红外与雷达波兼容隐身复合涂层的机理研究

论文摘要

在现代战争中,控制武器装备的红外辐射特征,是决定武器装备战场生存能力的至关重要的技术之一。尽管目前国内外红外隐身技术在工程应用上已获得一定成果,但理论研究滞后于实践,已成为红外隐身技术继续发展的一大瓶颈。本文从红外辐射与颜料粒子的相互作用的微观物理机制和涂层中热辐射传输方程出发,对红外与雷达波兼容隐身的机理,进行了深入的研究。首先,为了选择低红外发射率材料,研究了金属、半导体和电介质的光学性质。金属材料具有很低的发射率,但金属的自由电子散射所引起的高反射使得金属连续薄膜不能与可见光和雷达波隐身兼容,然而当金属粒子作为颜料渗入树脂中构建红外涂层时却可以做到对雷达波隐身的兼容。掺杂半导体,可以通过改变掺杂浓度而调整其等离子频率,使得半导体薄膜可以实现可见光低反射、红外高反射,实现可见光与红外兼容隐身。极性材料的剩余射线区域可以用来构建低红外发射率薄膜,同时也可以实现与其它波段的兼容隐身。其次,讨论了颜料粒子的单散射性质,计算了球形均匀粒子、包覆球形粒子、旋转椭球粒子以及其它非球形粒子的散射和吸收性质。以球形均匀粒子为重点,计算了散射体的相函数、前向散射率和其它一些参数。在满足Hottel判据,即粒子之间的最短距离大于0.3个波长时,涂层中粒子的散射计算可以采用独立散射近似。第三,研究了红外涂层中的辐射传输。考虑到热辐射的近似半各向同性性质,可以采用标准应用条件下的Kubelka-Munk理论求解涂层中的热辐射传输。采用Maheu等提出的平均路径参数概念,给出了Kubelka-Munk理论中散射系数和吸收系数与粒子的散射性质关系。第四,将两种经典的有效媒质理论推广到大粒子情形,求解涂层的有效光学常数。采用牛顿迭代法,求解出了两种广义有效媒质理论的数值解。涂层的有效光学常数,可以用来确定涂层中的辐射传输方程的边界条件。最后,以球形铝粉为颜料粒子,在满足Hottel判据的稀粒子条件下,根据所建立的辐射传输方程,解出红外涂层的发射率对粒子半径和涂层厚度的依赖性。研究发现,（1）颜料粒子的半径有一个最佳范围,使用这个粒径范围内的铝粉粒子和丙烯酸树脂构成的涂层,即使涂层很薄,涂层的发射率也能从0.9降到0.5以下。对于3～5μm波段,最佳的粒子半径范围在0.3～0.8μm;而对于8～14μm波段,最佳的粒子半径范围在0.7～1.6μm。（2）红外涂层的厚度增加到一定程度,由最佳粒径范围内的铝粉粒子构成的涂层的发射率不再下降,此即涂层的饱和厚度。在3～5μm波段,饱和厚度约为100μm;在8～14μm波段,饱和厚度约为300μm。对于粒径大于最佳粒径的铝粉粒子,其构成的涂层在涂层厚度大于饱和厚度时发射率仍然下降。采用雷达波吸收涂层和低红外发射率涂层构成的双层复合结构,在红外涂层的厚度为饱和厚度的情况下,复合涂层的反射率在低频波段略微降低,而在高频部分略微升高,吸收峰向低频部分迁移。红外涂层对雷达波吸收涂层的性能影响很小,采用这种双层复合结构涂层可以实现红外与雷达波兼容隐身。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究的概况
• 1.3 存在的问题与建议
• 1.4 本文的主要研究内容及其意义
• 2 红外隐身材料的选择机制研究
• 2.1 引言
• 2.2 电介质的LORENTZ 谐振子模型
• 2.3 金属的自由电子DRUDE模型
• 2.4 半导体的自由电子带内跃迁引起的介电函数
• 2.5 极性材料晶格振动引起的介电函数
• 2.6 半导体介电函数的表达式
• 2.7 小结
• 3 红外与雷达复合涂层的兼容隐身理论模型
• 3.1 引言
• 3.2 红外涂层中的辐射传输方程
• 3.3 红外涂层中辐射传输方程的多流理论
• 3.4 红外涂层的边界条件
• 3.5 复合涂层的雷达波反射率
• 3.6 小结
• 4 涂层中颜料粒子光散射性质研究
• 4.1 引言
• 4.2 光学各向同性球形粒子
• 4.3 红外涂层中散射系数和吸收系数的计算
• 4.4 包覆球形粒子
• 4.5 旋转椭球形粒子
• 4.6 非球形粒子散射的其他计算方法
• 4.7 小结
• 5 红外涂层边界条件的求解
• 5.1 引言
• 5.2 有效媒质理论
• 5.3 两种有效媒质理论的自洽推导
• 5.4 两种有效媒质理论在大粒子情形下的推广
• 5.5 BOHREN 有效媒质理论
• 5.6 小结
• 6 复合涂层红外发射率与雷达反射率及其兼容性
• 6.1 引言
• 6.2 3～5 微米窗口内涂层红外发射率的数值研究
• 6.3 8～14 微米窗口内涂层红外发射率的数值研究
• 6.4 红外涂层中独立散射近似合法性的讨论
• 6.5 红外涂层中K-M 理论的应用条件的讨论
• 6.6 红外涂层与RAM 涂层的兼容性讨论
• 6.7 小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文目录