含平行排列片状金属粒子红外低发射率涂层发射率建模

摘要

随着现代红外探测器件性能的不断突破，武器作战平台尤其是飞行器的红外隐身面临越来越严峻的挑战。红外低发射率涂层是降低物体红外辐射特征的重要措施之一，具体对飞行器应用背景来说，要求涂层在3~5和8~14μm红外窗口的发射率尽可能地低。红外低发射率涂层通常是树脂粘结剂和金属颜料颗粒组成的复合涂层，实验上发现含平行排列片状金属粒子的涂层发射率相比含球形金属粒子涂层发射率更低，且涂层发射率受颗粒的固含量、尺寸、涂层厚度和树脂吸收特性的影响，但是如何从理论上来预测涂层的发射率并解释上述因素对发射率的影响，一直以来缺乏准确、实用的模型。建立准确有效的低红外发射率仿真模型对加快该类材料研发进程具有重要的工程意义。
　　本文的研究工作主要由以下两个部分构成：
　　（1）垂直入射时，单个片状金属颗粒的电磁散射性质研究。对处在“光学谐振区”片状金属颜料颗粒，将颗粒总的散射分解为前向衍射项、背向反射项和边缘效应项三部分，其核心是跟颗粒粒径相关的边缘效应的引入。针对反射项和边缘效应项的不同处理方式，建立了两个版本的拓展几何光学模型，其中衍射项都按 Fraunhofer圆孔衍射公式处理，不同之处在于第一个版本的拓展几何光学模型假设反射项和边缘效应项只对后向180°散射有贡献；而第二个版本的拓展几何光学模型则将反射项考虑为在后半球空间具有跟前半球衍射项相同的角度分布，而边缘项被考虑成前后半球散射能量相等且也与衍射具有相同的角度分布。
　　（2）建立了含平行排列片状金属粒子低发射率涂层发射率公式。应用完整辐射传输方程的两种简化形式—Kubelka-Munk理论（结合第一个版本拓展几何光学模型）和六能流理论（结合第二个版本拓展几何光学模型），分别建立了涂层的发射率公式并详细讨论了铝粉含量、尺寸、厚度、涂层厚度和树脂吸收特性等因素对发射率的影响规律。最后将仿真和实验发射率光谱结果进行对比，验证了模型的有效性。值得指出的是，利用六能流理论结合第二个版本的拓展几何光学理论第一次成功地解释了涂层发射率随铝粉尺寸增大而降低的规律。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1引言

1.2红外隐身基本原理

1.3国内外研究现状

1.4 低红外发射率材料发射率建模存在的问题

1.5 本论文的主要内容及结构安排

第二章 散射理论基础

2.1散射的物理机制

2.2光散射理论的主要分类

2.3散射相关的基本物理量

2.4电磁波的偏振特性

2.5 Mie散射理论

2.6 Rayleigh散射

2.7衍射散射

2.8本章小结

第三章 单个片状粒子散射性质研究

3.1引言

3.2计算不规则粒子散射性质的数值方法

3.3垂直入射时片状金属颗粒的电磁散射性质

3.4小结

第四章 含平行排列片状金属粒子涂层发射率理论建模

4.1计算红外辐射传播的辐射传输理论

4.2 Kubelka-Munk理论计算涂层发射率

4.3六能流理论计算涂层发射率

4.4小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果