一种高速飞行器红外隐身复合材料结构的制作方法

1.本发明涉及红外隐身材料技术领域，特别涉及一种高速飞行器红外隐身复合材料结构。


背景技术：

2.飞行器在大气层内以数倍声速的速度飞行时，由于飞行器与空气发生剧烈摩擦，将产生大量的热，使飞行器蒙皮表面温度升高，达到几百摄氏度，成为具有明显红外特征的目标。当前各类高精度红外告警、探测系统快速发展，使这类高速飞行器的突防与生存能力受到严重威胁。因此，红外隐身性能成为了高速飞行器极为重要设计要求。
3.目前，常用的红外隐身方法包括两种：一是针对系统内部热源，通常采用热导率低的隔热材料阻隔热量向表面扩散，进而降低表面温度来抑制系统红外辐射，实现红外隐身，但该类方法无法解决由于气动加热过程造成的表面温度升高、表面热辐射增强而带来的系统红外特征增强；二是针对表面高温的系统，抑制其红外特征的方法为在其表面制备一层低红外发射率、高红外反射的金属涂层或蒙皮，阻隔高温物体表面红外发射光谱向金属涂层或蒙皮外部传播，但金属涂层或蒙皮对红外全谱段均具有高反射作用，其包裹的系统无法通过辐射的方式传递出气动加热作用下传至内部的热量，造成内部热量急剧累积，温度迅速升高，损坏内部载荷。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本技术旨在提供一种高速飞行器红外隐身复合材料结构，该红外隐身复合材料在3.7～4.8μm和7.5～9.7μm红外探测波段内具有较高的反射率，能够阻隔飞行器表面在这两个波段内的红外辐射，实现飞行器该波段内的红外隐身，同时在其他红外波段具有较低的反射率，使其他波段的红外辐射能够透过该红外隐身复合材料向外传递热量，满足飞行器表面辐射散热的需求。
5.本技术提供一种高速飞行器红外隐身复合材料结构，包括在飞行器外表面依次设置的用于反射红外光谱的反射层和用于保护所述反射层的保护层；所述反射层包括交替设置的第一介质膜和第二介质膜；所述第一介质膜与所述第二介质膜在红外波段范围消光系数≤1
×
10
～3
，且所述第一介质膜的折射率为1.3～1.9、所述第二介质膜的折射率为2.1～2.7。
6.具体的，所述第一介质膜和所述第二介质膜层数之和至少包括20层；所述反射层是通过交替设置第一介质膜和第二介质膜，且对每层薄膜厚度进行精确设计，每层膜的厚度从几百nm到1μm以上不等，基于多光束干涉原理，不同波长的光线受到交替设置的两个介质膜的透反射调制效果不同，最终使反射层的红外光谱在3.7～4.8μm和7.5～9.7μm形成高反射特性，对飞行器表面3.7～4.8μm和7.5～9.7μm波段内红外光谱辐射的起到阻隔作用，将该波段的红外辐射控制在飞行器内部；所述保护层具有高强度、耐高温、耐摩擦的特性，为反射层提供保护作用。
7.优选的，所述第一介质膜厚度为500～2600nm。具体的，所述第一介质膜的光学厚度按下式计算：
8.dm＝xml
9.式中，dm表示第m层所述第一介质膜的光学厚度，xm表示第m层所述第一介质膜的光学厚度系数，m≥1且为奇数；l表示所述第一介质膜1/4中心波长光学厚度。
10.优选的，所述第二介质膜厚度为500～2800nm。具体的，所述第二介质膜的光学厚度按下式计算：
11.dn＝x
nh12.式中，dn表示第n层所述第二介质膜的光学厚度，xn表示第n层所述第二介质膜的光学厚度系数，n≥2且为偶数；h表示所述第二介质膜1/4中心波长光学厚度。
13.优选的，所述反射层包括12层所述第一介质膜和12层所述第二介质膜。具体的，所述反射层包括12层所述第一介质膜和12层所述第二介质膜，具体结构及各层厚度如下：
14.x1l
→
x2h
→
x3l
→
x4h
→
x5l
→
x6h
→
x7l
→
x8h
→
x9l
→
x
10h→
x
11
l
→
x
12h→
x
13
l
→
x
14h→
x
15
l
→
x
16h→
x
17
l
→
x
18h→
x
19
l
→
x
20h→
x
21
l
→
x
22h→
x
23
l
→
x
24h15.其中x1、x3、x5、x7、x9、x
11
、x
13
、x
15
、x
17
、x
19
、x
21
、x
23
表示对应层的所述第一介质膜的光学厚度系数；x2、x4、x6、x8、x
10
、x
12
、x
14
、x
16
、x
18
、x
20
、x
22
、x
24
表示对应层的所述第二介质膜的光学厚度系数。
16.优选的，所述保护层温度≤500℃时，发射率≤5％。具体的，所述保护层厚度≥1mm，所述保护层自身在高温下3～10μm的波段范围内也可保持极低的红外发射率，使其在高速气动加热产生高温后也基本不会向外部辐射红外光谱，降低被红外探测器探测到的概率。
17.优选的，所述第一介质膜材料为yf3、ybf3、baf2、y2o3中的任意一种。
18.优选的，所述第二介质膜材料为zns、znse中的任意一种。
19.优选的，所述保护层材料为zns、znse中的任意一种。
20.优选的，采用热蒸发薄膜沉积技术、磁控溅射薄膜沉积技术或离子束溅射薄膜沉积技术将所述第一介质膜的材料和所述第二介质膜的材料依次交替沉积在所述保护层内表面。
21.综上，本技术公开有一种高速飞行器红外隐身复合材料结构，基于上述方案产生的有益效果是，在飞行器外表面依次设有用于反射红外光谱的反射层和用于保护所述反射层的保护层；所述反射层包括交替设置的第一介质膜和第二介质膜；所述第一介质膜与所述第二介质膜在红外波段范围消光系数≤1
×
10
～3
，且所述第一介质膜的折射率为1.3～1.9、所述第二介质膜的折射率为2.1～2.7；所述保护层温度≤500℃时，发射率≤5％，在所述反射层内表面依次交替设置若干层第一介质膜和若干层第二介质膜，使得所述反射层具有阻隔飞行器表面3.7～4.8μm和7.5～9.7μm波段内红外光谱向外传播的作用，将该波段的红外辐射控制在飞行器内部，而在其他波段的光谱具有较低的反射率，使其能够透过该红外隐身复合材料向外传递热量，满足飞行器表面辐射散热的要求。在飞行过程中，气动作用在保护层产生的热量向内传至飞行器表面，使飞行器表面成为辐射源，所述反射层对飞行器表面辐射出的红外光谱进行调制，使得3.7～4.8μm和7.5～9.7μm两个红外探测波段的光谱无法向外部传播，从而使得红外探测设备无法探测到飞行器在3.7～4.8μm和7.5～9.7μm
波段内的红外辐射光谱，而其他波段的光谱可以向外部传播，实现了飞行器在红外探测波段隐身的同时，保持一定辐射散热能力，维持飞行器温度的稳定，所述保护层具有高强度、耐高温、耐摩擦的特性，为所述反射层提供保护作用，而且在温度≤500℃时，所述保护层在3～10μm范围内红外光谱具有较低的发射率，使其在高速摩擦产生高温后也基本不会向外辐射红外光谱。
附图说明
22.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
23.图1为本技术一种高速飞行器红外隐身复合材料结构的示意图。
24.图2为本技术实施例保护层常温和高温的发射率曲线。
25.图3为本技术实施例飞行器红外隐身复合材料的反射率曲线。
26.图中，1、飞行器外表面；2、反射层；3、保护层。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。下面参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
28.一种高速飞行器红外隐身复合材料结构，相对于飞行器外表面1，所述红外隐身复合材料由内向外包括反射层2和保护层3，如图1所示为本技术飞行器红外隐身复合材料结构的示意图，相对于所述保护层3内表面，在所述保护层3内表面由内向外依次交替设置12层第一介质膜和12层第二介质膜，所述第一介质膜为yf3材料，折射率为1.4左右，所述第二介质膜和所述保护层3均为zns材料，折射率为2.2左右。
29.所述反射层2的结构组成及各层厚度如下，
30.x1l
→
x2h
→
x3l
→
x4h
→
x5l
→
x6h
→
x7l
→
x8h
→
x9l
→
x
10h→
x
11
l
→
x
12h→
x
13
l
→
x
14h→
x
15
l
→
x
16h→
x
17
l
→
x
18h→
x
19
l
→
x
20h→
x
21
l
→
x
22h→
x
23
l
→
x
24h31.其中x1＝0.891、x2＝0.970、x3＝1.071、x4＝1.007、x5＝0.948、x6＝1.007、x7＝1.099、x8＝0.876、x9＝0.988、x
10
＝1.184、x
11
＝0.734、x
12
＝1.162、x
13
＝1.068、x
14
＝0.644、x
15
＝0.416、x
16
＝0.478、x
17
＝0.493、x
18
＝0.496、x
19
＝0.422、x
20
＝0.559、x
21
＝0.498、x
22
＝0.411、x
23
＝0.440、x
24
＝0.619，
32.中心波长设计为8500nm，因此l及h的1/4中心波长光学厚度为2125nm。
33.所述保护层3厚度为3mm，如图2所示为所述保护层3常温至高温的发射率曲线，可以看出在25～500℃范围内，zns材料自身在3～10μm范围均有较低发射率，在飞行过程中高速摩擦产生高温后向外辐射红外光谱较少。
34.采用电子束热蒸发薄膜沉积技术按照所述反射层2各层的计算厚度，将所述第一介质膜yf3材料和所述第二介质膜zns材料依次交替沉积在所述保护层3内表面上，得到所述红外隐身复合材料。如图3所示为本实施例飞行器红外隐身复合材料的反射率曲线，可以看出在3.7～4.8μm和7.5～9.7μm两个红外波段波长范围内具有很高的反射率，且反射率达
到了90％以上，而其他波段具有较低的反射率，说明其他红外波段波长的光谱能够透过所述红外隐身复合材材料，向外辐射散热。
35.进一步的，还可以采用磁控溅射薄膜沉积技术或离子束溅射薄膜沉积技术按照所述反射层2的设计结构及各层厚度，将所述第一介质膜yf3材料和所述第二介质膜zns材料依次交替沉积在所述保护层3内表面上，得到所述红外隐身复合材料。
36.进一步的，所述第一介质膜还可以选择ybf3、baf2、y2o3任意一种材料制造。
37.进一步的，所述第二介质膜还可以选择znse材料制造。
38.进一步的，所述保护层3还可以选择znse材料制造。
39.综合以上实施例可以看出，本技术提供一种高速飞行器红外隐身复合材料结构，在飞行器外表面1依次设有用于反射红外光谱的反射层2和用于保护所述反射层2的保护层3；所述反射层2包括依次交替设置的12层第一介质膜和12层第二介质膜；所述第一介质膜为yf3材料，所述第二介质膜和保护层均为zns材料，所述第一介质膜折射率为1.4左右，所述第二介质膜折射率为2.2左右；所述保护层3在温度≤500℃，发射率≤5％，使得所述反射层2具有阻隔飞行器表面3.7～4.8μm和7.5～9.7μm波段内红外光谱向外传播的作用，将该波段的红外辐射控制在飞行器内部，而在其他波段的光谱具有较低的反射率，使其能够透过该红外隐身复合材料向外传播，满足飞行器表面辐射散热的要求。在飞行过程中，气动作用在所述保护层3产生的热量传至飞行器表面，使飞行器表面成为辐射源，所述反射层2对飞行器表面辐射出的红外光谱进行调制，使得3.7～4.8μm和7.5～9.7μm两个红外探测波段的光谱无法向外部传播，从而使得红外探测设备无法探测到飞行器在3.7～4.8μm和7.5～9.7μm波段内的红外辐射光谱，而其他波段的光谱可以向外部传播，实现了飞行器在红外探测波段隐身的同时，保持一定辐射散热能力，维持飞行器温度的稳定，所述保护层3具有高强度、耐高温、耐摩擦的特性，为所述反射层2提供保护作用，而且在温度≤500℃时，所述保护层3在3～10μm范围具有较低的发射率，使其在高速摩擦产生高温后也基本不会向外辐射红外光谱。
40.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或者变动仍处于本发明的保护范围之列。
41.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。