CN104726034B - 一种可见‑红外兼容隐身装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可见‑红外兼容隐身装置，属于军事隐身技术领域。该装置包括14层叠层结构，从上至下分别是红外透明封装层1、第一柔性透明基底2、第一透明电极3、活性变色材料层4、吸附有聚电解质的多孔膜载体5、离子储存层6、第二透明电极7、第二柔性透明基底8、第三透明电极9、吸附有电解质的多孔膜载体10、光子晶体层11、金属电极层12、柔性衬底材料13、红外透明封装层1。本发明提供的可见‑红外兼容隐身装置属于柔性装置，具有可弯曲、薄层状结构特征。器件的厚度小于2毫米,各功能层的总厚度小于0.5毫米。该装置可实现可见光全光谱颜色连续可变、对红外发射率调制幅度可达50％左右，在可见‑红外隐身领域具有很大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及军事隐身技术领域，尤其涉及一种可见-红外兼容隐身装置。
背景技术
隐身技术(又称为目标特征信号控制技术)是通过控制目标的信号特征，使其难以被发现、识别和跟踪打击的技术。隐身技术是针对探测技术而言的，主要包括可见光隐身、红外隐身、雷达隐身、激光隐身和声隐身等。随着科学技术的不断进步，各种光电磁探测技术也迅猛发展，传统的作战武器所受到的威胁越来越严重，已经达到了“发现即摧毁”的水平，对隐身技术也提出了更高的要求，多波段兼容隐身已经成为主流。
可见-红外兼容隐身是指材料同时具有可见光和红外隐身性能。传统的可见-红外兼容隐身是通过在低发射的红外隐身涂料中加入着色颜料来实现的，这种方法在特定环境下具有很好的隐身效果，但当环境改变时，其伪装效果就会大打折扣乃至失效，需要重新涂覆。以电致变色为代表的自适应可见-红外隐身技术很好的解决了这一难题。电致变色材料的光学特性(颜色、透明度及反射率等)在外加电场下可以实现可逆的变化,其红外吸收与发射率也可以通过改变电压进行调控,是一种快速、高效及低成本的隐身技术。
现有电致变色隐身器件主要有两大类：反射型器件和透射型器件，反射型器件使用的是金属不透明电极，透射型器件使用的是透明电极。两类电致变色器件都具有一定的自适应隐身能力，但存在的共同问题是其可变颜色还较少，可见光隐身能力不足。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种新型可见-红外兼容隐身装置，用以解决现有电致变色器件可见光隐身能力不足的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种可见-红外兼容隐身装置，该可见-红外兼容隐身装置由电致变色器件20和光子晶体器件30组成，电致变色器件20和光子晶体器件30外使用外透明封装层1整体包覆并热封。
特别地，所述电致变色器件20依次由第一柔性透明基底2、第一透明电极3、活性变色材料4、吸附有聚电解质的多孔膜载体5、离子储存层6和第二透明电极7组成。
特别地，所述光子晶体器件30依次由第二柔性透明基底8、第三透明电极9、吸附有电解质的多孔膜载体10、光子晶体层11、金属电极层12和柔性衬底材料13组成。
特别地，所述红外透明封装层1由具有低红外吸收率的低密度聚乙烯组成,聚合物薄膜的厚度约30μm。
特别地，所述第一透明电极3、第二透明电极7和第三透明电极9为采用热蒸镀、脉冲激光沉积、磁控溅射或离子溅射方法制备的厚度为50-200nm的高红外反射率及高电导率的掺杂半导体栅格。
特别地，所述掺杂半导体为掺锡的氧化铟、掺氟的氧化锡或掺铝的氧化锌。
特别地，所述的活性变色材料4和离子储存层6是电致变色器件的主要功能层，为采用溶液旋涂或电化学方法获得的导电聚合物或无机氧化物薄膜，厚度为500nm-3μm；所述导电聚合物为聚苯胺、聚哆吩、聚毗咯、聚乙撑二氧噻吩及其衍生物，以及它们当中两种或多种的混合物；所述无机氧化物为三氧化钨、五氧化二钒、氧化镍、三氧化钼，以及它们当中两种或多种的混合物。
特别地，所述吸附有聚电解质的多孔膜载体5为厚度20-50μm，孔径500nm-20μm的聚碳酸酯膜、聚偏氯乙烯膜、聚砜膜或聚酞亚胺膜；所述电解质为碳酸亚丙基酯、碳酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯和高氯酸锂混合物，其中碳酸亚丙基酯的质量百分比为35-45％，碳酸乙烯酯质量百分比为35-45％，聚甲基丙烯酸甲酯质量百分比为7-24％，高氯酸锂质量百分比为3-6％。
特别地，所述吸附有电解质的多孔膜载体10为厚度20-50μm，孔径500nm-20μm的聚碳酸酯膜、聚偏氯乙烯膜、聚砜膜、聚酞亚胺膜；所述电解质为溶于戊二腈的六氟磷酸锂，六氟磷酸锂浓度为0.1-0.5mol/L。
特别地，所述第二柔性透明基底8主要起为第二透明电极7和第三透明电极9提供载体的作用。它为厚度20-50μm的聚碳酸酯膜、聚乙烯膜、聚砜膜和聚苯乙烯膜等。
特别地，所述吸附有电解质的多孔膜载体10主要起为电解质提供载体的作用。它为厚度20-50μm，孔径500nm-20μm的聚碳酸酯膜、聚偏氯乙烯膜、聚砜膜、聚酞亚胺膜等。所述电解质为溶于戊二腈的六氟磷酸锂，六氟磷酸锂浓度为0.1-0.5mol/L。
特别地，所述光子晶体层11是光子晶体器件的主要功能层。它是一种二氧化硅-聚二茂铁硅烷复合光子晶体。所述二氧化硅-聚二茂铁硅烷复合光子晶体由指间隙填充了聚二茂铁硅烷的蛋白石结构二氧化硅光子晶体；所述聚二茂铁硅烷是一种高分子聚合物，主链由二茂铁和有机硅相间排列而形成。
特别地，所述金属电极层12起双重作用，它一方面用作电极，同时它的白色也起漫反射作用，为上面的各层提供明亮的背景。它为采用热蒸镀或离子溅射等方法制备的厚度为50-200nm的高红外反射率及高电导率的金属膜,所述金属膜为铂、银或铝，以及它们当中一种或多种的混合物。
特别地，所述柔性衬底材料13是整个装置的基底材料，它为聚酰亚胺类或聚烯烃类柔性聚合物膜。
特别地，所述金属电极层12为采用热蒸镀或离子溅射等方法制备的厚度为50-200nm的高红外反射率及高电导率的金属膜。
特别地，所述金属膜为铂、银或铝，以及它们当中一种或多种的混合物。
一种可见-红外兼容隐身装置的制备方法，包括如下步骤：
(1)在柔性衬底材料13上沉积金属电极层12：在柔性衬底材料13表面采用热蒸镀或离子溅射等方法形成厚度在50nm厚的银金属层作为金属电极；
(2)光子晶体层11的制备：在步骤(1)得到的金属电极层12上制备光子晶体层11，其中光子晶体可通过在二氧化硅微球乳液中生长蛋白石结构二氧化硅光子晶体、然后填充聚二茂铁硅烷得到；
(3)吸附有电解质的多孔膜载体10的制备：将浓度为0.1mol/L六氟磷酸锂溶于戊二腈后，将多孔薄膜浸入聚电解质溶液中形成吸附有聚电解质的多孔膜载体10；
(4)在柔性透明基底上沉积半导体栅格电极：采用热蒸镀、脉冲激光沉积、磁控溅射或离子溅射方法在第一柔性透明基底2的一个表面沉积第一透明电极3、在第二柔性透明基底8的上下两个表面分别沉积第二透明电极7和第三透明电极9，电极厚度均为50nm；
(5)光子晶体器件15的组装：从下至上的顺序将柔性衬底材料13、金属电极层12、光子晶体层11、吸附有电解质的多孔膜载体10、第三透明电极9、第二柔性透明基底8层层压在一起,将金属电极层12和第三透明电极9分别引出导线后使用环氧树脂将器件密封；
(6)活性变色材料层4和离子储存层6的制备：在步骤(4)得到的第一透明电极3和第二透明电极7上制备活性变色材料层4和离子储存层6，通过溶液旋涂或电化学方法在电极上制备；
(7)吸附有聚电解质的多孔膜载体5的制备：将质量百分比为35％的碳酸亚丙基酯、量百分比为35％的碳酸乙烯酯质、质量百分比为24％的聚甲基丙烯酸甲酯、质量百分比为6％的高氯酸锂混合均匀后，将多孔薄膜浸入聚电解质溶液中形成吸附有聚电解质的多孔膜载体5；
(8)电致变色器件20的组装：从下至上的顺序将第二透明电极7、离子储存层6、第二吸附有聚电解质的多孔膜载体5、活性变色材料层4、第一透明电极3、第一柔性透明基底2逐层压在一起；
(9)可见-红外兼容隐身装置的封装：使用外透明封装层1将电致变色器件20和光子晶体器件30包覆起来并热封，从而得到可见-红外兼容隐身装置。
本发明有益效果如下：本发明所提供的装置由透射式电致变色器件14和电场可调谐光子晶体器件15叠层组成。电场可调谐光子晶体器件具有结构色，在电场作用下可实现在在400-600nm范围内的颜色连续可变；将其叠层到透射式电致变色器件之下，两种器件的颜色叠加，就能实现可见光全光谱颜色连续可变。因此，本发明装置在继承电致变色器件发射率可调功能的同时，可见光变色隐身能力大幅提升，装置的可见-红外兼容隐身性能显著提高。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为可见-红外兼容隐身装置的结构示意图；
图2为施加不同电压时装置的反射光谱。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
具体实施方式一
一种可见-红外兼容隐身装置，如图1。从上至下分别是红外透明封装层1、第一柔性透明基底2、第一透明电极3、活性变色材料层4、吸附有聚电解质的多孔膜载体5、离子储存层6、第二透明电极7、第二柔性透明基底8、第三透明电极9、吸附有电解质的多孔膜载体10、光子晶体层11、金属电极层12、柔性衬底材料13、红外透明封装层1。电致变色器件20由第一柔性透明基底2、第一透明电极3、活性变色材料层4、吸附有聚电解质的多孔膜载体5、离子储存层6和第二透明电极7组成。光子晶体器件30由第二柔性透明基底8、第三透明电极9、吸附有电解质的多孔膜载体10、光子晶体层11、金属电极层12和柔性衬底材料13组成。
红外透明封装层1由具有低红外吸收率的低密度聚乙烯组成,聚合物薄膜的厚度在30μm左右。
所述第一柔性透明基底2具有低红外吸收率的低密度聚乙烯组成,聚合物薄膜的厚度在20μm左右。
第一透明电极3、第二透明电极7和第三透明电极9为采用磁控溅射法制备的厚度为50nm的高红外反射率及高电导率的掺杂半导体栅格。优选地，所述掺杂半导体为掺锡的氧化铟。
活性变色材料层4和离子储存层6分别为采用电化学方法获得的三氧化钨和聚苯胺薄膜，厚度均为500nm。
吸附有聚电解质的多孔膜载体5为厚度20μm，孔径500nm的聚碳酸酯膜。所述电解质为碳酸亚丙基酯、碳酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯和高氯酸锂混合物，其中碳酸亚丙基酯的质量百分比为35％，碳酸乙烯酯质量百分比为35％，聚甲基丙烯酸甲酯质量百分比为24％，高氯酸锂质量百分比为6％。
第二柔性透明基底8为厚度20μm的聚碳酸酯膜。
吸附有电解质的多孔膜载体10为厚度20μm，孔径500nm的聚碳酸酯膜。所述电解质为溶于戊二腈的六氟磷酸锂，六氟磷酸锂浓度为0.1mol/L。
光子晶体层11是一种二氧化硅-聚二茂铁硅烷复合光子晶体。
金属电极层12为采用热蒸镀或离子溅射法制备的厚度为50nm的高红外反射率及高电导率的金属膜。优选地，所述金属膜为银金属层。
柔性衬底材料13是整个装置的基底材料，它为聚酰亚胺柔性膜。
具体实施方式二
一种可见-红外兼容隐身装置，如图1。采用13层叠层结构，从上至下分别是红外透明封装层1、第一柔性透明基底2、第一透明电极3、活性变色材料4、吸附有聚电解质的多孔膜载体5、离子储存层6、第二透明电极7、第二柔性透明基底8、第三透明电极9、吸附有聚电解质的多孔膜载体10、光子晶体层11、金属电极层12、柔性衬底材料13、红外透明封装层1。由第一柔性透明基底2、第一透明电极3、活性变色材料4、多孔膜载体5、离子储存层6和第二透明电极7组成电致变色器件14，由第二柔性透明基底8、第三透明电极9、多孔膜载体10、光子晶体层11、金属电极层12和柔性衬底材料13组成光子晶体器件15。
红外透明封装层1由具有低红外吸收率的低密度聚乙烯,聚合物薄膜的厚度在30μm左右。
所述第一柔性透明基底2具有低红外吸收率的低密度聚乙烯组成,聚合物薄膜的厚度在50μm左右。
第一透明电极3、第二透明电极7和第三透明电极9为采用磁控溅射法制备的厚度为200nm的高红外反射率及高电导率的掺杂半导体栅格,所述掺杂半导体为掺锡的氧化铟。
活性变色材料4和离子储存层6分别为采用溶液旋涂方法获得的五氧化二钒和聚苯胺薄膜，厚度为3μm。
吸附有聚电解质的多孔膜载体5为厚度50μm，孔径20μm的聚碳酸酯膜。所述电解质为碳酸亚丙基酯、碳酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯和高氯酸锂混合物，其中碳酸亚丙基酯的质量百分比为45％，碳酸乙烯酯质量百分比为45％，聚甲基丙烯酸甲酯质量百分比为7％，高氯酸锂质量百分比为3％。
第二柔性透明基底8为厚度50μm的聚碳酸酯膜。
吸附有电解质的多孔膜载体10为厚度50μm，孔径20μm的聚碳酸酯膜。所述电解质为溶于戊二腈的六氟磷酸锂，六氟磷酸锂浓度为0.5mol/L。
光子晶体层11是一种二氧化硅-聚二茂铁硅烷复合光子晶体。
金属电极层12为采用热蒸镀或离子溅射法制备的厚度为200nm的高红外反射率及高电导率的金属膜,所述金属膜为铂。
柔性衬底材料13是整个装置的基底材料，它为聚酰亚胺柔性膜。
具体实施方式三
一种可见-红外兼容隐身装置的组装方法，包括如下步骤：
(1)在柔性衬底材料13上沉积金属电极层12：在柔性衬底材料13表面采用热蒸镀或离子溅射等方法形成厚度在50nm厚的银金属层作为金属电极；
(2)光子晶体层11的制备：在步骤(1)得到的金属电极层12上制备光子晶体层11，其中光子晶体可通过在二氧化硅微球乳液中生长蛋白石结构二氧化硅光子晶体、然后填充聚二茂铁硅烷得到；
(3)吸附有电解质的多孔膜载体10的制备：将浓度为0.1mol/L六氟磷酸锂溶于戊二腈后，将多孔薄膜浸入聚电解质溶液中形成吸附有聚电解质的多孔膜载体10；
(4)在柔性透明基底上沉积半导体栅格电极：采用热蒸镀、脉冲激光沉积、磁控溅射或离子溅射方法在第一柔性透明基底2的一个表面沉积第一透明电极3、在第二柔性透明基底8的上下两个表面分别沉积第二透明电极7和第三透明电极9，电极厚度均为50nm；
(5)光子晶体器件15的组装：从下至上的顺序将柔性衬底材料13、金属电极层12、光子晶体层11、吸附有电解质的多孔膜载体10、第三透明电极9、第二柔性透明基底8层层压在一起,将金属电极层12和第三透明电极9分别引出导线后使用环氧树脂将器件密封；
(6)活性变色材料层4和离子储存层6的制备：在步骤(4)得到的第一透明电极3和第二透明电极7上制备活性变色材料层4和离子储存层6，通过溶液旋涂或电化学方法在电极上制备；
(7)吸附有聚电解质的多孔膜载体5的制备：将质量百分比为35％的碳酸亚丙基酯、量百分比为35％的碳酸乙烯酯质、质量百分比为24％的聚甲基丙烯酸甲酯、质量百分比为6％的高氯酸锂混合均匀后，将多孔薄膜浸入聚电解质溶液中形成吸附有聚电解质的多孔膜载体5；
(8)电致变色器件20的组装：从下至上的顺序将第二透明电极7、离子储存层6、第二吸附有聚电解质的多孔膜载体5、活性变色材料层4、第一透明电极3、第一柔性透明基底2逐层压在一起；
(9)可见-红外兼容隐身装置的封装：使用外透明封装层1将电致变色器件20和光子晶体器件30包覆起来并热封，从而得到可见-红外兼容隐身装置。
当对装置施加不同的电压后，装置由反射红光到反射蓝光可逆变化，变化如图2所示。
综上所述，本发明实施例提供了一种新型可见-红外兼容隐身装置，可以实现可见光全光谱颜色连续可变，具有非常好的可见和红外隐身性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可见-红外兼容隐身装置，其特征在于：该可见-红外兼容隐身装置由电致变色器件(20)和光子晶体器件(30)组成，电致变色器件(20)和光子晶体器件(30)外使用红外透明封装层(1)整体包覆并热封；其中,所述电致变色器件(20)依次由第一柔性透明基底(2)、第一透明电极(3)、活性变色材料(4)、吸附有聚电解质的多孔膜载体(5)、离子储存层(6)和第二透明电极(7)组成；所述光子晶体器件(30)依次由第二柔性透明基底(8)、第三透明电极(9)、吸附有电解质的多孔膜载体(10)、光子晶体层(11)、金属电极层(12)和柔性衬底材料(13)组成。
2.如权利要求1所述的可见-红外兼容隐身装置，其特征在于：所述红外透明封装层(1)由具有低红外吸收率的低密度聚乙烯组成,聚合物薄膜的厚度约30μm。
3.如权利要求1所述的可见-红外兼容隐身装置，其特征在于：所述第一透明电极(3)、第二透明电极(7)和第三透明电极(9)为采用热蒸镀、脉冲激光沉积、磁控溅射或离子溅射方法制备的厚度为50-200nm的高红外反射率及高电导率的掺杂半导体栅格；所述掺杂半导体为掺锡的氧化铟、掺氟的氧化锡或掺铝的氧化锌。
4.如权利要求1所述的可见-红外兼容隐身装置，其特征在于：所述的活性变色材料(4)和离子储存层(6)是电致变色器件的主要功能层，为采用溶液旋涂或电化学方法获得的导电聚合物或无机氧化物薄膜，厚度为500nm-3μm；所述导电聚合物为聚苯胺、聚哆吩、聚吡咯、聚乙撑二氧噻吩及其衍生物，以及它们当中两种或多种的混合物；所述无机氧化物为三氧化钨、五氧化二钒、氧化镍、三氧化钼，以及它们当中两种或多种的混合物。
5.如权利要求1所述的可见-红外兼容隐身装置，其特征在于：所述吸附有聚电解质的多孔膜载体(5)为厚度20-50μm，孔径500nm-20μm的聚碳酸酯膜、聚偏氯乙烯膜、聚砜膜或聚酞亚胺膜；所述电解质为碳酸亚丙基酯、碳酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯和高氯酸锂混合物，其中碳酸亚丙基酯的质量百分比为35-45％，碳酸乙烯酯质量百分比为35-45％，聚甲基丙烯酸甲酯质量百分比为7-24％，高氯酸锂质量百分比为3-6％。
6.如权利要求1所述的可见-红外兼容隐身装置，其特征在于：所述吸附有电解质的多孔膜载体(10)为厚度20-50μm，孔径500nm-20μm的聚碳酸酯膜、聚偏氯乙烯膜、聚砜膜、聚酞亚胺膜；所述电解质为溶于戊二腈的六氟磷酸锂，六氟磷酸锂浓度为0.1-0.5mol/L。
7.如权利要求1所述的可见-红外兼容隐身装置，其特征在于：所述金属电极层(12)为采用热蒸镀或离子溅射方法制备的厚度为50-200nm的高红外反射率及高电导率的金属膜。
8.如权利要求7所述的可见-红外兼容隐身装置，其特征在于：所述金属膜为铂、银或铝，以及它们当中一种或多种的混合物。
9.一种可见-红外兼容隐身装置的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)在柔性衬底材料(13)上沉积金属电极层(12)：在柔性衬底材料(13)表面采用热蒸镀或离子溅射方法形成厚度在50nm厚的银金属层作为金属电极；(2)光子晶体层(11)的制备：在步骤(1)得到的金属电极层(12)上制备光子晶体层(11)，其中光子晶体可通过在二氧化硅微球乳液中生长蛋白石结构二氧化硅光子晶体、然后填充聚二茂铁硅烷得到；(3)吸附有电解质的多孔膜载体(10)的制备：将浓度为0.1mol/L六氟磷酸锂溶于戊二腈后，将多孔薄膜浸入聚电解质溶液中形成吸附有聚电解质的多孔膜载体(10)；(4)在柔性透明基底上沉积半导体栅格电极：采用热蒸镀、脉冲激光沉积、磁控溅射或离子溅射方法在第一柔性透明基底(2)的一个表面沉积第一透明电极(3)、 在第二柔性透明基底(8)的上下两个表面分别沉积第二透明电极(7)和第三透明电极(9)，电极厚度均为50nm；(5)光子晶体器件(15)的组装：从下至上的顺序将柔性衬底材料(13)、金属电极层(12)、光子晶体层(11)、吸附有电解质的多孔膜载体(10)、第三透明电极(9)、第二柔性透明基底(8)层层压在一起,将金属电极层(12)和第三透明电极(9)分别引出导线后使用环氧树脂将器件密封；(6)活性变色材料层(4)和离子储存层(6)的制备：在步骤(4)得到的第一透明电极(3)和第二透明电极(7)上制备活性变色材料层(4)和离子储存层(6)，通过溶液旋涂或电化学方法在电极上制备；(7)吸附有聚电解质的多孔膜载体(5)的制备：将质量百分比为35％的碳酸亚丙基酯、质量百分比为35％的碳酸乙烯酯、质量百分比为24％的聚甲基丙烯酸甲酯、质量百分比为6％的高氯酸锂混合均匀后，将多孔薄膜浸入聚电解质溶液中形成吸附有聚电解质的多孔膜载体(5)；(8)电致变色器件(20)的组装：从下至上的顺序将第二透明电极(7)、离子储存层(6)、第二吸附有聚电解质的多孔膜载体(5)、活性变色材料层(4)、第一透明电极(3)、第一柔性透明基底(2)逐层压在一起；(9)可见-红外兼容隐身装置的封装：使用红外透明封装层(1)将电致变色器件(20)和光子晶体器件(30)包覆起来并热封，从而得到可见-红外兼容隐身装置。
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