叶片启发式ZnO-Cr2O3/环氧涂层及其可见光–近红外反射率调控用于光谱伪装应用

《Next Materials》：Leaf-inspired ZnO-Cr 2O 3/epoxy coatings with tailored visible–NIR reflectance for spectral camouflage applications

　　

在可见光（VIS）与近红外（NIR）光谱区间内，目标与背景光谱响应的差异对避免监视系统探测至关重要。研究人员采用压缩空气喷涂法制备了不同ZnO与Cr2O3纳米粉比例的ZnO–Cr2O3/环氧复合涂层，以复现自然 foliage（Pongamia Pinnata叶）的光谱反射率。通过漫反射光谱（DRS）研究光谱反射率，利用场发射扫描电镜（FESEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行微结构与化学分析。其中ZC-40（环氧中40 wt%填料，含80% ZnO与20% Cr2O3）在400–1200 nm区间实现可见光反射率25–28%、NIR反射率50–55%，与自然叶高度接近；涂层热稳定至350 °C，耐刮擦大于20 N，ASTM D3359 Method A附着力达5A，且与自然叶余弦相似度超99%，表明其在多光谱伪装中的潜力。

研究背景方面，现代多光谱成像监视系统可依据VIS–NIR光谱特征探测目标，传统可见光照伪装失效，而植被是最常见背景之一，因此模拟自然叶片的绿峰、红边跃迁、NIR高反射平台及水吸收带成为光谱伪装核心需求。已有研究使用有机阴离子插层水滑石、LiCl改性Cr₂O₃、仿生多层纤维膜、Ti掺杂Cr₂O₃/环氧等体系，但在商用颜料易得性、工艺简便性、力学与热稳定性兼顾上仍有限。为此，研究人员选用商品化ZnO与Cr₂O₃无机颜料，结合环氧粘结剂，通过压缩空气喷涂开发兼具高光谱相似性与实用耐久性的叶片启发式伪装涂层，论文发表于《Next Materials》。

关键技术方法上，研究人员以Pongamia Pinnata鲜叶为参考光谱样本，铝合2219为基材；采用3D混料与研磨制备ZnO/Cr₂O₃复合粉体（比例20:80至80:20），以环氧L-285为粘结剂、木质素磺酸钠为分散剂、乙醇为溶剂，配成20/40/60 wt%填料体系（ZC-20/40/60），0.5 bar压缩空气喷涂成150–250 μm厚膜；利用DRS测400–1200 nm反射率，以余弦相似度（SAM）定量比对叶谱，并辅以FESEM、EDS、XRD、FTIR、CIE色坐标、划痕试验、ASTM D3359附着力、TGA与DSC表征。

结果与讨论部分各小节结论如下。粉末物性：Cr₂O₃均粒253 nm（67–652 nm），ZnO均粒135 nm（36–280 nm），ZnO粒径更细；EDS印证 stoichiometry，XRD证实混合过程无新相，平均晶粒度约51 nm。光谱设计机制：Cr₂O₃提供VIS低反射与~550 nm绿峰及红边，ZnO提供NIR 50–55%高反射；DRS显示20C-80Z复合粉最拟叶谱，成膜后ZC-40在VIS 25–28%、NIR 50–55%，红边起于600–700 nm，800 nm后近平台；三配方余弦相似度0.9903–0.9909，ZC-40最高0.9909。厚度与成分：截面FESEM得ZC-20/40/60均厚189.27±11.29、137.90±5.96、255.03±27.33 μm，厚度不直接决定光谱；EDS示C随填料增而减，Zn/Cr增。颜色与结构：CIE中a负显绿色调，b微降；XRD与FTIR证环氧特征峰留存、无次生相。力学性能：划痕至20 N无剥落，ZC-40/60无痕；附着力ZC-20/40为5A，ZC-60为4A。热学：TGA示350 °C起降，780 °C残炭近似填料量；DSC示ZC-20的T_g129.6 °C高于纯环氧80.6 °C，ZC-40/60降至117.6/109.7 °C，归因团聚。

讨论部分指出，该工作以互补光学特性无机颜料+简易喷涂实现>99%余弦相似度，克服部分既往体系依赖特殊材料或复杂工艺之限；ZC-40在光谱、力学（>20 N划痕、5A附着）、热稳（350 °C）间取得平衡，且粒径与填料非线性关系受多重散射模型约束。结论部分翻译：研究人员通过协同ZnO高NIR反射与Cr₂O₃低VIS反射、显著红边及绿色调，系统优化ZnO/Cr₂O₃质量比与环氧中总填料量；含40 wt%优化颜料（80% ZnO–20% Cr₂O₃）的ZC-40对Pongamia Pinnata叶光谱相似度最高，兼优耐刮、强附着与高热稳，适于耐久型高光谱伪装涂层。