3～5μm波段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，尤其设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] 在现代科技革命中，隐身技术的是应用越来越广。在各种隐身手段中，红外隐身是 其中重要的手段之一，得到了越来越多的关注。红外探测的窗口波段主要是指3. 0ym~ 5. 0ym和8. 0ym~14. 0ym波段。其中，当环境温度在高温下时，3.Oym~5.Oym波段 则是主要的探测窗口。
[0003] 红外隐身技术中，降低红外福射强度是最主要的手段，其主要采用在目标表面涂 覆热红外隐身涂料，W降低目标表面发射率的方法。但是，根据Stefan-Boltzmann定律；M =eOT4,红外福射强度同时受到温度TW及发射率e的影响，仅通过降低目标表面发射 率来降低红外福射强度的方法值得商権。
[0004] 上述的红外隐身涂料在整个红外波段都具有较低的发射率，覆盖了红外探测波 段，但是不具备选择性低发射的特点。需要指出的是，红外低发射率会影响热传导的过程， 导致热量难W扩散，使得温度上升，加之某些目标工作环境温度本身较高，因此会带来散热 的问题。结合Stefan-Boltzmann定律，温度的上升同样是导致红外福射强度增加的因素， 该说明传统的红外隐身涂层带来了隐身与散热的兼容问题，难W达到理想效果。因此，在高 温条件下，理想的红外隐身材料应该具备的性能特点是；在红外探测的3. 0ym~5. 0ym波 段，材料具有较低的发射率，W降低其可探测性；而在其他波段发射率较高，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，W解决红外隐身 与福射散热的矛盾，是实现高温条件下红外隐身的关键。
[0005] 在当前阶段，研究人员针对红外隐身的特点，在理论上进行了对光谱选择性发射 性能的调试。但是实际的制备却很少见，将具有光谱选择性低发射率性能的材料应用于红 外隐身领域的应用尚未得到实现。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，克服W上【背景技术】中提到的在高温条件下红外隐 身带来的隐身与散热的兼容性问题，提供一种在3. 0ym~5. 0ym波段具有低发射率性能、 在其他波段具有高发射率性能的3~5ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，还相应提 供一种工艺简单、重复性好、设备要求低的3~5ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜 的制备方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种3~Sum波段选择性低发 射率的红外隐身薄膜，所述红外隐身薄膜可对光谱的发射福射进行调控，实现在3. 0ym~ 5. 0ym的红外窗口波段的低发射率，其他波段实现高发射率，W实现高温条件下的红外隐 身；所述红外隐身薄膜具有多层膜结构，主要由高折射率Si材料层（H)和低折射率MgF,材 料层（L)交替叠加而成。该材料体系的高低折射率之比较大，与折射率比较小的材料体系 相比可W更好地实现选择性发射的效果，高反射区域可W更好地覆盖3. 0ym~5. 0ym波 段，同时在相同的选择性发射的要求下，高折射率之比的材料体系Si/MgF,所需的膜层数目 少，便于制备。所述多层膜结构中各膜层的厚度呈现不均匀分布，而多层膜厚度的不均匀分 布在多层膜体系中产生电磁带隙，当电磁波的频率落入电磁带隙中时（本发明中即对应于 3. 0ym~5. 0ym的电磁波段），电磁波无法继续传播，该使得对于前述3.Oym~5.Oym 波段内的任意波长A，多层膜结构中均有一定数量的膜层，其光学厚度接近A/4,从而实 现了在特定波段的高反射率。
[000引上述的3~5ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述高折射率Si材料层的折射率为％= 3. 20~3. 43,所述低折射率M评2材料层的折射率为ru= 1. 35~ 1. 39。
[0009] 上述的3~5ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述红外隐身薄 膜具有奇数层的多层膜结构，且多层膜结构的层数不少于7层。更优选的，所述红外隐身薄 膜具有共计7层的多层膜结构，且从最里层到最外层依次采用高折射率Si材料层和低折 射率MgF,材料层交替布置方式，且最里层和最外层均采用高折射率Si材料层。更优选的， 在前述7层的多层膜结构中，从所述最里层到最外层的各层厚度依次为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] 经过优化设计后，上述7层的多层膜结构的各膜层厚度设计如下表1所示：
[0011] 表1 ;优化设计的膜层结构
[0012]
[001引上述的3~5ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述红外隐身薄 膜是利用磁控瓣射工艺制备得到。
[0014] 上述的3~5ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述其他波段是 指的5. 0ym~8. 0ym波段。更优选的，所述红外隐身薄膜在3. 0ym~5. 0ym红外窗口 波段的发射率为0. 1W下（优选0. 07左右），所述红外隐身薄膜在5. 0ym~8. 0ym的非 红外窗口波段的发射率达到0. 5W上（优选0. 55左右）。
[0015] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的3~5ym波段选择性低发射率 的红外隐身薄膜的制备方法，包括W下步骤：
[0016] (1)衬底的清洗；首先使用去离子水清洗衬底表面杂物，再用无水己醇浸泡在超 声波清洗仪里清洗（一般不少于10.Omin)，最后风干（可用电吹风等各种风干方式），将衬 底固定在样品台上；所用衬底材料优选为藍宝石；
[0017] (2)采用射频磁控瓣射的方法在衬底表面交替锻上高折射率Si材料层和低折射 率M化材料层；
[0018] 瓣射锻高折射率Si材料层的瓣射条件包括；衬底温度为300. 0°C~400. 0°C，射频 瓣射功率为100. 0W~200. 0W，瓣射时间为10.Omin~25.Omin;
[0019] 瓣射锻低折射率MgFs材料层的瓣射条件包括；衬底温度为50. 0°C~100. 0°C，射 频瓣射功率为50. 0W~100. 0W，瓣射时间为5.Omin~30.Omin。
[0020] 本发明的上述制备方法中，用于瓣射锻膜的设备为磁控瓣射锻膜机。
[0021] 针对本发明的3~5ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜的性能特点，本发明 提出了一种优选W藍宝石为衬底、WSi层和MgFs层交替叠加组成的多层膜结构的技术方 案。需要特别指出的是；根据基尔霍夫定律，材料的透过率订)、反射率（时和发射率（〇 有W下关系：
[0022] T+R+ e = 1；
[0023] 而本发明上述优选的技术方案中由于采用了不少于7层的多层膜结构，所含膜层 较多，该使得红外隐身薄膜的透过率接近为0 ;因此，反射率（时和发射率（〇的关系可近 似表示为R+e> 1，即在某些波段的低发射率可用高反射率来表示。
[0024] 基于W上的技术原理，本发明上述技术方案主要是遵循W下技术思路：
[0025] (1)当光线垂直入射，高低折射率之比％/化越大时，反射率则越高，发射率相应越 低。本发明中所选用的高折射率Si材料层和低折射率MgF,材料层为经过我们优化筛选后 的材料，且二者折射率之比在可选材料中较大，该有利于实现较理想的选择性发射的效果； 同时，材料的折射率之比越大，在同样的选择性发射的要求下，Si/M评2材料体系所需的多 层膜的膜层数目越少，便于制备。此外两种材料作为红外波动的窗口材料，该组合在抗热冲 击性能、热稳定性、热匹配性等方面性能优良，且界面结合稳定，无明显应力扩张。
[0026] (2)为了保证在3.0ym~5.0ym波段均具有低的发射率，即高反射率。可使膜层 相继各层的厚度参差不齐，其目的在于确保对于前述波段内的任意波长A，多层膜结构中 有一定数量的膜层，其光学厚度接近A/4，W得到对于波长A下的高反射率。同时根据电 磁透过理论，多层膜的不均匀分布在多层膜体系中产生电磁带隙，当电磁波的频率落入电 磁带隙中时（本发明中即对应于3. 0ym~5. 0ym的电磁波段），电磁波无法继续传播，从 而实现了在特定波段的高反射率。
[0027] (3)典型的具有光谱选择反射的膜系结构是由高、低折射率材料搭配组合而成，且 优选情况下膜层的最两边膜层均设计为高折射率材料层，中间交替的含有高折射率材料层 和低折射率材料层，W便获得同等层数条件下的最高的反射率（最低的发射率）。因此，在 本发明上述的3~5ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜中，靠近藍宝石衬底的最里层 和最外层均为高折射率Si材料层。
[002引与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0029] 1.本发明的3~5ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜采用多层膜结构，膜层 由高折射率Si材料层和低折射率MgF2材料层交替叠加而成；二者均为红外波段的窗口材 料，组成多层膜时热匹配较好，残余热应力较小，且各层间界面结合力强，膜层不易脱落。
[0030] 2.在高温条件下，本发明选用的高折射率Si材料层和低折射率M评2材料层两种 材料均具有较好的热稳定性、机械强度和化学稳定性。
[0031] 3.本发明所提出的3. 0~5. 0ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，通过优化 设计后，在3. 0ym~5. 0ym红外窗口波段的发射率仅为0. 07左右，在5. 0ym~8. 0ym 的非窗口波段发射率则达到0. 55左右。
[0032] 总体来说，本发明的具有光谱选择性低发射率性能的红外隐身薄膜，通过膜系优 化设计，较好地实现了光谱选择性发射的性能。该就使得该选择性低发射率红外隐身薄膜 兼顾了隐身与福射散热的要求，对更好地实现高温条件下的红外隐身具有重要意义。
【附图说明】
[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据 该些附图获得其他的附图。
[0034] 图1为本发明实施例1中3.Oym~5.Oym波段选择性低发射率红外隐身薄膜的 结构示意图；其中白色条纹部分表示高折射率Si材料层（H)，黑色条纹部分表示低折射率 M化材料层（L)。
[0035] 图2为本发明实施例1中3. 0ym~5. 0ym波段选择性低发射率红外隐身薄膜的 发射率谱图。
【具体实施方式】
[0036] 为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全 面、细致地描述