一種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
【專利說明】 一種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
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于功能薄膜材料技術領域，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】
[0002]隨著隱身技術的不斷發(fā)展，紅外隱身作為其中一種重要的手段，得到了越來越多的關注。紅外隱身，其概念是指消除或減小目標與背景間中遠紅外波段兩個大氣窗口(3.0 μ m?5.0 μ m，8.0 μ m?14.0 μ m)車■射特性的差別。
[0003]目前紅外隱身技術中，常用的手段有兩種:改變目標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。因此降低紅外輻射出射度Μ,實現(xiàn)紅外隱身，理論上可通過降低目標表面溫度或發(fā)射率來實現(xiàn)。在當前的隱身手段中，常見的是在目標表面涂覆低發(fā)射率涂層。
[0005]傳統(tǒng)的紅外低發(fā)射率涂層在整個紅外波段都具有較低的發(fā)射率，覆蓋了紅外探測的窗口波段，但是不具備選擇性低發(fā)射的特點。全波段降低紅外發(fā)射率會影響熱傳導的過程，導致熱量集聚、溫度上升。結合Stefan-Boltzmann定律，溫度的升高導致了紅外福射出射度的增加，增加了可探測性。由此可見傳統(tǒng)的紅外隱身涂層帶來了隱身與散熱的兼容問題。因此，理想的紅外隱身材料應該具備的性能特點是:在紅外探測窗口波段，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，以降低其可探測性；而在非窗口波段的發(fā)射率應盡可能高，使熱量可及時擴散，達到散熱的要求。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，是實現(xiàn)紅外隱身的關鍵。
[0006]在當前階段，研宄人員針對可見光波段的光譜發(fā)射輻射進行調制的研宄日益成熟。應用較多的如太陽能光譜選擇性吸收涂層，這種涂層在太陽能光熱轉換中起著重要作用，對于提高光熱轉換效率，推廣太陽能光熱應用起著重要作用。但是，在紅外波段進行光譜發(fā)射輻射的調控研宄，乃至將具有光譜選擇性低發(fā)射率性能的材料應用于紅外隱身領域的應用還比較少見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服以上【背景技術】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，還相應提供制備工藝簡單、重復性好、設備要求低的前述紅外隱身薄膜的制備方法。
[0008]為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術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光譜的發(fā)射輻射進行調控的薄膜，所述紅外隱身薄膜為多層疊加結構，且多層疊加結構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構；所述多層疊加結構中各膜層的厚度在10nm?900nm之間無規(guī)律(或不均勻)分布，且多層疊加結構中至少有一定數(shù)量(例如一半以上，甚至全部)的膜層的光學厚度接近λ/4;所述λ是指紅外窗口波段內(nèi)的任意波長。各膜層之間一般優(yōu)選通過化學鍵結合進行連接。
[0009]針對選擇性低發(fā)射率紅外隱身薄膜的性能特點，本發(fā)明的上述技術方案提出了一種優(yōu)選以硅片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:材料的透過率(T)、反射率(R)和發(fā)射率(ε )有以下關系:T+R+ ε=1，而本發(fā)明提出的上述技術方案采用的是多層膜結構，所含膜層較多，這使得該紅外隱身薄膜透過率接近為0，因此，反射率(R)和發(fā)射率(ε )的關系，可表示為R+ ε ^l0因此，在某些波段的低發(fā)射率可用高反射率來表示。為了保證在3.0ym?5.0ym和8.0ym?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:使多層膜結構的各層厚度參差不齊，其目的在于確保對應于上述兩個大氣窗口波段內(nèi)的任意波長λ，多層結構中有一定數(shù)量的膜層，其光學厚度比較接近λ/4，以得到對應于波長λ下的高反射率。
[0010]上述的具有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜中，優(yōu)選的:所述高折射率材料層為單晶Ge材料層(H)，所述低折射率材料層為MgF2材料層(L)。更優(yōu)選的:所述單晶Ge材料層的折射率為ηΗ= 3.97?4.02，所述MgF2材料層的折射率為Iu= 1.35?1.39。在本發(fā)明的上述技術方案中，當光線垂直入射時，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Ge材料層和MgF2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中，優(yōu)選的:靠近紅外隱身薄膜的襯底材料設置為高折射率材料層。更優(yōu)選的，所述高折射率材料層和低折射率材料層交替疊加的周期有四個，由內(nèi)到外依次為高折射率材料層H1、低折射率材料層L1、高折射率材料層H2、低折射率材料層L2、高折射率材料層H3、低折射率材料層L3、高折射率材料層H4、低折射率材料層L4。更優(yōu)選的，所述高折射率材料層氏的厚度為480.0± 10.0nm,所述低折射率材料層1^的厚度為235.0 ±10.0nm，所述高折射率材料層!12的厚度為150.0 ±10.0nm,所述低折射率材料層L2的厚度為2 3 0.0 ± 1.0 nm，所述高折射率材料層H 3的厚度為210.0 ±10.0nm，所述低折射率材料層1^3的厚度為800.0 ±10.0nm，所述高折射率材料層H 4的厚度為300.0±10.0nm，所述低折射率材料層1^4的厚度為520.0±10.0nm。前述優(yōu)選的各膜層的結構及厚度是我們根據(jù)薄膜光學理論、光的干涉原理經(jīng)過反復優(yōu)化和實驗后設計得出，當反射率較高時需考慮多光束干涉現(xiàn)象的存在，例如光束干涉現(xiàn)象的條件就包括有兩束光波的相位差恒定、光程差小于波列長度等。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構，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)，因此優(yōu)選采用前述的膜層結構設計方式。
[0012]上述的具有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜中，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的紅外窗口波段實現(xiàn)低發(fā)射，所述紅外隱身薄膜在5.Ομπι?8.Ομπι的非窗口波段實現(xiàn)高發(fā)射。
[0013]作為一個總的技術構思，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:
[0014](I)襯底清洗:準備襯底材料，并對襯底材料進行清洗、干燥；
[0015](2)采用射頻磁控濺射方法在襯底材料上濺射鍍Ge薄膜，通過控制射頻濺射功率和濺射時間得到相應設計厚度的高折射率材料層；
[0016](3)采用射頻磁控濺射方法在高折射率材料層上濺射鍍MgF2薄膜，通過控制射頻濺射功率和濺射時間得到相應設計厚度的低折射率材料層；
[0017](4)重復上述步驟(2)?(3)多個周期，并結合對設計厚度的交替控制，得到有光譜選擇性低發(fā)射率的紅外隱身薄膜。
[0018]上述的制備方法，優(yōu)選的:所述步驟⑴中的襯底材料為硅片，所述清洗時先使用去離子水清洗襯底材料表面雜物，再用無水乙醇浸泡在超聲波清洗儀里清洗。
[0019]上述的制備方法，優(yōu)選的:所述步驟(2)中，濺射鍍Ge薄膜的濺射條件包括:襯底溫度為300.0°C?400.0°C，射頻濺射功率為50.0ff?100.0ff,濺射時間為10.0min?40.0min0
[0020]上述的制備方法，優(yōu)選的:所述步驟(3)中，濺射鍍MgF2