温表面。热伪装网上涂有不同发射率的聚合物涂层，结果可使常温目标的热特征与自然环境相融合。
我国从20世纪60年代以来，在伪装网领域取得了不少成果，分别研制成功了65伪装网、81伪装网、95伪装网，其中95伪装网能够歪曲目标的热图像从而屏蔽目标。近年来，我国伪装网技术开始朝着轻型化、军用充气坦克复合化的方向发展，目前还未达到世界顶级水平。
热红外伪装涂料技术和热红外伪装网技术是目前常用的两种静态热红外伪装技术，一旦被敌侦察系统识破，则伪装目标本身就成为精确制导武器的打击目标；同时作战背景不断变化的跨区域作战中，均表现出适应性差的缺点。因此，迫切需要克服现有伪装的不足，发展伪装态能随背景变换而自动变换以便与背景特征相适应的新型自适应伪装防护技术。
如图1所示，自适应红外伪装技术，则是综合使用材料、传感、控制等技术手段，使得被侦测的目标特别是动态目标的红外特征适应环境的变化来实时、主动的发生相应调整，军用充气坦克最终实现目标和背景的红外辐射特征始终保持相同或者接近，而不被觉察出来，使得它们之间红外辐射特征的差别降低至最小甚至消除，从而使目标得以伪装掩护。
美国等西方军事强国很早就开始注重基于变温和变发射率原理的红外自适应伪装系统的研究，且其研究水平已经接近实际应用。早在20世纪90年代，美军提出了动态红外伪装的概念，将“地面勇士”单兵系统与“第二代士兵系统”综合，综合后的系统能随环境红外辐射变化而随时自动变化。
如图2所示，以色列的埃尔蒂克斯公司研发了“黑狐”主动式热信号特征伪装系统，该系统目前已经基本成熟。该系统通过红外热像仪获取环境背景的红外辐射特征，并使用系统处理器对环境辐射特征进行处理，然后通过控制器对伪装面板进行调控，模拟出环境的噪声混乱和特种纹理状况，将车辆有效融合到背景环境中，从而确保车辆不被红外系统探测到，其伪装效果如图3所示。
BAE系统公司早在2011年的国家防务展上就首次展出了一种名为“ADAPTIV”的自适应热伪装系统。如图4所示，该系统在结构上由大量六边形陶瓷块组成，与车载计算机连接后能够接收热传感器在其背景环境中探测到的数据，从而使陶瓷块的温度得以调节，以便使车辆的热信号与背景环境很好的融合。此红外伪装系统能够在500m外使时速为30km/h的车辆获得很好的红外伪装效果。
Chandrasekhar等人用含硫酸基团的亲水聚合物掺杂PANI/PDPA导电高分子作为变色层、金薄膜作反射电极物电解质，以聚乙烯醇和聚乙二醇为水性固态聚合物电解质，制备出了图5所示的两电极柔性电致变红外发射率器件。该器件在2.5~45um波段内的发射率调节范围达到了0.47（0.32 ~ 0.79），器件的响应时间小于2s，循环次数大于10⁵，并且能在-35℃~85℃的环境下稳定工作。在红外自适应伪装领域有很好的应用前景。Chandrasekhar在其后续的改进型器件中，采用离子液体作为电解质，器件的发射率调节范围达到了0.514（0.257 ~ 0.771），并且能接近无限次的稳定循环。Ashwin Ushas公司以及Nebraska Lincoln大学用磁控溅射的方法，以三氧化钨为变发射率层，以金属薄膜或金属网格作为透明导电电极，以LiTaO₃、LiNbO₃、Ta₂O₅等无机薄膜作为固态电解质层，以NiO、IrO₂、LiCoO₂等作为离子存储层制备出的全固态电致变发射率器件的红外发射率调节幅度大于0.5，变色次数大于10⁴。如图6所示，美国Eclipse Energy Systems公司生产的Eclipse VEDTM是一个基于WO₃的全固态无机电致变色器件，具有优异的电致变发射率特性，其最大发射率变化量可达0.9，且具有能耗低、重量轻、稳定性好等特点，可以用于军用红外伪装系统中。
图5 两电极柔性电致变红外发射率器件结构示意图、实物图以及光谱发射率变化曲线 相变材料技术
相变材料是指以潜热形式储存和释放能量的材料，具有合适的相变温度和较大相变潜热，其在物相变化过程中能够吸收和释放大量的潜热而保持自身温度不变。因具有此特有的控温能力，可通过调控目标的温度来控制目标表面的热辐射强度。美国道达尔化学公司在目前已知的2万余种相变材料中筛选出来约200种具有实际应用前景的相变材料。根据相变形式，常见的相变过程有固-固、固-液、液-汽3种相变类型，最常用的是固-液相变材料。国内外基于相变材料的热红外伪装技术应用尚不成熟。但是随着高性能相变材料的不断出现，相变材料在伪装领域（如伪装纺织品、热红外假目标等）的研究和应用会日益增多。
图6 基于WO₃的全固态无机电致变色器件：（a）器件实物图和红外热图；（b）器件在高发射和低发射状态下的发射率曲线
目前国内外对红外相变伪装材料的研究主要集中在热红外伪装纺织品上，如伪装服和伪装网。李发学等人制备并优化了三羟基乙烷/新戊二醇体系，采用真空方法填充涤纶中空纤维，分析优化了填充条件，将填充后的纤维织成织物，引入探测概率对伪装效果进行评估，并利用红外热像仪拍下不同时刻目标的热图作为对比，织物对目标的伪装时间持续约100 min，伪装效果明显。
伪装的另外一种重要的手段是示假，利用热红外假目标欺骗和迷惑敌人。当前热红外示假主要是模拟目标热红外性能变化过程，相变材料能够很好地模拟这个变化过程，在热红外示假目标领域有较好的应用前景。石蜡相变微胶囊具有优良的耐热性、耐候性和热循环性能，具有较大的相变潜热。孙浩等人用石蜡和脲醛树脂制备出粒径为1~200um的微小胶囊，把40g的微胶囊均匀平铺于20 cm × 15 cm的木板上，在环境温度为32℃的条件下用红外热像仪观察微胶囊的热红外特征随时间的变化，军用充气坦克微胶囊温度从60℃下降到50℃所用时间为10min；从50℃下降至40℃所用时间为6min。从以上结果可以看出，要想取得好的热红外示假效果，必须对石蜡进行改性，提高石蜡的相变潜热、调控相变点。
经过人们大量的研究后发现，目前相变材料应用于热红外伪装还存在伪装持续时间不足、相变温度可选择范围小、与目标的结合较为困难、伪装效果的长期稳定性等不足。随着相变材料技术的成熟以及智能相变材料伪装技术研究的不断深入，以上问题最终会得到解决，相变材料也将在热红外伪装领域得到广泛应用。
二氧化钒（VO₂）是一种典型的热致变色材料，在临界温度（约68℃）时发生由低温单斜结构VO₂（M）向高温四方结构VO₂（R）的可逆转变，同时伴随着光、电、磁等物理性能的突变。如图7所示，VO₂在68℃时发生由低温绝缘态向高温金属态快速可逆的一级结构转变，当T＞T
时VO₂为四方结构，记为VO₂（R），空间群P42/mnm，晶胞参数aT= bT= 455 pm，cT= 286 pm；当T＜Tc时为单斜结构，记为VO₂（M），空间群P21/c，晶胞参数aM= 575 pm，bM= 452 pm，cM= 538 pm，β = 122.6°。正是由于这种结构上的改变，VO₂可以在高发射的绝缘态与低发射的金属态之间进行可逆转变，从而主动调控其红外发射率，实现自身红外发射的主动控制，能广泛应用于自适应红外伪装技术中。
本课题组刘东青等通过溶胶-凝胶法和热处理工艺先在石英基底上先后制备出了Mo掺杂的VO₂薄膜和W掺杂的VO₂薄膜，分别研究了Mo、W掺杂对VO₂薄膜结构的影响，掺杂量对VO₂薄膜电阻和红外发射率随温度变化规律的影响。结果表明Mo、W掺杂都能明显降低VO₂薄膜的相变温度：掺Mo量为5%时，相变温度可降至45℃左右；掺W量为4%时，军用充气坦克相变温度可降至30℃左右。并且拍摄了掺杂薄膜在7.5~14 um波段不同温度下的红外热像图，如图8所示。
图8 不同温度下掺Mo的VO₂薄膜红外热成像图：（a）33.00℃；（b）49.20℃；不同温度下掺W的VO₂薄膜红外热成像图：（c）33.46℃；（d）38.79℃
中国空间技术研究院Xiao等人用直流磁控溅射的方法在石墨烯/碳纳米管复合薄膜上镀VO₂薄膜，制备出了“三明治”结构的，具备快速响应、低能耗和长寿命的VO₂/Graphene/CNT（VGC）柔性复合膜，如图9所示。该复合薄膜可以以纺织品、塑料等作为基底，能够满足各种不同规则结构目标的伪装需求。
图9 基于二氧化钒与石墨烯/碳纳米管复合薄膜（VGC）的制备流程及其热变化规律图
目前，VO₂在热红外伪装领域的应用研究还处于初级阶段，要真正达到实用的目的，还有很多问题亟待解决：①寻找简单高效制备高纯单相VO₂（M）的方法一直是主要问题；②VO₂的颜色为蓝黑色，在伪装上很难做到与可见光兼容，因此如何改变VO₂材料颜色，实现与可见光兼容是其大规模应用的关键问题；③目前对VO₂的基础研究主要集中在可见光-近红外波段，在热红外波段，尤其是大气窗口波段的研究还很少，这也是制约其在热红外伪装应用的主要因素。
本文分析了热红外伪装的基本原理、传统的热红外涂料技术、热红外伪装网和遮帐技术以及新型的热红外伪装技术。在现代战争中，随着红外侦查探测、红外制导等技术的不断进步，“发现即摧毁”已成为不争的事实。这样对目标的红外伪装遇到了很大挑战，传统的热红外伪装技术已经越来越不适应现代战争的需求，对新型的热红外伪装技术的研发必定是一项重要课题。
