3～5μm波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于功能薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種具有光譜選擇性低發(fā)射性能的 紅外隱身薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代科技革命中，隱身技術(shù)的是應(yīng)用越來(lái)越廣。在各種隱身手段中，紅外隱身是 其中重要的手段之一，得到了越來(lái)越多的關(guān)注。紅外探測(cè)的窗口波段主要是指3. 0ym~ 5. 0ym和8. 0ym~14. 0ym波段。其中，當(dāng)環(huán)境溫度在高溫下時(shí)，3.Oym~5.Oym波段 則是主要的探測(cè)窗口。
[0003] 紅外隱身技術(shù)中，降低紅外福射強(qiáng)度是最主要的手段，其主要采用在目標(biāo)表面涂 覆熱紅外隱身涂料，W降低目標(biāo)表面發(fā)射率的方法。但是，根據(jù)Stefan-Boltzmann定律；M =eOT4,紅外福射強(qiáng)度同時(shí)受到溫度TW及發(fā)射率e的影響，僅通過(guò)降低目標(biāo)表面發(fā)射 率來(lái)降低紅外福射強(qiáng)度的方法值得商権。
[0004] 上述的紅外隱身涂料在整個(gè)紅外波段都具有較低的發(fā)射率，覆蓋了紅外探測(cè)波 段，但是不具備選擇性低發(fā)射的特點(diǎn)。需要指出的是，紅外低發(fā)射率會(huì)影響熱傳導(dǎo)的過(guò)程， 導(dǎo)致熱量難W擴(kuò)散，使得溫度上升，加之某些目標(biāo)工作環(huán)境溫度本身較高，因此會(huì)帶來(lái)散熱 的問(wèn)題。結(jié)合Stefan-Boltzmann定律，溫度的上升同樣是導(dǎo)致紅外福射強(qiáng)度增加的因素， 該說(shuō)明傳統(tǒng)的紅外隱身涂層帶來(lái)了隱身與散熱的兼容問(wèn)題，難W達(dá)到理想效果。因此，在高 溫條件下，理想的紅外隱身材料應(yīng)該具備的性能特點(diǎn)是；在紅外探測(cè)的3. 0ym~5. 0ym波 段，材料具有較低的發(fā)射率，W降低其可探測(cè)性；而在其他波段發(fā)射率較高，使熱量可及時(shí) 擴(kuò)散，達(dá)到散熱的要求。因此，研制具有光譜選擇性發(fā)射的紅外隱身材料，W解決紅外隱身 與福射散熱的矛盾，是實(shí)現(xiàn)高溫條件下紅外隱身的關(guān)鍵。
[0005] 在當(dāng)前階段，研究人員針對(duì)紅外隱身的特點(diǎn)，在理論上進(jìn)行了對(duì)光譜選擇性發(fā)射 性能的調(diào)試。但是實(shí)際的制備卻很少見(jiàn)，將具有光譜選擇性低發(fā)射率性能的材料應(yīng)用于紅 外隱身領(lǐng)域的應(yīng)用尚未得到實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服W上【背景技術(shù)】中提到的在高溫條件下紅外隱 身帶來(lái)的隱身與散熱的兼容性問(wèn)題，提供一種在3. 0ym~5. 0ym波段具有低發(fā)射率性能、 在其他波段具有高發(fā)射率性能的3~5ym波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，還相應(yīng)提 供一種工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、設(shè)備要求低的3~5ym波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜 的制備方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種3~Sum波段選擇性低發(fā) 射率的紅外隱身薄膜，所述紅外隱身薄膜可對(duì)光譜的發(fā)射福射進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)在3. 0ym~ 5. 0ym的紅外窗口波段的低發(fā)射率，其他波段實(shí)現(xiàn)高發(fā)射率，W實(shí)現(xiàn)高溫條件下的紅外隱 身；所述紅外隱身薄膜具有多層膜結(jié)構(gòu)，主要由高折射率Si材料層（H)和低折射率MgF,材 料層（L)交替疊加而成。該材料體系的高低折射率之比較大，與折射率比較小的材料體系 相比可W更好地實(shí)現(xiàn)選擇性發(fā)射的效果，高反射區(qū)域可W更好地覆蓋3. 0ym~5. 0ym波 段，同時(shí)在相同的選擇性發(fā)射的要求下，高折射率之比的材料體系Si/MgF,所需的膜層數(shù)目 少，便于制備。所述多層膜結(jié)構(gòu)中各膜層的厚度呈現(xiàn)不均勻分布，而多層膜厚度的不均勻分 布在多層膜體系中產(chǎn)生電磁帶隙，當(dāng)電磁波的頻率落入電磁帶隙中時(shí)（本發(fā)明中即對(duì)應(yīng)于 3. 0ym~5. 0ym的電磁波段），電磁波無(wú)法繼續(xù)傳播，該使得對(duì)于前述3.Oym~5.Oym 波段內(nèi)的任意波長(zhǎng)A，多層膜結(jié)構(gòu)中均有一定數(shù)量的膜層，其光學(xué)厚度接近A/4,從而實(shí) 現(xiàn)了在特定波段的高反射率。
[000引上述的3~5ym波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，優(yōu)選的，所述高折射率Si材料層的折射率為％= 3. 20~3. 43,所述低折射率M評(píng)2材料層的折射率為ru= 1. 35~ 1. 39。
[0009] 上述的3~5ym波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，優(yōu)選的，所述紅外隱身薄 膜具有奇數(shù)層的多層膜結(jié)構(gòu)，且多層膜結(jié)構(gòu)的層數(shù)不少于7層。更優(yōu)選的，所述紅外隱身薄 膜具有共計(jì)7層的多層膜結(jié)構(gòu)，且從最里層到最外層依次采用高折射率Si材料層和低折 射率MgF,材料層交替布置方式，且最里層和最外層均采用高折射率Si材料層。更優(yōu)選的， 在前述7層的多層膜結(jié)構(gòu)中，從所述最里層到最外層的各層厚度依次為230. 0 + 10.Onm、 500. 0 + 10.Onm、230. 0 + 10.Onm、760. 0 + 10.Onm、410. 0 + 10.Onm、120. 0 + 10.Onm、 200. 0 + 10.Onm。
[0010] 經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，上述7層的多層膜結(jié)構(gòu)的各膜層厚度設(shè)計(jì)如下表1所示：
[0011] 表1 ;優(yōu)化設(shè)計(jì)的膜層結(jié)構(gòu)
[0012]
[001引上述的3~5ym波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，優(yōu)選的，所述紅外隱身薄 膜是利用磁控瓣射工藝制備得到。
[0014] 上述的3~5ym波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，優(yōu)選的，所述其他波段是 指的5. 0ym~8. 0ym波段。更優(yōu)選的，所述紅外隱身薄膜在3. 0ym~5. 0ym紅外窗口 波段的發(fā)射率為0. 1W下（優(yōu)選0. 07左右），所述紅外隱身薄膜在5. 0ym~8. 0ym的非 紅外窗口波段的發(fā)射率達(dá)到0. 5W上（優(yōu)選0. 55左右）。
[0015] 作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的3~5ym波段選擇性低發(fā)射率 的紅外隱身薄膜的制備方法，包括W下步驟：
[0016] (1)襯底的清洗；首先使用去離子水清洗襯底表面雜物，再用無(wú)水己醇浸泡在超 聲波清洗儀里清洗（一般不少于10.Omin)，最后風(fēng)干（可用電吹風(fēng)等各種風(fēng)干方式），將襯 底固定在樣品臺(tái)上；所用襯底材料優(yōu)選為藍(lán)寶石；
[0017] (2)采用射頻磁控瓣射的方法在襯底表面交替鍛上高折射率Si材料層和低折射 率M化材料層；
[0018] 瓣射鍛高折射率Si材料層的瓣射條件包括；襯底溫度為300. 0°C~400. 0°C，射頻 瓣射功率為100. 0W~200. 0W，瓣射時(shí)間為10.Omin~25.Omin;
[0019] 瓣射鍛低折射率MgFs材料層的瓣射條件包括；襯底溫度為50. 0°C~100. 0°C，射 頻瓣射功率為50. 0W~100. 0W，瓣射時(shí)間為5.Omin~30.Omin。
[0020] 本發(fā)明的上述制備方法中，用于瓣射鍛膜的設(shè)備為磁控瓣射鍛膜機(jī)。
[0021] 針對(duì)本發(fā)明的3~5ym波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜的性能特點(diǎn)，本發(fā)明 提出了一種優(yōu)選W藍(lán)寶石為襯底、WSi層和MgFs層交替疊加組成的多層膜結(jié)構(gòu)的技術(shù)方 案。需要特別指出的是；根據(jù)基爾霍夫定律，材料的透過(guò)率訂)、反射率（時(shí)和發(fā)射率（〇 有W下關(guān)系：
[0022] T+R+ e = 1；
[0023] 而本發(fā)明上述優(yōu)選的技術(shù)方案中由于采用了不少于7層的多層膜結(jié)構(gòu)，所含膜層 較多，該使得紅外隱身薄膜的透過(guò)率接近為0 ;因此，反射率（時(shí)和發(fā)射率（〇的關(guān)系可近 似表示為R+e> 1，即在某些波段的低發(fā)射率可用高反射率來(lái)表示。
[0024] 基于W上的技術(shù)原理，本發(fā)明上述技術(shù)方案主要是遵循W下技術(shù)思路：
[0025] (1)當(dāng)光線(xiàn)垂直入射，高低折射率之比％/化越大時(shí)，反射率則越高，發(fā)射率相應(yīng)越 低。本發(fā)明中所選用的高折射率Si材料層和低折射率MgF,材料層為經(jīng)過(guò)我們優(yōu)化篩選后 的材料，且二者折射率之比在可選材料中較大，該有利于實(shí)現(xiàn)較理想的選擇性發(fā)射的效果； 同時(shí)，材料的折射率之比越大，在同樣的選擇性發(fā)射的要求下，Si/M評(píng)2材料體系所需的多 層膜的膜層數(shù)目越少，便于制備。此外兩種材料作為紅外波動(dòng)的窗口材料，該組合在抗熱沖 擊性能、熱穩(wěn)定性、熱匹配性等方面性能優(yōu)良，且界面結(jié)合穩(wěn)定，無(wú)明顯應(yīng)力擴(kuò)張。
[0026] (2)為了保證在3.0ym~5.0ym波段均具有低的發(fā)射率，即高反射率?？墒鼓?相繼各層的厚度參差不齊，其目的在于確保對(duì)于前述波段內(nèi)的任意波長(zhǎng)A，多層膜結(jié)構(gòu)中 有一定數(shù)量的膜層，其光學(xué)厚度接近A/4，W得到對(duì)于波長(zhǎng)A下的高反射率。同時(shí)根據(jù)電 磁透過(guò)理論，多層膜的不均勻分布在多層膜體系中產(chǎn)生電磁帶隙，當(dāng)電磁波的頻率落入電 磁帶隙中時(shí)（本發(fā)明中即對(duì)應(yīng)于3. 0ym~5. 0ym的電磁波段），電磁波無(wú)法繼續(xù)傳播，從 而實(shí)現(xiàn)了在特定波段的高反射率。
[0027] (3)典型的具有光譜選擇反射的膜系結(jié)構(gòu)是由高、低折射率材料搭配組合而成，且 優(yōu)選情況下膜層的最兩邊膜層均設(shè)計(jì)為高折射率材料層，中間交替的含有高折射率材料層 和低折射率材料層，W便獲得同等層數(shù)條件下的最高的反射率（最低的發(fā)射率）。因此，在 本發(fā)明上述的3~5ym波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜中，靠近藍(lán)寶石襯底的最里層 和最外層均為高折射率Si材料層。
[002引與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0029] 1.本發(fā)明的3~5ym波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜采用多層膜結(jié)構(gòu)，膜層 由高折射率Si材料層和低折射率MgF2材料層交替疊加而成；二者均為紅外波段的窗口材 料，組成多層膜時(shí)熱匹配較好，殘余熱應(yīng)力較小，且各層間界面結(jié)合力強(qiáng)，膜層不易脫落。
[0030] 2.在高溫條件下，本發(fā)明選用的高折射率Si材料層和低折射率M評(píng)2材料層兩種 材料均具有較好的熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。
[0031] 3.本發(fā)明所提出的3. 0~5. 0ym波段選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，通過(guò)優(yōu)化 設(shè)計(jì)后，在3. 0ym~5. 0ym紅外窗口波段的發(fā)射率僅為0. 07左右，在5. 0ym~8. 0ym 的非窗口波段發(fā)射率則達(dá)到0. 55左右。
[0032] 總體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的具有光譜選擇性低發(fā)射率性能的紅外隱身薄膜，通過(guò)膜系優(yōu) 化設(shè)計(jì)，較好地實(shí)現(xiàn)了光譜選擇性發(fā)射的性能。該就使得該選擇性低發(fā)射率紅外隱身薄膜 兼顧了隱身與福射散熱的要求，對(duì)更好地實(shí)現(xiàn)高溫條件下的紅外隱身具有重要意義。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明 的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可W根據(jù) 該些附圖獲得其他的附圖。
[0034] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中3.Oym~5.Oym波段選擇性低發(fā)射率紅外隱身薄膜的 結(jié)構(gòu)示意圖；其中白色條紋部分表示高折射率Si材料層（H)，黑色條紋部分表示低折射率 M化材料層（L)。
[0035] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中3. 0ym~5. 0ym波段選擇性低發(fā)射率紅外隱身薄膜的 發(fā)射率譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和較佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更全 面、細(xì)致地描述