本發(fā)明涉及紅外隱身技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及一種選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

紅外隱身技術(shù)是通過降低或改變目標(biāo)的紅外輻射特征，從而使敵方紅外探測設(shè)備難以發(fā)現(xiàn)或使其探測能力降低。物體紅外輻射能量由斯特藩玻爾茲曼定律表征，W＝εσT⁴，其中，W為實(shí)際物體的輻射出射度，ε為物體的發(fā)射率，σ為玻爾茲曼常數(shù)，T為物體的熱力學(xué)溫度?？梢?，降低紅外輻射的有效途徑有兩種，控制發(fā)射率和控制溫度。目前，低發(fā)射率涂層是紅外隱身主要技術(shù)手段之一，而熱輻射與溫度的四次方成正比，低發(fā)射率涂層阻礙目標(biāo)通過輻射向外散熱，可能會使目標(biāo)的溫度升高，不利于紅外隱身，這種影響對高溫目標(biāo)尤為顯著。事實(shí)上，大氣分子以及云、霧、雨、雪等對某些頻段的紅外輻射具有很強(qiáng)的衰減作用，同時(shí)，紅外探測器具有特定的頻率響應(yīng)特性，紅外探測器的工作頻段主要是位于3-5μm中波波段和8-14μm長波波段兩個(gè)大氣透明窗口。所以，理想的紅外隱身涂層在大氣透明窗口具有低反射率，而在大氣透明窗口外具有高的發(fā)射率，具有熱輻射窗口。然而，自然界中幾乎所有材料的紅外發(fā)射率不具備可控的頻率選擇特性，如何實(shí)現(xiàn)紅外選擇性輻射一直是各國研究者關(guān)注的問題。

為解決上述技術(shù)問題，通過發(fā)射頻譜設(shè)計(jì)使武器系統(tǒng)在大氣窗口外的頻段(1.5-3μm，5-8μm)具有高發(fā)射率，而在大氣窗口內(nèi)(3-5μm，8-14μm)具有低發(fā)射率，武器系統(tǒng)產(chǎn)生的紅外熱輻射的頻段落到大氣窗口外的頻率范圍內(nèi)，借助大氣的吸收實(shí)現(xiàn)紅外隱身效果。通過發(fā)射頻譜設(shè)計(jì)的紅外隱身材料不單是通過“堵”的方式，而且在大氣窗口外開通了散熱窗口，使得紅外熱輻射從某些設(shè)計(jì)頻段內(nèi)發(fā)射出來并被大氣損耗掉，降低溫度，進(jìn)一步增強(qiáng)了紅外隱身能力。

根據(jù)基爾霍夫定律，在熱平衡狀態(tài)下體系的電磁波吸收系數(shù)與輻射系數(shù)相等。因此，為了解決上述問題，需要開發(fā)選擇性吸收的材料。超材料是由人工亞波長結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其電磁響應(yīng)特性與結(jié)構(gòu)單元尺寸密切相關(guān)。因此，利用紅外超材料可以實(shí)現(xiàn)選擇性輻射，目前已有大量的公開文獻(xiàn)報(bào)道。但是，具有大氣窗口低發(fā)射、大氣窗口外高發(fā)射的選擇性發(fā)射超材料在紅外隱身技術(shù)中的應(yīng)用目前尚未看到公開文獻(xiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)，利用紅外超材料的電磁諧振特性實(shí)現(xiàn)選擇性熱輻射，并通過發(fā)射頻譜設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)紅外隱身技術(shù)。

具體的，選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)紅外選擇性熱發(fā)射單元，多個(gè)紅外選擇性熱發(fā)射單元按周期p呈矩陣式排列分布；

每個(gè)紅外選擇性熱發(fā)射單元包括由下到上依次設(shè)置的襯底層、金屬背板、介質(zhì)層和金屬片層，金屬片層包括第一金屬片、第二金屬片、第三金屬片和第四金屬片，第一金屬片、第二金屬片、第三金屬片和第四金屬片按照2*2的陣列設(shè)置在介質(zhì)層上，且第一金屬片、第二金屬片、第三金屬片和第四金屬片的邊長均不相同。

優(yōu)選的，襯底層由Si片制成，襯底層的厚度為0.5mm。

優(yōu)選的，金屬背板和金屬片層均由金制成。

優(yōu)選的，介質(zhì)層材料為損耗性的氮化硅，氮化硅的介電常數(shù)為3.8，損耗角正切為0.025。

優(yōu)選的，金屬背板的厚度為0.1μm，介質(zhì)層的厚度為0.19μm，金屬片層的厚度為0.08μm。

優(yōu)選的，周期p為5.2μm。

優(yōu)選的，第一金屬片的邊長為1.21μm，第二金屬片的邊長為1.28μm，第三金屬片的邊長為1.37μm，第四金屬片的邊長為1.45μm。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明，采用疊加多吸收模的方法，電磁波垂直入射時(shí)，大氣窗口內(nèi)(3-5μm，8-14μm)發(fā)射率均低于0.1，而大氣窗口之外(5-8μm)有一寬帶吸波，吸收率大于50％的帶寬為1.52μm，滿足紅外隱身的同時(shí)給目標(biāo)提供了高效的散熱窗口。

本發(fā)明的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)，極化角從0°逐漸增加到85°，吸收峰的頻率和幅值大小基本保持不變，該超材料的熱輻射是極化無關(guān)的。

本發(fā)明的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)，在不同溫度下均能夠?qū)隗w的輻射譜進(jìn)行調(diào)制，3-5μm和8-14μm的輻射能量接近零，滿足雙紅外波段隱身要求。

本發(fā)明的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)，隨溫度升高，輻射能力迅速增大，輻射出射度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)低發(fā)射率隱身涂層，以600K為例，紅外超材料與低發(fā)射率隱身涂層的輻射出射度分別為7806W/m²、374W/m²，溫度達(dá)1000K時(shí)，紅外超材料輻射出射度達(dá)到4.88×104W/m²，低發(fā)射率隱身涂層的輻射出射度僅為2366W/m²。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提供的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)中紅外選擇性熱發(fā)射單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1提供的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)中紅外選擇性熱發(fā)射單元三維結(jié)構(gòu)視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1提供的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)樣品的SEM圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1提供的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)電磁波正入射吸收特性曲線和電磁波正入射反射特性曲線；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1提供的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)與黑體和傳統(tǒng)低發(fā)射率涂層在同一溫度下輻射譜；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1提供的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)與低發(fā)射率隱身涂層不同溫度的輻射出射度。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1

結(jié)合圖1-圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例1提供一種選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)紅外選擇性熱發(fā)射單元，多個(gè)紅外選擇性熱發(fā)射單元按周期p呈矩陣式排列分布。

每個(gè)紅外選擇性熱發(fā)射單元包括由下到上依次設(shè)置的襯底層、金屬背板、介質(zhì)層和金屬片層，金屬片層包括第一金屬片、第二金屬片、第三金屬片和第四金屬片，第一金屬片、第二金屬片、第三金屬片和第四金屬片按照2*2的陣列設(shè)置在介質(zhì)層上，且第一金屬片、第二金屬片、第三金屬片和第四金屬片的邊長均不相同。

其中，襯底層由Si片制成，襯底層的厚度為0.5mm，金屬背板和所述金屬片層均由金制成，介質(zhì)層材料為損耗性的氮化硅，氮化硅的介電常數(shù)為3.8，損耗角正切為0.025，金屬背板的厚度為0.1μm，介質(zhì)層的厚度為0.19μm，金屬片層的厚度為0.08μm，周期p為5.2μm，第一金屬片的邊長w1為1.21μm，第二金屬片的邊長w2為1.28μm，第三金屬片的邊長w3為1.37μm，第四金屬片的邊長w4為1.45μm。

對本實(shí)施例1中的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)進(jìn)行吸收特性和反射特性的測試，如圖4所示，本實(shí)施例1中的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)滿足紅外隱身的同時(shí)給武器系統(tǒng)提供了高效的散熱窗口，極化角從0°逐漸增加到85°，吸收峰的頻率和幅值大小基本保持不變，該超材料的熱輻射也是極化無關(guān)的。

如圖5所示，當(dāng)溫度T＝445K時(shí)，設(shè)計(jì)的基于超材料的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)、黑體、傳統(tǒng)低發(fā)射率隱身涂層在同一溫度下進(jìn)行輻射，可以看出經(jīng)過頻譜設(shè)計(jì)的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)在3-5μm和8-14μm的輻射能量接近零，滿足雙紅外波段隱身要求。相比傳統(tǒng)低發(fā)射率隱身涂層，頻譜設(shè)計(jì)的突出的優(yōu)勢是在大氣窗口之外給武器裝備提供了高效散熱渠道。圖5輻射譜曲線下面積即為輻射出射度，反映物體的輻射本領(lǐng)。

圖6是不同溫度時(shí)設(shè)計(jì)的選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)低發(fā)射率隱身涂層的輻射出射度，隨溫度升高，選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)的輻射能力迅速增大，且遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)低發(fā)射率隱身涂層。因此，利用選擇性輻射紅外隱身結(jié)構(gòu)比單純低發(fā)射涂層實(shí)現(xiàn)紅外隱身具有更大的優(yōu)勢。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。