不同形貌氧化锌粒子的制备与红外发射率研究

论文总字数：14879字

目 录

摘要………………………………………………………………………1

Abstract…………………………………………………………………2

1.引言………………………………………………………………3

1.1隐身技术的发展…………………………………………………………………3

1.2 红外隐身材料……………………………………………………………………4

1.2.1红外隐身原理……………………………………………………………4

1.2.2 低发射率红外隐身涂料性能的影响因素………………………………6

1.2.3 红外隐身材料的发展……………………………………………………6

2. 关于氧化锌………………………………………………………7

2.1 氧化锌的研究现状及红外辐射机理……………………………………………7

2.2 制备氧化锌的研究现状…………………………………………………………7

3. 实验过程…………………………………………………………8

3.1 制备原料…………………………………………………………………………8

3.2 制备过程…………………………………………………………………………8

3.3 表征及测量方法…………………………………………………………………9

4. 结论与讨论………………………………………………………9

4.1 XRD测试……………………………………………………………………………9

4.2 形貌观测…………………………………………………………………………11

4.3 红外发射率测试…………………………………………………………………11

5. 小结………………………………………………………………12

参考文献………………………………………………………………12

致谢……………………………………………………………………14

不同形貌氧化锌粒子的制备与红外发射率研究

李帅

, China

Abstract：The paper briefly introduces the research status of infrared stealth technology at China and abroad. Infrared stealth principle shows that the high performance infrared stealth materials require low infrared emissivity of material. Zinc oxide as infrared stealth materials is reviewed and discussed. In the course of the experiment, different morphologies ZnO particles were prepared in solution by controlling the amount of raw material and adding order. Then the prepared materials were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). The infrared emissivity in 3-5μm and 8-14μm was tested by IR-2 emissivity tester. The result showed that spherical and rod-like ZnO particles illustrated low infrared emissivity.

Key words：Stealth principle; Infrared emissivity ; Morphology: ZnO;

1.引言

1.1隐身技术的发展

隐身技术作为一种可以有效提高作战效果的手段，被称为当今与巡航导弹、激光并列的三大军事技术革命，从而受到世界各国的重视。隐身技术是指对某一环境内检测、控制和减少各种武器的特征信号，其目标是减少被敌方各种检测设备发现的概率，从而使在一定范围内难以被找到、识别和攻击的技术[1]。 

根据数据表明,在战斗中有80%的战斗机是在红外制导导弹所击落的[2],所以说,一架战斗机能否具有对抗红外探测的能力,是其能够生存与否的关键。而在现代战争中,对抗红外探测也成为了人们最为关注的话题,如果没有红外隐身技术,将成为极大的劣势。所以说研究红外隐身技术中的隐身材料[3],如今已是各国科学家研究的重点。在军事目标表面涂上一层红外隐身材料,改变物体的红外辐射性征,就可以实现红外隐身。

为了实现微波、红外隐身一体化，需要微波吸收材料表面涂上一层红外隐身涂层以减少军用飞机的红外辐射，与微波隐身兼容。美国的红外、微波一体兼容隐身材料，在世界上处于领先地位，如F-117、F-22战斗机[4]，这些飞行器都可以在很宽的波段内实现红外隐身，目前，国内的红外隐身材料发展也逐渐升温。隐身涂层作为一种方便、经济、适应性强的隐身技术，如今已广泛应用于航空航天、军事装备等领域。隐身涂层应用于军事目标的外表面，根据其功能分为可见光隐身涂层、激光隐身涂层、吸波涂层、红外隐身涂层。

使红外武器系统实现信号衰减所需的具有隐身技术特点的红外隐身材料，也被称为热红外隐身材料和热隐身材料。近几年，红外隐身材料的研究与发展，特别是纳米结构材料的出现，极大地促进了红外隐身技术的发展。许多研究表明红外隐身技术中的红外吸收材料具有广阔的应用前景。影响热红外隐身涂层性能的因素很多，如油漆、胶粘剂和涂层工艺[5]。其中颜料是影响隐身涂层性能的重要因素。低红外发射率涂层是在物体的外表面上应用的，它可以显著降低被红外探测器检测到的的概率。红外隐身涂层制作方便，可操作性强，成本低，不限制物体的几何结构和其它特点，已被广泛应用于国防、科技等领域（如车辆、舰船、飞机和某些战术导弹等）。 

其实，制备低发射率热红外隐身涂料主要由颜料来调节的。氧化锌作为一种重要的无机金属氧化物颜料，不仅具有光学和电学性质类似于氧化锡铟（ITO）的优点，其也具备充足的原材料、廉价、无毒、化学性能稳定的优点[6]，通过掺杂半导体，目前复合ZnO薄膜被广泛应用于红外隐身涂料。在研究筛选颜料过程中，大多数研究者的重点往往是研究材料的种类和粒子大小，但是关于对材料粒子的形貌以及形貌对发射率的调节作用的研究报道还很少。利用先进的技术，有许多种制备不同形貌ZnO低维材料的方法，制备出的形貌有纳米带，纳米棒和花团状等等，这使得ZnO低维材料在光、电和其它方面被广泛使用，对于低维ZnO更常用的的制备方法有直接沉淀法、液相法，超声化学法。由于液相法具有低反应温度、高活性、合成晶体材料纯度高的优点，近年来被广泛应用于纳米材料的制备。制备之后研究ZnO纳米材料的形貌对其红外发射率性能的影响，则可在ZnO纳米材料在红外隐身应用方面作一些基础性的研究[7]。

1.2红外隐身材料

1.2.1 红外隐身原理

为了提高战斗机的生存能力，而怎样成功的避免战斗机被红外侦察设备发现，成为了红外隐身技术重要研究方向，现代化的战斗机的特点之一，就是可以实现红外隐身。在飞机的飞行过程中，发动机的温度是很高的，除了发动机，飞机的表皮、尾喷管会因为气动的原因而被加热，这些部位也会具备很高的温度，从而这些部位也会有很明显的红外特征，因此也很容易被红外侦察设备发现。

使用红外隐身技术可以有效减小军事目标的红外特征，减小军事目标被红外侦察设备探测到的距离，从而减小被敌方红外制导导弹击中的概率。而热红外隐身材料就是可以减弱军事目标的红外特征，从而使武器实现隐身。红外隐身材料主要应用于对抗红外热像仪的探测，主要目的即减小军事目标（例如飞机，船舰等等）在热像图中的亮度，使我方武器在红外热像仪中的样貌发生改变或者得到掩饰，从而可以降低我方武器被发现的概率[1].

一般的武器表面温度都会比背景要高，就会成为红外源。飞机的表面温度一般在250至320K之间,由维恩定律可得,这架飞机的红外辐射的集中区域是8-14μm的大气窗口,因此,要想有效减小红外辐射的特征值,达到红外“隐身”的效果,可以在飞行器温度过高的地方的表面涂覆低红外发射率隐身涂层。这也是现阶段实现飞行器红外隐身效果最简单、最直接、最不影响飞机气动性能的方法[2]。红外探测器一般将近红外（1.5-2.4μm）、中红外(3-5μm)、远红外(8-14μm)还有超远红外(50-1000μm)四个波段作为工作范围。所以红外隐身措施针是对这四个窗口进行的。其中中红外和远红外两个波段的辐射被称为热红外线辐射。在中红外、远红外两个波段实现隐身技术的原理就是使工作在3-5μm和8-14μm两个工作波段的红外探测仪难以正常有效地工作。

当两个物体温度相同时，它们的红外发射率就会不同，当这两个物体被红外探测器探测到时,在红外热像仪上就会显示出不同的图像，由于军事目标的温度都比背景高，其产生的辐射也都会强于背景，如果想要降低军事目标的红外辐射，就需要采用低发射率的材料作为涂层的主要成分，从另一方面来说，降低军事目标的温度也有利于实验红外隐身，而红外隐身材料在可见光以及近红外的条件下有很低的太阳能吸收率，并且具备隔热能力，从而使背景的温度与军事目标的温度相接近，这样就可以减小在太阳光背景下军事目标与背景的对比度，从而实现红外隐身[8]。

实现红外隐身就是为了减小被红外探测器探测到的距离。一般来说，实现军事目标的红外隐身要从三个方面入手:首先是降低军事目标的红外辐射强度，然后是改变军事目标的红外辐射特性，然后是改变目标发射红外辐射的途径。

大气层向外红外辐射的强度，一般与波长还有方向的变化有关系，而主要是空气中的水蒸气和二氧化碳去吸收大气层的红外辐射，另外一些，还有臭氧以及悬浮的微粒[9]。由于水蒸气和二氧化碳在8-14μm的区域内吸收红外辐射的能力很弱，所以大气层在8-14μm的区域内红外辐射很少被吸收，具备很强的穿过能力。在红外隐身技术层面上，这个波段叫做红外窗口。正是由于红外窗口的存在，低层的辐射目标可以向外辐射出去，因此，红外热像仪就可以根据目标的辐射进行工作。目标与周围背景的红外辐射就会通过红外窗口被红外辐射仪侦察到。根据目标与周围背景的温度以及发射率的不同就会造成热对比度的不同，而红外热像仪就会把这些对比度在能量分布图上显示出来，这样就可以侦查到军事目标。其理论原理是根据斯蒂芬玻尔兹曼定律，设军事目标的温度为T，单位面积的红外发射率为W，则可表示为：

（1）

公式中，W为物体的红外发射能量，ε为物体的红外发射率，T为物体表面的绝对温度，

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