具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于功能薄膜材料技术领域，尤其涉及一种具有光谱选择性低发射性能的红外隐身薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着隐身技术的不断发展，红外隐身作为其中一种重要的手段，得到了越来越多的关注。红外隐身，其概念是指消除或减小目标与背景间中远红外波段两个大气窗口(3.0 μ m?5.0 μ m，8.0 μ m?14.0 μ m)车■射特性的差别。
[0003]目前红外隐身技术中，常用的手段有两种:改变目标的红外辐射波段或是降低其红外辐射出射度，其中后者是最常见的技术手段。
[0004]由Stefan-Boltzmann定律:M = ε ο Τ4，红外辐射出射度与温度T以及发射率ε有关。因此降低红外辐射出射度Μ,实现红外隐身，理论上可通过降低目标表面温度或发射率来实现。在当前的隐身手段中，常见的是在目标表面涂覆低发射率涂层。
[0005]传统的红外低发射率涂层在整个红外波段都具有较低的发射率，覆盖了红外探测的窗口波段，但是不具备选择性低发射的特点。全波段降低红外发射率会影响热传导的过程，导致热量集聚、温度上升。结合Stefan-Boltzmann定律，温度的升高导致了红外福射出射度的增加，增加了可探测性。由此可见传统的红外隐身涂层带来了隐身与散热的兼容问题。因此，理想的红外隐身材料应该具备的性能特点是:在红外探测窗口波段，即3.0 μπι?5.0 ym和8.0 ym?14.0 μm波段，材料具有较低的发射率，以降低其可探测性；而在非窗口波段的发射率应尽可能高，使热量可及时扩散，达到散热的要求。因此，研制具有光谱选择性发射的红外隐身材料，解决红外隐身与辐射散热的矛盾，是实现红外隐身的关键。
[0006]在当前阶段，研宄人员针对可见光波段的光谱发射辐射进行调制的研宄日益成熟。应用较多的如太阳能光谱选择性吸收涂层，这种涂层在太阳能光热转换中起着重要作用，对于提高光热转换效率，推广太阳能光热应用起着重要作用。但是，在红外波段进行光谱发射辐射的调控研宄，乃至将具有光谱选择性低发射率性能的材料应用于红外隐身领域的应用还比较少见。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是，克服以上【背景技术】中提到的不足和缺陷，提供一种具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜，还相应提供制备工艺简单、重复性好、设备要求低的前述红外隐身薄膜的制备方法。
[0008]为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜，所述红外隐身薄膜为可对光谱的发射辐射进行调控的薄膜，所述红外隐身薄膜为多层叠加结构，且多层叠加结构中包含有由高折射率材料层和低折射率材料层交替叠加组成的周期性叠层结构；所述周期性叠层结构包括复合叠加的第一多层膜结构和第二多层膜结构，所述第一多层膜结构的中心波长为λ i，所述第二多层膜结构的中心波长为入2，且3.0 4!11< λ # 5.0 μm，8.0 μm < λ 14.0 μπι。各层之间一般通过化学键结合进行连接。
[0009]针对选择性低发射率红外隐身薄膜的性能特点，本发明的上述技术方案提出了一种优选以蓝宝石为衬底的红外隐身薄膜，其主要由高折射率材料层和低折射率材料层叠加而成。根据基尔霍夫定律:材料的透过率(T)、反射率(R)和发射率(ε )有以下关系:T+R+ε = 1，而本发明提出的上述技术方案采用的是多层膜结构，所含膜层较多，这使得该红外隐身薄膜透过率接近为0，因此，反射率(R)和发射率(ε )的关系，可表示为R+ ε ^ I。因此，在某些波段的低发射率可用高反射率来表示。为了保证在3.0 μπι?5.0 μπι和8.0 μπι?14.0 μπι波段均具有低的发射率，即高反射率，我们创造性地提出了以下思路:即在一个λ/4的多层膜结构上，再叠加另一个中心波长不同的多层膜结构。具体到发明中，即是在一个λ/4的多层膜(H1L1)2上叠加另一个λ 2/4的多层膜，进而得到一种具有具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜。
[0010]上述的具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的:所述高折射率材料层为Si材料层(H)，所述低折射率材料层为ZnS材料层(L)。更优选的:所述Si材料层的折射率为ηΗ= 3.20?3.43，所述ZnS材料层的折射率为n L= 2.16?2.20。在本发明的上述技术方案中，当光线垂直入射时，高低折射率之比1?/?越大，则反射率越高，发射率越低；而前述使用的Si材料层和ZnS材料层均为红外波段的优选适用材料，且二者折射率之比在可选材料中较大，效果更好。
[0011]上述的具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的:所述第一多层膜结构由薄型高折射率材料层氏和薄型低折射率材料层L 1至少交替叠加两个周期后复合而成，所述第二多层膜结构由厚型高折射率材料层4和厚型低折射率材料层L 2至少交替叠加两个周期后复合而成。更优选的:所述第一多层膜结构由薄型高折射率材料层H1和薄型低折射率材料层1^交替叠加两个周期后复合而成，且由内而外依次为H ^L1-H1-L1IP (H1L1)2,所述薄型高折射率材料层H1的厚度为294.0± 10.0nm,所述薄型低折射率材料层L ^勺厚度为463.0±10.0nm。该优选的膜层结构设计是从光的干涉原理出发，为得到高反射率，各膜层的光学厚度优选为中心波长(例如A1=1ym)的1/4。另外，从薄膜制备角度考虑，我们的研宄表明，增加叠加周期对反射率的影响并不显著，且周期过多致使膜层厚度较大，膜层质量不易控制。本发明中由高、低折射率材料层搭配组合形成了一种典型的具有光谱选择反射的膜系结构，且靠近衬底的材料采用高折射率材料，以便获得同等层数条件下的最高反射率(即最低的发射率)。因此，我们优选采用了 H1-L1-H1-L1的膜层结构设计。
[0012]上述的具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的:所述第二多层膜结构由厚型高折射率材料层HjP厚型低折射率材料层1^2交替叠加两个周期后复合而成，且由内而外依次为H2-L2-H2-L2,即(H2L2)2,所述厚型高折射率材料层4的厚度为809.0±10.0nm,所述厚型低折射率材料层1^2的厚度为1273.0± 10.0nm。同样的，从光的干涉原理出发，为得到高反射率，各膜层的光学厚度优选为中心波长(例如λ2= 11.0 μπι)的1/4。
[0013]上述的具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的:所述红外隐身薄膜在3.0 μ m?5.0 μ m和8.0 μ m?14.0 μ m的红外窗口波段实现低发射，其发射率在0.1以下(优选0.06左右)，所述红外隐身薄膜在5.0ym?8.0ym的非窗口波段实现高发射，其发射率在0.6以上(优选0.7左右)。
[0014]作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜的制备方法，包括以下步骤:
[0015](I)衬底清洗:准备衬底材料，并对衬底材料进行清洗、干燥；
[0016](2)采用射频磁控溅射方法在衬底材料上溅射镀Si薄膜，通过控制射频溅射功率和溅射时间得到相应设计厚度的高折射率材料层；
[0017](3)采用射频磁控溅射方法在高折射率材料层上溅射镀ZnS薄膜，通过控制射频溅射功率和溅射时间得到相应设计厚度的低折射率材料层；
[0018](4)重复上述步骤(2)?(3)多个周期，并结合对设计厚度的交替控制，得到有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜。
[0019]上述的制备方法，优选的:所述步骤⑴中的衬底材料为蓝宝石，所述清洗时先使用去离子水清洗衬底材料表面杂物，再用无水乙醇浸泡在超声波清洗仪里清洗。
[0020]