红外和激光兼容隐身的聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层的制备及性能控制

论文信息：

Weigang Zhang,Peng Wang,Dandan Lv and Du Peihua,Construction and performance control of polyurethane/Cu-graphene composite coatings with infrared and laser compatible stealth properties, Infrared Physics & Technology, 105998 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.infrared.2025.105998

研究背景

随着现代探测技术的发展，红外和激光探测已成为军事侦察的重要手段，亟需开发能同时降低红外辐射和1.06 μm激光反射率的兼容隐身材料。传统单波段隐身材料难以满足需求，现有研究在发射率（普遍>0.68）和工程性能方面仍有不足。本研究采用片状铜粉（低红外发射率）和石墨烯（宽波长吸收）作为功能填料，铜粉具有良好的导电性和遮盖力，石墨烯的六方层状结构赋予其耐腐蚀性和光谱吸收特性，二者的协同作用可显著提升涂层的综合性能。

研究内容

本文研究采用玻璃棒刮涂法制备聚氨酯 / 铜 - 石墨烯复合涂层，其具体制备过程如图 1 所示。制备过程包括以下步骤，首先用砂纸打磨镀锡钢板的一面直至出现粗糙痕迹，并用蘸有酒精的抹布擦拭干净；其次按片状铜粉与石墨烯的质量比 7:3 、 6:4 、 5:5 、 4:6 和 3:7 在油漆分散器中加入一定量的片状铜粉和石墨烯；然后根据总填料 ( 片状铜粉 + 石墨烯 ) 与聚氨酯树脂的质量比 4:6 加入相应量的树脂基体；然后加入适量聚氨酯稀释剂并快速搅拌 30 分钟；最后按树脂与固化剂质量比 4:1 加入固化剂，并用稀释剂调节涂层粘度；然后将涂料均匀涂覆在镀锡钢板基材上，室温放置 5 小时后在 80 ℃ 烘箱中固化 3 小时。

图1.涂层制备过程示意图

研究团队还使用扫描电子显微镜（SEM）、红外发射率测试仪（IR-2）、紫外-可见-近红外分光光度计（UV3600）、光泽度测试仪（JKGZ-60）和原子力显微镜（AFM）对涂层的形貌、发射率（8-14μm）、近红外反射光谱（800-1200nm）、光泽度和粗糙度进行了表征。同时，根据中国国家标准GB 1720-79(89)、GB 1731-93和GB 1732-93分别对涂层的附着力、柔韧性和抗冲击强度进行了测试。

本文首先探究了不同片状铜粉与石墨烯质量比对涂层形貌和性能的影响。图2所示为不同质量比下涂层的SEM照片。当聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层中片状铜粉与石墨烯的质量比为7:3时，涂层中密度较高的片状铜粉含量较高，使得填料主要沉积在涂层内部，涂层表面相对光滑。随着涂层中片状铜粉与石墨烯质量比的降低，密度较低的石墨烯含量增加，更多填料颗粒漂浮到涂层表面，填料颗粒在涂层表面的分散密度显著增加，粗糙度也明显增大。涂层的平均表面粗糙度从铜粉与石墨烯比例为7:3时的12 nm增加到3:7时的56 nm。

图2. 不同铜粉与石墨烯质量比涂层的扫描电镜（SEM）照片，(a) (e)10:0；(b) (f)7:3；(c) (g) 5:5；(d) (h) 3:7

其次为不同质量比下涂层的近红外反射光谱、红外发射率和1.06μm近红外反射率，如图3所示，随着聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层中片状铜粉与石墨烯质量比的降低，涂层在近红外波段(800~1200 nm)的反射光谱强度逐渐降低。涂层在1.06 μm处的近红外反射率从35.4%显著降低至21.8%，降低了38.4%，而涂层的红外发射率则从0.522显著增加至0.643，增加了23.2%。这种变化的主要原因是石墨烯微观结构中大量苯环构成的超长共轭体系可以强烈吸收近红外光，从而显著降低涂层对1.06 μm近红外光的反射率。当片状铜粉与石墨烯的质量比为5:5时，聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层具有较低的红外发射率(0.543)和1.06 μm近红外反射率(28.1%)。

图3.(a) 不同片状铜粉与石墨烯质量比涂层的近红外反射光谱；(b)不同片状铜粉与石墨烯质量比涂层的红外发射率及1.06 μm处近红外反射率；(c) 不同铜粉与石墨烯质量比对涂层性能影响的机理示意图

在确定片状铜粉与石墨烯最佳质量比(5:5)后，本文还探究了了不同总填料用量(片状铜粉和石墨烯)对涂层性能的影响。图4所示为不同总填料用量下涂层的SEM照片，随着聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层中片状铜粉和石墨烯总用量的增加，涂层中片状铜粉和石墨烯颗粒的分布密度明显增强。当涂层中片状铜粉和石墨烯的总量仅为30wt%时，填料颗粒主要分布在涂层内部，涂层表面只能看到少量片状铜粉和石墨烯颗粒，聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层的特性主要与聚氨酯树脂基体的性质相关。当总量增加到50wt%时，涂层表面可以看到大量片状铜粉和石墨烯，但聚氨酯树脂基体的特性明显减弱。

图4. 不同总填料添加量涂层的扫描电镜（SEM）照片；(a) (d) 30 wt%；(b) (e) 40 wt%；(c) (f) 50 wt%

然后为不同总填料用量下涂层的近红外反射光谱、红外发射率和1.06 μm近红外反射率，随着聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层中片状铜粉和石墨烯总质量的增加，涂层在800~1200 nm波段的反射光谱强度明显增强，涂层对1.06 μm近红外光的反射率显著增加，从总填料用量为30wt%时的20.3%增加到50wt%时的29.9%。此外，涂层的红外发射率随着总填料用量的增加先显著降低后缓慢升高。当涂层中片状铜粉和石墨烯的总量为40wt%时，涂层具有较低的红外发射率(0.543)和1.06 μm近红外反射率(28.1%)。

图5. (a)不同总填料添加量涂层的近红外反射光谱；(b) 不同总填料添加量涂层的红外发射率及1.06 μm处近红外反射率

在确定最佳填料用量(40wt%)后，本文又探究了不同DOP添加量对涂层性能的影响。图6所示为不同DOP添加量下涂层的SEM照片，当聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层中不添加DOP时，涂层表面可以看到较多孔隙，涂层表面粗糙度(42 nm)较高。随着DOP含量增加到5wt%，涂层表面的孔隙明显减少，树脂基体对各种填料的包覆性改善，涂层表面光滑度(32 nm)明显提高。当DOP含量增加到10wt%时，聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层的表面粗糙度(85 nm)明显增加，部分片状铜粉的取向明显倾斜于涂层表面。

图6. 不同邻苯二甲酸二辛酯（DOP）添加量涂层的扫描电镜（SEM）照片，(a) (d) 0 wt%；(b) (e) 5 wt%；(c) (f) 10 wt%

最后展示了不同DOP添加量下涂层的近红外反射光谱、红外发射率和1.06 μm近红外反射率，如图7所示，不同DOP添加量条件下，涂层的近红外反射强度没有明显规律性，仅在较小范围内波动。涂层对1.06 μm近红外光的反射率在27.1%~28.3%范围内波动。此外，随着聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层中DOP含量的增加，涂层的发射率先缓慢降低后显著升高。综合考虑涂层的各项性能指标(低发射率、1.06 μm近红外低反射率、低光泽度和优异的机械性能)，确定最佳DOP添加量为5wt%。

图7.(a) 不同邻苯二甲酸二辛酯（DOP）添加量涂层的近红外反射光谱；(b) 不同邻苯二甲酸二辛酯（DOP）添加量涂层的红外发射率及1.06 μm处近红外反射率

结论与展望

本研究通过调控组成与微观结构，制备出高性能聚氨酯/铜-石墨烯复合涂层，主要结论如下：片状铜粉与石墨烯质量比降低会使涂层红外发射率升高、1.06 μm近红外反射率降低，这源于石墨烯共轭体系对近红外光的强吸收；总填料用量增加时，涂层红外发射率先降后升，1.06 μm近红外反射率显著增加，因高含量下水平排列的片状铜粉可强反射红外光；DOP含量增加使涂层红外发射率先降后升，1.06μm近红外反射率变化小，DOP能增强聚氨酯分子链移动性以提高涂层韧性；当三者比例为铜粉:石墨烯为5:5、总填料40wt%、DOP 5wt%时，涂层性能最优，红外发射率0.537、1.06 μm近红外反射率28.3%、光泽度5.1，且机械性能优异。未来可从多方面深入探索：扩展至可见光、毫米波等多光谱兼容隐身；开发具环境响应特性的智能涂层；优化石墨烯改性与分散性以提升环境耐久性；探索更适合工业化的制备工艺；集成自清洁、自修复等多功能；构建精确理论模型指导设计；探索低成本材料或优化比例以降低成本。本研究为相关涂层开发提供了新思路，未来可在上述方向深化研究。