具有光譜選擇性低發(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，尤其涉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]隨著隱身技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外隱身作為其中一種重要的手段，得到了越來(lái)越多的關(guān)注。紅外隱身，其概念是指消除或減小目標(biāo)與背景間中遠(yuǎn)紅外波段兩個(gè)大氣窗口(3.0 μ m?5.0 μ m，8.0 μ m?14.0 μ m)車■射特性的差別。
[0003]目前紅外隱身技術(shù)中，常用的手段有兩種:改變目標(biāo)的紅外輻射波段或是降低其紅外輻射出射度，其中后者是最常見的技術(shù)手段。
[0004]由Stefan-Boltzmann定律:M = ε ο Τ4，紅外輻射出射度與溫度T以及發(fā)射率ε有關(guān)。因此降低紅外輻射出射度Μ,實(shí)現(xiàn)紅外隱身，理論上可通過(guò)降低目標(biāo)表面溫度或發(fā)射率來(lái)實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)前的隱身手段中，常見的是在目標(biāo)表面涂覆低發(fā)射率涂層。
[0005]傳統(tǒng)的紅外低發(fā)射率涂層在整個(gè)紅外波段都具有較低的發(fā)射率，覆蓋了紅外探測(cè)的窗口波段，但是不具備選擇性低發(fā)射的特點(diǎn)。全波段降低紅外發(fā)射率會(huì)影響熱傳導(dǎo)的過(guò)程，導(dǎo)致熱量集聚、溫度上升。結(jié)合Stefan-Boltzmann定律，溫度的升高導(dǎo)致了紅外福射出射度的增加，增加了可探測(cè)性。由此可見傳統(tǒng)的紅外隱身涂層帶來(lái)了隱身與散熱的兼容問(wèn)題。因此，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)窗口波段，即3.0 μπι?5.0 ym和8.0 ym?14.0 μm波段，材料具有較低的發(fā)射率，以降低其可探測(cè)性；而在非窗口波段的發(fā)射率應(yīng)盡可能高，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，解決紅外隱身與輻射散熱的矛盾，是實(shí)現(xiàn)紅外隱身的關(guān)鍵。
[0006]在當(dāng)前階段，研宄人員針對(duì)可見光波段的光譜發(fā)射輻射進(jìn)行調(diào)制的研宄日益成熟。應(yīng)用較多的如太陽(yáng)能光譜選擇性吸收涂層，這種涂層在太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換中起著重要作用，對(duì)于提高光熱轉(zhuǎn)換效率，推廣太陽(yáng)能光熱應(yīng)用起著重要作用。但是，在紅外波段進(jìn)行光譜發(fā)射輻射的調(diào)控研宄，乃至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)用還比較少見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服以上【背景技術(shù)】中提到的不足和缺陷，提供一種具有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，還相應(yīng)提供制備工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、設(shè)備要求低的前述紅外隱身薄膜的制備方法。
[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種具有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，所述紅外隱身薄膜為可對(duì)光譜的發(fā)射輻射進(jìn)行調(diào)控的薄膜，所述紅外隱身薄膜為多層疊加結(jié)構(gòu)，且多層疊加結(jié)構(gòu)中包含有由高折射率材料層和低折射率材料層交替疊加組成的周期性疊層結(jié)構(gòu)；所述周期性疊層結(jié)構(gòu)包括復(fù)合疊加的第一多層膜結(jié)構(gòu)和第二多層膜結(jié)構(gòu)，所述第一多層膜結(jié)構(gòu)的中心波長(zhǎng)為λ i，所述第二多層膜結(jié)構(gòu)的中心波長(zhǎng)為入2，且3.0 4!11< λ # 5.0 μm，8.0 μm < λ 14.0 μπι。各層之間一般通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合進(jìn)行連接。
[0009]針對(duì)選擇性低發(fā)射率紅外隱身薄膜的性能特點(diǎn)，本發(fā)明的上述技術(shù)方案提出了一種優(yōu)選以藍(lán)寶石為襯底的紅外隱身薄膜，其主要由高折射率材料層和低折射率材料層疊加而成。根據(jù)基爾霍夫定律:材料的透過(guò)率(T)、反射率(R)和發(fā)射率(ε )有以下關(guān)系:T+R+ε = 1，而本發(fā)明提出的上述技術(shù)方案采用的是多層膜結(jié)構(gòu)，所含膜層較多，這使得該紅外隱身薄膜透過(guò)率接近為0，因此，反射率(R)和發(fā)射率(ε )的關(guān)系，可表示為R+ ε ^ I。因此，在某些波段的低發(fā)射率可用高反射率來(lái)表示。為了保證在3.0 μπι?5.0 μπι和8.0 μπι?14.0 μπι波段均具有低的發(fā)射率，即高反射率，我們創(chuàng)造性地提出了以下思路:即在一個(gè)λ/4的多層膜結(jié)構(gòu)上，再疊加另一個(gè)中心波長(zhǎng)不同的多層膜結(jié)構(gòu)。具體到發(fā)明中，即是在一個(gè)λ/4的多層膜(H1L1)2上疊加另一個(gè)λ 2/4的多層膜，進(jìn)而得到一種具有具有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜。
[0010]上述的具有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，優(yōu)選的:所述高折射率材料層為Si材料層(H)，所述低折射率材料層為ZnS材料層(L)。更優(yōu)選的:所述Si材料層的折射率為ηΗ= 3.20?3.43，所述ZnS材料層的折射率為n L= 2.16?2.20。在本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，當(dāng)光線垂直入射時(shí)，高低折射率之比1?/?越大，則反射率越高，發(fā)射率越低；而前述使用的Si材料層和ZnS材料層均為紅外波段的優(yōu)選適用材料，且二者折射率之比在可選材料中較大，效果更好。
[0011]上述的具有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，優(yōu)選的:所述第一多層膜結(jié)構(gòu)由薄型高折射率材料層氏和薄型低折射率材料層L 1至少交替疊加兩個(gè)周期后復(fù)合而成，所述第二多層膜結(jié)構(gòu)由厚型高折射率材料層4和厚型低折射率材料層L 2至少交替疊加兩個(gè)周期后復(fù)合而成。更優(yōu)選的:所述第一多層膜結(jié)構(gòu)由薄型高折射率材料層H1和薄型低折射率材料層1^交替疊加兩個(gè)周期后復(fù)合而成，且由內(nèi)而外依次為H ^L1-H1-L1IP (H1L1)2,所述薄型高折射率材料層H1的厚度為294.0± 10.0nm,所述薄型低折射率材料層L ^勺厚度為463.0±10.0nm。該優(yōu)選的膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從光的干涉原理出發(fā)，為得到高反射率，各膜層的光學(xué)厚度優(yōu)選為中心波長(zhǎng)(例如A1=1ym)的1/4。另外，從薄膜制備角度考慮，我們的研宄表明，增加疊加周期對(duì)反射率的影響并不顯著，且周期過(guò)多致使膜層厚度較大，膜層質(zhì)量不易控制。本發(fā)明中由高、低折射率材料層搭配組合形成了一種典型的具有光譜選擇反射的膜系結(jié)構(gòu)，且靠近襯底的材料采用高折射率材料，以便獲得同等層數(shù)條件下的最高反射率(即最低的發(fā)射率)。因此，我們優(yōu)選采用了 H1-L1-H1-L1的膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0012]上述的具有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，優(yōu)選的:所述第二多層膜結(jié)構(gòu)由厚型高折射率材料層HjP厚型低折射率材料層1^2交替疊加兩個(gè)周期后復(fù)合而成，且由內(nèi)而外依次為H2-L2-H2-L2,即(H2L2)2,所述厚型高折射率材料層4的厚度為809.0±10.0nm,所述厚型低折射率材料層1^2的厚度為1273.0± 10.0nm。同樣的，從光的干涉原理出發(fā)，為得到高反射率，各膜層的光學(xué)厚度優(yōu)選為中心波長(zhǎng)(例如λ2= 11.0 μπι)的1/4。
[0013]上述的具有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜，優(yōu)選的:所述紅外隱身薄膜在3.0 μ m?5.0 μ m和8.0 μ m?14.0 μ m的紅外窗口波段實(shí)現(xiàn)低發(fā)射，其發(fā)射率在0.1以下(優(yōu)選0.06左右)，所述紅外隱身薄膜在5.0ym?8.0ym的非窗口波段實(shí)現(xiàn)高發(fā)射，其發(fā)射率在0.6以上(優(yōu)選0.7左右)。
[0014]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具有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0015](I)襯底清洗:準(zhǔn)備襯底材料，并對(duì)襯底材料進(jìn)行清洗、干燥；
[0016](2)采用射頻磁控濺射方法在襯底材料上濺射鍍Si薄膜，通過(guò)控制射頻濺射功率和濺射時(shí)間得到相應(yīng)設(shè)計(jì)厚度的高折射率材料層；
[0017](3)采用射頻磁控濺射方法在高折射率材料層上濺射鍍ZnS薄膜，通過(guò)控制射頻濺射功率和濺射時(shí)間得到相應(yīng)設(shè)計(jì)厚度的低折射率材料層；
[0018](4)重復(fù)上述步驟(2)?(3)多個(gè)周期，并結(jié)合對(duì)設(shè)計(jì)厚度的交替控制，得到有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜。
[0019]上述的制備方法，優(yōu)選的:所述步驟⑴中的襯底材料為藍(lán)寶石，所述清洗時(shí)先使用去離子水清洗襯底材料表面雜物，再用無(wú)水乙醇浸泡在超聲波清洗儀里清洗。
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