摘要
近年来，随着高分辨和高灵敏红外探测技术在军事领域的大规模应用，军事目标的战场生存能力面临极大挑战。在这种背景下，具有红外辐射屏蔽能力的低红外发射率材料受到国内外广泛关注。其中，颗粒掺杂型的红外隐身涂层在低红外发射率性能、经济性能、机械性能、抗老化性能和大型装备表面应用性能等方面具有明显优势。在传统的涂层辐射特性预测方法中，填料颗粒被视为在涂层中随机均匀分布，表观发射率的计算依赖于颗粒在无限大背景介质中的辐射特性和辐射传递方程的求解。然而，在涂层的制备过程中，涂层内的颗粒在表面张力、浮力及重力的不同平衡作用下可能会漂浮到涂层表面附近或沉降到基底附近，形成颗粒在涂层内的非均匀分布。这种非均匀分布会导致使用传统方法预测涂层发射率时产生偏差。基于上述问题，本文首先研究了颗粒近基底或近表层分布情形下，界面对颗粒辐射特性的影响;然后在考虑界面效应的情况下，建立合适的模型对比分析了颗粒均匀分布和非均匀分布对涂层辐射特性的影响。 首先，利用时域有限差分(FDTD)方法研究了具有界面效应的片状Al颗粒的辐射特性。在颗粒近基底和近表层两种情况下，分别研究了颗粒-界面距离、颗粒尺寸和电介质折射率对辐射特性的影响。研究发现:电介质基底对颗粒辐射特性的影响较小。颗粒靠近金属基底时，颗粒的吸收因子、衰减因子和后向散射占比显著增大;颗粒靠近表层界面时，颗粒的衰减因子和后向散射占比减小。随着颗粒到界面距离的增大，界面效应的影响逐渐减小。 其次，在考虑颗粒界面效应的情况下，基于Kubelka-Munk理论(K-M理论)提出了颗粒均匀分布涂层的三层模型。计算并讨论了涂层各参数(包括:颗粒尺寸、掺杂体积分数和涂层厚度)对均匀分布涂层发射率的影响。结果表明:颗粒尺寸的减小和掺杂体积分数的增大可以有效降低发射率;涂层的平均发射率随着涂层厚度的增大而增大并逐渐收敛于一个定值。 最后，在考虑颗粒界面效应的情况下，提出了颗粒非均匀分布涂层的双层模型。研究了涂层各参数以及颗粒的非均匀分布程度对非均匀分布涂层发射率的影响，并对比分析了颗粒均匀分布和非均匀分布时涂层辐射特性的差异。结果表明:颗粒厚度的减小和掺杂体积分数的增大可以有效降低发射率;相对于颗粒均匀分布的涂层，颗粒近表层分布能够显著降低涂层的发射率，而颗粒近基底分布则会导致涂层发射率增大。随着颗粒非均匀分布程度的增大，三种类型涂层的平均发射率差距越来越大。
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