材料微结构对红外发射率的影响

当材料的表面反射能力不能满足要求时 ,在不改变材料化学组成的条件下 ,可以通过改变材料的微结 构来提高材料的综合反射能力. 改变材料的微观结构 ,从而提高材料反射能力的可行性可以从自然现象得 到定性阐明. 冰和雪从材料角度看是同一种物质. 冰在可见光波段是低反射体 ,但同样分子结构的雪花却
收稿日期 : 2006201220 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (20374012 ;50525310 ;6140535) 作者简介 : 崔宝生 (1966 —) ,男 ,硕士 ,高级工程师 ;通讯联系人汪长春教授 ,博士生导师.
此前 ,低发射率红外伪装材料研究主要是设法直接提高材料的表面反射率 ,研究内容集中在对材料本 身的筛选和改性上 ,研究对象多为金属材料 、A TO 材料和光子晶体材料. 由于这些材料本身的结构和机械 物理性能限制 ,目前还不能找到一种满足伪装兼容性和工程实用性的理想材料. 目前红外伪装中使用的低 发射率材料主要是在涂料中掺杂金属粉末 ,通常为铝粉. 这种低发射率材料红外伪装性能不稳定 ,容易出 现表面泛白现象 ,而且隔热能力差 ,难以满足雷达波段的兼容性要求. 光子晶体材料和半导体材料则由于 技术上的问题 ,目前还处于探索阶段.
本文对微泡结构材料中入射光线的后向散射效应作深入的分析 ,从理论上阐明其内在规律 ,并定量分 析材料的物性参数和结构参数对材料表面等效发射率的影响.
1 微泡结构红外低发射率材料作用机理
利用后向散射效应研制低发射率红外伪装材料是一种全新的技术途径 ,目前还未见公开报道. 根据基 尔霍夫定律 ,材料的发射率等于材料的吸收率 ,因此 ,红外透明材料就是红外低发射率材料 ,而红外透明材 料制备和微球制备技术是比较成熟的[1～3 ] . 但是 ,由于不能阻断来自目标的红外辐射 ,所以红外透明材料 不能直接用于红外伪装. 在保持材料低吸收特性的基础上 ,要降低材料的红外透明性 ,阻断来自目标的红 外辐射 ,唯一的办法是提高材料的反射能力 ,把来自目标的红外辐射反射回去. 但通常红外透明材料的折 射系数并不大 ,一般在 1. 5 左右 ,相应的表面反射率约为 0. 04 ,不能有效阻断目标红外辐射[4 ] .
sin2θ1dθ1 .
(9)
2. 2 细粒子的散射和吸收截面
当微粒的粒径远小于可见光波长时 ,上述基于几何光学的理论显然不能成立 ,这时需要采用波动光学
理论. Emslie 和 Aronson 假设涂层内的微粒是有着不同退极化因子的小椭球[2 ] ,考虑微粒间的相干作用 ,
可以得到单个微粒的散射截面σs 和吸收截面σa 分别为
σs
=
256π5 r6 27λ—4
m2
-
1
2
Im ( In m 2)
+ Im[ In ( m ) / ( m 2 Im ( m 2)
-
1) ] ,
(10)
σa
=
16π2 r3 3λ— Im
- m 2ln m2 m2 - 1
,
(11)
其中 m 2 = ^n2/ m—2 ,λ— =λ/ Re ( m ) , Im 表示该项的虚部 ; Re 表示该项的实部. 式中的 r 为微粒的半径 ,
崔宝生1 ,汪长春2 ,贾永科1 ,胡建华2
(1. 无锡科研一所 ,江苏 无锡 214035 ; 2. 复旦大学 高分子科学系 ,教育部先进涂料工程研究中心 ,上海 200433)
摘 要 : 低发射率红外伪装材料主要采用金属材料 、A TO 材料和光子晶体材料 ,由于机械物理性能限制 ,难以满 足工程伪装多波段兼容性要求. 利用后向散射效应研制低发射率红外伪装材料是一种全新的技术途径 ,其主要 机理是通过对红外透明材料发泡 ,在材料内部形成微气室空腔 ,使入射光线在材料内部的传输过程中发生多次 反射 ,从而提高材料的综合反射效果. 对微泡结构材料内部的后向散射效应进行了深入研究 ,建立了非均匀涂层 光线传输模型 ,并定量分析了材料的物性参数和结构参数对材料表面等效发射率的影响. 关键词 : 红外伪装 ; 低发射率材料 ; 后向散射 中图分类号 : E 952. 2 文献标识码 : A
次折射.
除了反射和两次折射穿出球面外 ,入射光在球内还可能经过多重内反射后再出射 ,从而引起光能在前
进方向上的进一步衰减. 计算多重内反射引起的散射截面时 ,需要考虑无穷级数的求和 ,整理后可得 :
∫ σm , t
=
2πa2 3
π/ 2 0
RT 1-
2 0
T2
RT
si
n2θ1
dθ1
,
(7)
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互接触 ,会使散射能力下降. 当两个微粒之间的距离 g 小于波长的十分之一时 , 就发生了所谓的光学搭接
现象. 引入了接触因子 C ,对球状微粒有 :
C = exp ( - 6 fλT/ 20 r) ,
(17)
其中 f 为微粒的体积浓度 , r 为微粒半径. 考虑搭接效应后 ,涂层的散射系数 S 为 :
剂. 利用前面的公式 ,可以计算单个微粒的散射截面和吸收截面 ,在此基础上 ,就可以计算涂层的散射系数
和吸收系数 ,进而利用 Kubelka2Munk 理论计算涂层的反射率.
涂层散射系数通常可以认为是单个微粒的散射截面乘以单位体积内的微粒数 ,这就是所谓的单粒子
理论. 当微粒在粘接剂中的比例比较小时 ,这种考虑是正确的. 但是 ,如果微粒浓度比较大 ,由于微粒的相
热成像侦察系统主要通过测量目标和背景之间在红外波段的辐射强度差别来识别目标. 红外伪装的 目的就是通过改变目标的辐射强度 ,使目标和背景的红外辐射亮度在尽可能多的时间内和背景亮度变化 保持一致 ,使红外侦察系统难以从背景中区分出目标. 根据热辐射理论 ,目标的红外辐射强度取决于目标 的热力学温度和表面发射率两个因素. 因此 ,研制一种发射率低 、隔热性能好的材料对红外伪装具有重要 的意义.
第 3 期
崔宝生等 :材料微结构对红外发射率的影响
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∫ σm , b
=
1πa2 6
π/ 2 0
RT 1-
2 0
T2 RT
si
n2θ1
dθ1
,
(8)
其中下标 m 表示发生在微粒内部的多重反射.
由能量守恒定律 ,可得吸收截面为
∫π/ 2
σa = πa2 0
1-
T
2 0
T
R-
1 - RT
σ = 3 (σb + σt/ 2) ,
(1)
其中σb ,σt 分别为微粒的后向散射截面和横向散射截面. 设光线入射角为θ1 , 折射角为 θ2 , 则由反射引起 的偏离角有 :φ1 = 2θ1 . 而由两次折射穿过球面引起的偏离角 :φr = 2 (θ1 - θ2) .
为不失一般性 ,设微粒和包围微粒的粘结剂都为吸收介质 , 折射角θ2 服从复数的 Snell 定律. 透明介
粒子理论和细粒子理论计算结果之间 ,它们的关系由下式决定 :
1/ σ2br = 1/ σ2c + 1/ σ2f ,
(16)
式中的下标 br , c , f 分别代表桥理论 、用粗粒子理论计算和用细粒子理论计算的散射截面.
2. 4 搭接效应及非均匀介质的等效散射系数和吸收系数
对于涂层而言 ,微粒可以是不同折射率材料的微球 ,也可以是空气微泡. 传输介质的主要成份为粘接
质的虚部为 0 ,可看成其特例. 设微粒的表面透射率和体内透射率分别为 T0 , T ,则有 : T0 = 1 - R .
其中 R 为微粒表面反射率 ,可由 Fresnel 公式得到 ,而透射率 T 为 :
T = exp ( - 8 k2cosθ2/ λ) ,
(2)
这里 λ为入射光的光波长. 因反射引起的散射截面 :
λ为入射光的波长 , ^n为介质的复折射率 , m—为介质的 Lorentz2Lorenz 折射率 ,它与微粒 、粘结剂的复光学
常数的关系为 :
m—2
=
1
2 f [ (1 +
+ 1/
( ^n22
-
1) ln ( ^n22)
-
1] + (1 -
f ) ( ^n21 - 1)
,
(12)
1 - f + 2 f { [ 1 + 1/ ( ^n22 - 1) ]ln ( ^n22) - 1} / ( ^n22 - 1)
由于微泡的形状接近于球状 ,为不失一般性 ,把气泡微粒简化为球形. 由于光在微粒界面的反射和折 射 ,光就偏离入射方向发生了散射. 在下面的讨论中 ,用下标 l 和 r 分别表示由反射和折射引起的偏离.
设散射光线和入射光线的夹角为 φ,由于前向散射对光线的偏离无贡献 ,故不予考虑. 因此 ,一个微粒 的总散射截面 σ就为
T
2 0
T sin2θsin2φ1dθ1
,
(5)
0
∫π/ 2
σr , b = πa2
p
T
2 0
T sin2θscos2φηdθ1
,
(6)
0
这里 σl , t表示因反射引起的横向散射截面 ,σl , b表示因反射引起的后向散射截面 ,σr , t表示因折射引起 的横向散射截面 ,σr , r表示因折射引起的后向散射截面. 公式中 T0 的二次方表示光线穿过微粒时经过两
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复 旦 学 报 (自然科学版)
第 45 卷