无力YY，一心科普，舰船特种涂料国内外现状及发展趋势[图]

摘要： 本文从耐温、 防热、 舰船隐身伪装（包括 吸声阻尼、吸波、红外隐身）、防滑甲板涂料及纳米级细粉在舰船涂料上的应用， 阐述了国内外舰船特种涂料现状及发展趋势。 关键词： 舰船 特种涂料 隐身伪装 纳米级细粉 ? 前言 舰船特种涂层材料是舰船装备不可缺少的组成部分。它涉及的领域包括：耐温、防热、防火、吸声阻尼、吸波、光学伪装等，尽管用量不大，但是舰船不可缺少和替代的配套材料， 它的功能性主要是针对国防军工等高新技术产业的需求而发展起来的。 而且随着武备现代化进程加快，特种涂层材料在舰船的各部位所起的作用越来越大。 随着海湾战争的爆发及美英等国对伊战争的进行，各工业发达国家，尤其以美、英、日、西欧为主的海军装备迅速发展，促使这些国家舰船工业不断发展，舰船涂料近年来发展迅速、变化多端。各国的航母、大型水面舰艇、核潜艇等对舰船涂料的要求向高性能、重防腐、多功能、隐身化、无公害、长寿命等发展。本文根据国防军工的需求，结合我国技术现状和基础，阐述了国内外舰船特种涂料现状及发展趋势。 2 舰用雷达吸波 隐身 涂料 海军装备对雷达、红外、激光、声、磁等各种探测信号的隐蔽性差异，将在很大程度上决定海军在所处战场环境中作战能力的优劣，因此海军舰艇的隐身已越来越受到世界各国的关注。其中由于雷达探测距离远，受气候影响小而成为远程探测和制导反舰武器最常用的手段，对舰艇的威胁也最大，因此雷达波隐身技术已成为水面舰艇隐身技术的重点与标志。 ⑴国外情况 水面舰艇雷达波隐身的环境因素，使其达到减小探测距离的隐身要求更易实现，且采用隐身技术对提高舰艇的生存能力远比通过改进舰艇硬杀伤防护和电子对抗措施达到同样的水平所花的研制费用低得多等原因，使财力并不十分雄厚的法国、瑞典等中小国家在海军舰艇的隐身技术走在世界前列。法国 1996 年前后建造的 3600 吨护卫舰“拉菲特”，通过船体及上层结构呈平滑设计，所有暴露部位都采用吸波材料处理等措施，其雷达散射截面低于 1000m 2 ，与 500 吨级的沿海巡逻艇相当。瑞典于 2000 年建造的 YS-2000 系列隐身护卫艇，除采用隐身外形设计外，舰体采用吸波结构材料和涂覆吸波材料，其 RCS 为几十平方米以下，达到全隐身的目标。西方国家已将隐身技术看作是增强舰艇战斗力的新的突破点，从发达国家海军的新研、新建计划看，几乎所有下一代的主战舰艇都采用雷达隐身技术，且隐身水平普遍得到了提高，达到了中级（ 7 － 15dB ）和高级（ 20 － 40dB ）水平。 我国周边国家和地区，如印度、新加坡、马来西亚和台湾也在积极开展舰艇雷达隐身方面的工作，且发展迅速，如台湾基本完成设计的光华 6 型导弹艇的隐身水平比 YS － 2000 更高一些。在吸波涂层方面，芬兰研制的 HPA － 1 吸波涂料，据报道在 5 － 18GHz 内，有 15 － 25dB 的吸收效果，面密度为 6kg/m 2 ，已用于丹麦海军。 据有关专家介绍，俄罗斯舰船多功能隐身材料包括了可见光迷彩、红外、雷达（ 0.8~20GHz ）等隐身技术，厚度为 6mm ，面密度达 10 ～ 12kg/m 2 。 美国在研 DD21 驱逐舰的 RCS 达到几十平方米乃至几平方米以下，如此小的 RCS 在海杂波的掩护下，要想发现和攻击是困难的。美国提出 2005 年研制出可单独控制的辐射率 / 发射率涂层， 2010 年研制出能自动对背景和威胁作出反应的自适应涂层体系，其他军事强国也在积极运作中。 ⑵我国舰用吸波涂料的研究现状和应用水平 1985 年国防科工委将隐身技术列入“七五”计划，从此揭开了我国开展隐身技术研究的序幕。通过“七五”到“九五”的合力攻关，吸收雷达波材料取得了较大的进展。国内主要研究单位有船舶七二五所、青岛海洋化工研究院、航空 621 所、航天 703 所等。在舰船的应用上，航空 621 所研制的 XFT-2 吸波涂层，厚度 2mm ，对 3cm 波段（ 8-12GHz ）的衰减达 -20dB ，实艇测试可缩短雷达作用距离 40 ％，已在 039 潜艇的通气浮筏及指挥台围壳上推广应用，但施工工艺复杂。其他吸波涂层的应用除存在施工工艺复杂等问题外，还存在流挂、龟裂、脱落、效果欠佳等现象。 “九五”、“十五”期间，国内舰船吸波涂料的研究已转入型号应用阶段，到十五结束时，可满足大中型主战水面舰艇的总体隐身要求，通过宽频带（ 2-18GHz ）舰用雷达吸波涂料体系的研制及应用研究，配合外形设计等技术措施，使我国舰艇的隐身技术有一个较大的飞跃，达到欧美等国现役（或在研）的中级（ 7-15dB ）隐身技术水平。 3 吸收声纳波涂层 ⑴国外情况 前苏联从 1958 年开始在 G 级 SSN 型潜艇上敷设消声瓦，该消声瓦是由低频吸收层、高频吸收层和防污层组成的多层结构。 1967 年起，前苏联除在 SSG 、 SSB 、 SS 、 SSBN 型潜艇上使用 50 ～ 100mm 厚的橡胶型消声瓦外，还在艇的艏部和声纳区采用了粗糙的、具有某种结构的固体涂料。据资料报道，前苏联在“台风级”、 M 级、“奥斯卡”等潜艇上安装了由橡胶型消声瓦和固体涂料组成的组合防护层后，使北约国家的潜艇声纳探测距离缩短 75 ％、美国 MK46 鱼雷主动声纳的探测距离缩短 50 ％。我国从前苏联引进的 636 、 K877 艇用橡胶型消声瓦材质分析，为阻尼性能很低的丁苯橡胶，外形尺寸为 1000 ′ 500mm ，厚度 50mm 。预计到 20 世纪末，俄罗斯消声瓦的频率将扩宽到 100KHz ，发射声的衰减达 15 ～ 20dB 。 除前苏联外，美、英、法、日等国在潜艇消声瓦技术上亦走在世界前列。美国在新建的“洛杉矶”级攻击型核潜艇、 SSN-21 海浪级攻击型核潜艇以及俄亥俄级弹道导弹核潜艇上全部安装了消声瓦，所用材料为丁基橡胶类、英国的“敏捷”级核潜艇、“阿拉法特”级核潜艇、“北极星”核潜艇也包覆了消声瓦，所用材料为聚氨酯橡胶。据资料报道，英国“阿拉法特”级核潜艇上采用的是缠绕的消声涂料；而 90 年代英、法等西欧国家研制了复合型多功能消声瓦及聚氨酯喷涂技术，由于技术先进，喷涂的消声瓦不易脱落、厚度任意控制，并具有良好的牺牲、抑振和隔声作用，以喷涂施工形式替代了原先需要在工厂硫化成型，然后用粘贴法施工的橡胶型消声瓦。日本亦加紧了消声瓦的研究，据资料报道已研制出 A 、 B 、 N 、 P 四种类型的消声瓦，并做了缩比模型试验，所用材料为氯丁橡胶。同样，德国亦是最早研制消声瓦和吸声材料的国家，二次大战期间，德国海军工程师就试验了 4mm 后的橡胶涂料，且在 1954 年前苏联从德国获取了 Alberich 吸收声纳波涂料样品。法国早期所研消声瓦的材料为聚硫橡胶， 90 年代还开展了聚氨酯涂料型具有复合功能的消声瓦研制。 由于消声瓦（橡胶型或涂料型）应用背景的特殊性，国外除材料应用情况有些报道外，详细地材料研制、声学性能、力度性能、耐海洋环境性能以及材料的工艺性能尤其是施工工艺性能报道的很少。 ⑵ 国内研究情况 我国消声瓦的研究起步较晚，从“八五”期间开始橡胶型和浇铸型消声瓦的研究。橡胶型消声瓦的材料为丁苯橡胶，常压下， 70mm 厚的消声瓦平均吸声系数大于 09,50mm 厚的消声瓦平均吸声系数为 0.85-0.9 ；压力 2.0-3.0MPa 下， 70mm 厚的消声瓦平均吸声系数大于 0.8 ， 50mm 厚的消声瓦平均吸声系数大于 0.75 。实艇所用橡胶型消声瓦的外形尺寸为 800 ′ 600mm ，厚度为 50mm ，在工厂硫化成型后，用胶粘剂粘贴在潜艇表面并在四角用金属螺母固定。所研的浇铸型消声瓦材料为聚氨酯，吸声性能略优于橡胶型。施工难度较大，需用模具现场成型。阻尼吸声涂层的研究国内仅仅进行了试验室的初步探索。 4 红外隐身涂层 舰船的水面部位暴露在红外侦察和红外制导导弹的攻击危险中，因此，各国针对舰船柴油机的红外目标抑制要求，开展相应的红外抑制技术研究，包括材料、应用工艺和方法研究，降低柴油机自身的红外特征信号，提高舰船的红外隐身水平，有效地防御敌方攻击，降低红外探测器发现目标的概率。 ⑴国外情况 为达到红外隐身目的，首先要对舰船动力装置（如舰船柴油机）采取重点的红外抑制措施，消除高强度的红外辐射源，使其成为分布式、低辐射和低对比度的目标。如果无法消除，其辐 射强度也应低于红外诱饵的辐射强度。因此，世界各军事大国都非常重视减少舰船目标的红外特征信号。 红外目标特征的主要来源之一是推进动力装置及电站动力（柴油机）。美国海军从 1970 年开始就设立专门机构，从事舰船柴油机红外抑制技术的研究工作。 1972 年开始先后在的 DD963 驱逐舰、 FFG7 护卫舰、 CG47 巡洋舰、 DDG51 驱逐舰、 DDG51-2A 驱逐舰上都加装了红外抑制装置。加拿大国防部和 DAVIS 工程有限公司已为加拿大海军装有 LM2500 燃气轮机的 HALIFAX 型护卫舰和装有 FT4 燃气轮机的 DDH280 改进型驱逐舰上加装了排气红外抑制装置。在马岛战争中，英国皇家海军在所有 SPEY 燃气轮机的驱逐舰上也使用了从美国引进的第二大技术的 MK － 2 型排气红外抑制装置，并在此后将其部分技术转让给日本防卫厅和荷兰皇家海军。世界各军事大国的动力装置红外抑制技术，至今关键技术仍十分保密。但有一点是很明显的，就是使用了隔热涂层和低反射率涂料。 80 年代以来，国外（美国、俄罗斯、意大利、法国、瑞典等国海军）舰船红外隐身技术的发展主要是新材料、新技术的应用，特别是采用热辐射低发射率涂料，在动力舱、烟囱等强热辐射结构表面喷涂热辐射低反射率涂料，以改变辐射特性，收到良好的红外隐身效果。 ⑵ 国内研究 状况 从 80 年代末开始，我国开展了针对 3 － 5um 波段，以抑制发动机高温热部件和尾焰红外辐射为目标的红外抑制跟踪技术研究，但还存在较大的差距。针对地面目标如坦克、装甲 11 车等进行的近红外隐身材料研究，目前还处于实验室研究阶段。 在 80 年代中期，对舰船提出红外隐身需求，采取的技术路线主要是模仿俄罗斯舰艇红外抑制技术。柴油机等动力装置的排气管和废气温度很高，一般可达到 400 ℃ 左右，会产生连续光谱的红外辐射，为降低排气管的温度，采用隔热层和通过空气对流方式降低温度。排气外的隔热层能使排气管的红外辐射大大降低，对隔热层上采取空气对流冷却也使排气管外表面的红外特征进一步降低。但是，隔热层的使用使排气流中的热量增加，所以排气出口仍是一个高温的红外辐射源，为此采用热废气冷却系统降低其红外辐射。目前采用的有夹杂空气冷却和液体雾化冷却两种系统。夹杂空气冷却需要风扇作为动力，存在噪声源。液体雾化冷却需要动力，以便将液体抽进废气流，而且冷却液体用完后，需要再供给。目前采用双层烟囱，烟囱底部开设冷空气进孔，使柴油机的热排气与大量的冷空气混合，降低烟囱排出废气的温度。 目前我国的红外隐身技术在空中和海中的应用发展很不平衡，就目前的水平看，航空的红外隐身技术比较成熟，已达到或接近实用阶段，而且已开始应用于飞机的设计和制造中。海上舰艇的红外隐身才刚刚起步，红外隐身涂料的研制更是空白，与之相近的工作有隔热涂层、热辐射低反射率涂料、耐高温涂料等，有望用于红外隐身涂料的研究，达到事半功倍的效果。 5 抗热辐射涂料 抗热辐射涂料是为满足军事上的需求而发展起来的，通过该涂料的涂覆降低和削弱敌方热红外探测设备的效能，改变目标自身的热辐射特征或使用目标自身的综合热散特征与周围背景相适应。美国、前苏联等发达国家，在 60 年代末就开始投入大量的财力和物力进行研究工作，取得了相当满意的成果，已广泛应用于舰艇的甲板、坦克壳体以及军事设施的外表面，可以降低温度 5 ～ 6 ℃。在九十年代初，美国研制出了一种具有一定降温兼伪装效果的太阳热发射消光涂层，在波长 800nm 处的热发射率约为 50 ％，三年使用寿命。 70 年代末，开始了民用抗热辐射涂料的研究工作，日本的武居二郎研制出了建筑物用抗热辐射涂料，同时罔田道夫则建立了抗热辐射涂料的评价方法。在美国的建筑业，抗热辐射涂料不但美化了环境，而且节约了能源，经美国能源部测试，像南方的墙面和屋顶涂刷抗热辐射涂料后可以节约 21 ％的空调电力，已被美国能源部正式推荐，广泛使用在建筑和化工领域。 在我国，目前还仅处在实验室探索与理论研究阶段，文献资料的相关报道也很少见到。国外厂家已虎视眈眈我国广阔的应用市场，如 Henry Company 的产品已在 2001 年送到国内进行检测，开始开拓中国市场。 目前国外的抗热辐射涂料朝如下趋势发展： 1. 高发射率，可以达到 80 ％以上； 2. 多功能，如用于甲板，兼有防滑作用； 3. 长寿命，可达 5-8 年； 4. 降低成本，提高性价比。 6 飞行甲板防滑涂料 载机甲板上飞机或重型 设备的滑动能引起严重的事故，特别在恶劣海情时，高效能的“不滑”甲板涂料对舰载飞机和人员的安全起很大保证作用。战斗机飞行甲板涂料不同于一般的甲板涂料，除要防止甲板不腐蚀外，还必须具有高度的耐冲击性，并在干、湿及油性条件下，具有高度的防滑性，而磨损后仍保持防滑性，并具有阻燃和维修保养方便等特点。 国外凡是有航母的国家都早已开展过对飞行甲板防滑涂料的研制。以美国为代表的发达国家如英国、法国、日本、澳大利亚等开展过研究工作。最初的甲板防滑涂料为醇酸类油漆撒上砂子类防滑粒子，通常这种涂料仅有几个月的寿命，而且施工性能较差。随着飞行性能的提高，冲击性要求愈来愈高，又发展成双组份体系，基料也由醇酸酚醛类发展到环氧聚氨酯。施工方法也由最初的刷喷涂发展到无须专业涂装人员施工的辊涂，大大有利于舰船的平时维修保养。而且涂料的挥发份含量大大降低，满足日益受到重视的环保要求。产品也发展成多种型号的系列产品。通常分成三个型号， I 型为通用型、 II 型为高闪点型、 III 型为弹性型。每个型号中又分为二类（ G 和 L ）和二种级别（ A 和 B ）及二种涂装方法。日本自八十年代已研制出诸多种的防滑涂料，其中有日本大洋渔业株式会社，船舶事业工务课生产的“ Epoxo300c ”符合美国军标要求，被美海军航母采用。其特点是厚浆、摩擦系数高及耐磨性好。另外还有关西油漆株式会社的テヮテニ 237 等。 俄罗斯明斯克航母飞行甲板采取的保护材料为：防腐底涂层＋纤维增强板＋钢丝网增强＋防滑面涂层保护，材料总厚为 1cm 左右，面涂层为 100 m m 。 国内飞行甲板涂料研制尚属空白，只有普通类型的直升机停机坪甲板涂料，目前对飞行甲板涂料的需求比较迫切。 7 耐高温涂料 目前最常用的耐热涂料为有机硅耐热涂料和无机耐热涂料。有机硅耐热涂料的发展和使 用已有较长的历史，世界各国均有不少品种和型号。美国的有机硅耐热涂料主要以 DC－805和DC－806A为基料，添加耐热颜填料组成。前苏联的有机硅耐热涂料主要由聚有机硅氧烷清漆和硅酸盐填料以及金属氧化物组成。日本的有机硅耐热涂料采用环氧有机硅为基料，配以无机颜料和玻璃料组成。我国现有的有机硅耐热涂料也是主要以有机硅及改性有机硅树脂为基料，配以耐高温颜填料和玻璃粉组成。 耐高温涂料主要用于导弹发射架、蒸汽管路、烟囱内外表面等。 8 纳米级细粉在舰船涂料上的应用 超细材料是近 20 年来迅速发展起来的一类新型材料，超细材料泛指粒径在 1-100nm 范围内的粉末。由于纳米级超细材料具有常规微细粉末所不具备的反常特性，以及纳米材料的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使它在磁性、催化性、光吸收、热阻和熔点等与常规材料相比显示出优越的性能。因而得到人们极大重视。 超细材料具有许多特异性能，如具有巨大的比表面积（每克大于数十平方米）；薄而均匀的界面层；可均匀分散在气体、液体和固体物质中。它可应用为橡胶、油墨和涂料的填料，以及电磁波吸收和远红外材料等。它们的应用领域正在不断的增加。 在涂料方面，超细材料正向一些高档油漆和特殊用途的涂料，如：改性防水涂料，具有紫外发射、紫外屏蔽功能涂层应用开发研究。在军事应用方面，向电磁波吸收涂层、红外线吸收涂层、耐紫外老化涂层和高光洁度耐沾污性好涂层等方面应用开发研究。这类材料在电磁波吸收、紫外光发射、红外光吸收等隐身技术方面，光催化功能等与常规材料相比，显示出优异的性能。纳米材料在舰船涂料上的应用开发还是一项空白。将从改进涂料用基本原材料着手，对现有的船舶涂料的性能，主要是耐大气老化性，光谱辐射性等方面有较大的提高。本项目预定采用纳米级材料应用到大型舰艇水线以上船壳涂料中，作为改进和提高舰船船壳涂料耐老化性的主要技术途径之一。 世界发达国家如日、英、法、德等国对超细材料的研究和应用工作十分活泼，相继投入大量人力、物力，并制定了长远发展规划，取得令人瞩目的成就，并逐渐形成高技术产业，收到良好的经济效益和社会效益，有人预言，超细材料将成为 21 世纪的功能材料之一。 纳米材料在涂料中的应用也正在逐步扩大，如：日本和台湾在应用具有光触媒作用的活性锐钛型 TiO 2 开发防污染涂料和空气净化涂料，或称为光催化剂涂料。导电 ZnO 作为涂料中导电的白色颜料等。 我国对纳米材料的研究起步略迟，但发展速度很快，研制成功了一批具有特殊性能的高科技产品。在理论研究和材料（实验室内）等工作已基本赶上工业发达国家的水准，在纳米级材料 SiO 2 、 TiO 2 ，活性碳酸钙等方面有的已形成一定的生产线，有的在试验室内已完成生产工艺流程，并开始向各种领域内推广应用研究，如：研究纳米级 Fe 3 O 4 作为吸收雷达波涂料的高效吸收剂；用纳米级颜料开发电器外壳的静电屏蔽涂层；应用纳米 SiO 2 在紫外光固化涂料中。但总体来看，我国超细材料研究开发工作还处于研究起步阶段，超细材料品种单一，低档产品多，适用面窄，因此有许多应用场合还需要进口材料，需要各部门重视和加强超细材料的研究开发工作。 9 结束语 舰船涂料，特别是特种涂料应用性强、涉及面广，属于边缘学科的领域。改革开放以来，由于技术引进，我国涂料工业技术进步成就很大，许多国外大公司纷纷在中国抢摊登陆，大多数原材料可从国外进口，这给舰船涂料的发展带来极大的机遇。但是，必须清醒认识到，许多关键技术国外是高度保密的。一方面要引进国外先进技术，看到与国外先进国家的差距；另一方面要立足国内，加大投入，加强基础研究和应用基础研究，为重大技术项目开发提供必要的支撑，以满足海军装备对舰船涂料的要求。