CN104991291A - 8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，该薄膜可对光谱的发射辐射进行调控，实现在8.0μm～14.0μm的红外窗口波段的低发射率，其他波段实现高发射率；该薄膜具有多层膜结构，主要由高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层交替叠加而成。该薄膜的制备方法包括：先进行衬底的清洗；然后采用射频磁控溅射的方法在衬底表面交替镀上高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层；溅射镀层时适当控制衬底温度、射频溅射功率和溅射时间即可。本发明针对常温条件下8.0μm～14.0μm波段的发射辐射的调制，可以解决红外隐身带来的隐身与散热的兼容性问题，具有工艺简单、重复性好、设备要求低等优点。

Description

8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于功能薄膜材料技术领域，尤其涉及一种具有光谱选择性低发射性能的红外隐身薄膜及其制备方法。

背景技术

在现代科技革命中，隐身技术的应用越来越广。在各种隐身手段中，红外隐身是其中重要的手段之一，得到了越来越多的关注。红外探测的窗口波段主要是指3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm波段。其中，当环境温度在常温下时，8.0μm～14.0μm波段则是主要的探测窗口。

红外隐身技术中，红外隐身技术措施大致可以概括为改变红外辐射波段、降低红外辐射强度、调节红外辐射的传输过程三个方面。期中，降低红外辐射强度是最主要的手段，其主要采用在目标表面涂覆热红外隐身涂料，以降低目标表面发射率的方法。但是，根据Stefan-Boltzmann定律：M＝εσT⁴，红外辐射强度同时受到温度T以及发射率ε的影响，仅通过降低目标表面发射率来降低红外辐射强度的方法值得商榷。

上述的红外隐身涂料在整个红外波段都具有较低的发射率，覆盖了红外探测波段，但是不具备选择性低发射的特点。需要指出的是，红外低发射率会影响热传导的过程，导致热量难以扩散，使得温度上升，因此会带来散热的问题。结合Stefan-Boltzmann定律，温度的上升同样是导致红外辐射强度增加的因素，这说明传统的红外隐身涂层带来了隐身与散热的兼容问题，难以达到理想效果。因此，常温下理想的红外隐身材料应该具备的性能特点是：在红外探测的8.0μm～14.0μm波段，材料具有较低的发射率，以降低其可探测性；而在其他波段发射率较高，使因在8.0μm～14.0μm波段的低发射而积累的热量及时扩散。因此，研制具有光谱选择性发射的红外隐身材料，以解决红外隐身与辐射散热的矛盾，是实现常温下红外隐身的关键。

当前阶段，对可见光波段的光谱选择性发射辐射的研究比较多见，最常见的有对控温性能有较大要求的热控材料、太阳能光谱吸收涂层等等。但是在红外波段的选择性发射辐射的研究尚停留在理论研究与设计阶段，实际的制备技术并不多见。将具有光谱选择性发射性能的材料应用于红外隐身领域的研究更是比较少见。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对常温条件下8.0μm～14.0μm波段的发射辐射的调制，克服以上背景技术中提到的红外隐身带来的隐身与散热的兼容性问题，提供一种在8.0μm～14.0μm波段具有低发射率性能、在其他波段具有高发射率性能的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，还相应提供一种工艺简单、重复性好、设备要求低的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，所述红外隐身薄膜可对光谱的发射辐射进行调控，实现在8.0μm～14.0μm的红外窗口波段的低发射率，其他波段实现高发射率，以实现在常温环境下的红外隐身；所述红外隐身薄膜具有多层膜结构，主要由高折射率Ge材料层(H)和低折射率ZnS材料层(L)交替叠加而成。该材料体系与红外隐身材料的其他材料体系相比，折射率之比更大，可以更好地实现特定波段选择性发射的效果，高反射区域可以更好地覆盖8.0μm～14.0μm波段，同时在相同的选择性发射的要求下，该材料体系组成的多层膜的膜层数目少，便于制备。所述多层膜结构中各膜层的厚度呈现无规律分布，多层膜的不均匀无规律分布在多层膜体系中产生电磁带隙，当电磁波的频率落入电磁带隙中时(本发明中即对应于8.0μm～14.0μm的电磁波段)，电磁波无法在其中继续传播，以使得对于前述8.0μm～14.0μm波段内的任意波长λ，多层膜结构中均有一定数量的膜层，其光学厚度接近λ/4，从而实现了在某一波段下的高反射率。

上述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述高折射率Ge材料层的折射率为n_H＝3.97～4.02，所述低折射率ZnS材料层的折射率为n_L＝2.16～2.20。

上述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述红外隐身薄膜具有奇数层的多层膜结构，且多层膜结构的层数不少于7层。更优选的，所述红外隐身薄膜具有共计7层的多层膜结构，且从最里层到最外层依次采用高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层交替布置方式，且最里层和最外层均采用高折射率Ge材料层。更优选的，在前述7层的多层膜结构中，从所述最里层到最外层的各层厚度依次为680.0±10.0nm、1200.0±10.0nm、620.0±10.0nm、1125.0±10.0nm、620.0±10.0nm、985.0±10.0nm、268.0±10.0nm。

经过优化设计后，上述7层的多层膜结构的各膜层厚度设计如下表1所示：

表1：优化设计的膜层结构

上述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述红外隐身薄膜是利用磁控溅射工艺制备得到。

上述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述其他波段是指的5.0μm～8.0μm波段。更优选的，所述红外隐身薄膜在8.0μm～14.0μm红外窗口波段的发射率为0.1以下(优选0.08左右)，所述红外隐身薄膜在5.0μm～8.0μm的非红外窗口波段的发射率达到0.45以上(优选0.45左右)。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底的清洗：首先使用去离子水清洗衬底表面杂物，再用无水乙醇浸泡在超声波清洗仪里清洗(一般不少于10.0min)，最后风干(可用电吹风等各种风干方式)，将衬底固定在样品台上；所用衬底材料优选为硅片；

(2)采用射频磁控溅射的方法在衬底表面交替镀上高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层；

溅射镀高折射率Ge材料层的溅射条件包括：衬底温度为300.0℃～400.0℃，射频溅射功率为50.0W～100.0W，溅射时间为15.0min～45.0min；

溅射镀低折射率ZnS材料层的溅射条件包括：衬底温度为50.0℃～100.0℃，射频溅射功率为100.0W～200.0W，溅射时间为30.0min～40.0min。

本发明的上述制备方法中，用于溅射镀膜的设备为磁控溅射镀膜机。

针对本发明的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜的性能特点，本发明提出了一种优选以硅片为衬底、以Ge层和ZnS层交替叠加组成的多层膜结构的技术方案。需要特别指出的是：根据基尔霍夫定律，材料的透过率(T)、反射率(R)和发射率(ε)有以下关系：

T+R+ε＝1；

而本发明上述优选的技术方案中由于采用了不少于7层的多层膜结构，所含膜层较多，这使得红外隐身薄膜的透过率接近为0；因此，反射率(R)和发射率(ε)的关系可近似表示为R+ε≈1，即在某些波段的低发射率可用高反射率来表示。

基于以上的技术原理，本发明上述技术方案主要是遵循以下技术思路：

(1)当光线垂直入射，高低折射率之比n_H/n_L越大时，反射率则越高，发射率相应越低。本发明中所选用的高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层为经过我们优化筛选后的材料。二者折射率之比较大，这有利于达到最理想的光谱选择性发射的效果。同时，材料的折射率之比n_H/n_L越大，在同样的波段选择性发射的要求下，所需的多层膜的膜层数目越少，便于制备。此外两种材料作为红外波段的窗口材料，与其他材料相比具有更好地化学稳定性、抗氧化性以及热稳定性；两种高低折射率材料的结合，各层间界面结合力强，无明显的应力。

(2)为了保证在8.0μm～14.0μm波段均具有低的发射率，即高反射率，可使膜层相继各层的厚度呈现不均匀分布，其目的在于确保对于前述波段内的任意波长λ，多层膜结构中有一定数量的膜层，其光学厚度接近λ/4，以得到对于波长λ下的高反射率。同时根据薄膜的电磁透过理论，多层膜的不均匀分布在多层膜体系中产生电磁带隙，当电磁波的频率落入电磁带隙中时(本发明中即对应于8.0μm～14.0μm的电磁波段)，电磁波无法在其中继续传播，从而实现了在某一波段下的高反射率。

(3)典型的具有光谱选择反射的膜系结构是由高、低折射率材料搭配组合而成，且优选情况下膜层的最两边膜层均设计为高折射率材料层，中间交替的含有高折射率材料层和低折射率材料层，以便获得同等层数条件下的最高的反射率(最低的发射率)。因此，在本发明上述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜中，靠近Si衬底的最里层和最外层均为高折射率Ge材料层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜采用多层膜结构，膜层由高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层交替叠加而成，该材料体系可较好地实现特定波段下选择性发射的效果；二者均为红外波段的窗口材料，组成多层膜时热匹配较好，残余热应力较小，且各层间界面结合力强，膜层不易脱落。

2.在高温条件下，本发明选用的高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层两种材料均具有较好的热稳定性、机械强度和化学稳定性。

3.本发明所提出的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，通过优化设计后，在8.0μm～14.0μm红外窗口波段的发射率仅为0.08左右，在5.0μm～8.0μm的非窗口波段发射率则达到0.45左右。

总体来说，本发明的具有光谱选择性低发射率性能的红外隐身薄膜，通过膜系优化设计，较好地实现了光谱选择性发射的性能。这就使得该选择性低发射率红外隐身薄膜兼顾了隐身与辐射散热的要求，对更好地实现高温条件下的红外隐身具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中8.0μm～14.0μm波段选择性低发射率红外隐身薄膜的结构示意图；其中白色条纹部分表示高折射率Ge材料层(H)，黑色条纹部分表示低折射率ZnS₂材料层(L)。

图2为本发明实施例1中8.0μm～14.0μm波段选择性低发射率红外隐身薄膜的发射率谱图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种如图1所示本发明的8.0μm～14.0μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，该红外隐身薄膜可对光谱的发射辐射进行调控，实现在8.0μm～14.0μm的红外窗口波段的低发射率，在5.0μm～8.0μm波段实现高发射率。

本实施例的红外隐身薄膜具有共计7层的多层膜结构，其主要由高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层交替叠加而成，从靠近衬底的最里层到最外层依次采用高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层交替布置方式，且最里层和最外层均采用高折射率Ge材料层。本实施例的红外隐身薄膜中，高折射率Ge材料层的折射率为n_H＝3.97～4.02，低折射率ZnS材料层的折射率为n_L＝2.16～2.20。该红外隐身薄膜的衬底为硅片。

本实施例的红外隐身薄膜中，从最里层到最外层的各层厚度依次为680.0nm(高折射率Ge材料第一亚层)、1200.0nm(低折射率ZnS材料第一亚层)、620.0nm(高折射率Ge材料第二亚层)、1125.0nm(低折射率ZnS材料第二亚层)、620.0nm(高折射率Ge材料第三亚层)、985.0nm(低折射率ZnS材料第三亚层)、268.0nm(高折射率Ge材料第四亚层)。

本实施例上述的红外隐身薄膜是利用磁控溅射工艺制备得到，具体包括以下步骤：

(1)衬底的清洗：本实施例所用衬底材料为硅片，溅射前需对所用衬底进行清洗。首先使用去离子水清洗表面杂物，再用无水乙醇浸泡在超声波清洗仪里清洗10.0min，再用电吹风把表面吹干，把硅片衬底放置在样品台上固定好。

(2)采用射频磁控溅射的方法在硅片衬底表面镀第一层高折射率Ge材料层；高折射率Ge材料层的溅射条件如下：衬底温度为300.0℃，射频溅射功率为100.0W，溅射时间为45.0min。

(3)采用射频磁控溅射的方法在高折射率Ge材料层上镀第二层低折射率ZnS材料层；低折射率ZnS材料层的溅射条件如下：衬底温度为100.0℃，射频溅射功率为200.0W，溅射时间为40.0min。

(4)重复上述步骤(2)，其他工艺措施及条件都与步骤(2)相同，仅溅射时间调整为40.0min。

(5)重复上述步骤(3)，其他工艺措施及条件都与步骤(3)相同，仅溅射时间调整为37.0min。

(6)重复上述步骤(2)，其他工艺措施及条件都与步骤(2)相同，仅溅射时间调整为40.0min。

(7)重复上述步骤(3)，其他工艺措施及条件都与步骤(3)相同，仅溅射时间调整为32.0min。

(8)重复上述步骤(2)，其他工艺措施及条件都与步骤(2)相同，仅溅射时间调整为17.0min。

经过上述步骤后最终制备得到的红外隐身薄膜的红外发射率谱图如图2所示，由图2可见，在8.0μm～14.0μm的红外窗口波段发射率仅为0.08左右，在5.0μm～8.0μm的非窗口波段发射率的平均值达到0.45。

实施例2：

一种本发明的8.0μm～14.0μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，该红外隐身薄膜可对光谱的发射辐射进行调控，实现在8.0μm～14.0μm的红外窗口波段的低发射率，在5.0μm～8.0μm波段实现高发射率。

本实施例的红外隐身薄膜具有共计7层的多层膜结构，其主要由高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层交替叠加而成，从靠近衬底的最里层到最外层依次采用高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层交替布置方式，且最里层和最外层均采用高折射率Ge材料层。本实施例的红外隐身薄膜中，高折射率Ge材料层的折射率为n_H＝3.97～4.02，低折射率ZnS材料层的折射率为n_L＝2.16～2.20。该红外隐身薄膜的衬底为硅片。

本实施例的红外隐身薄膜中，从最里层到最外层的各层厚度依次为670.0nm(高折射率Ge材料第一亚层)、1190.0nm(低折射率ZnS材料第一亚层)、630.0nm(高折射率Ge材料第二亚层)、1135.0nm(低折射率ZnS材料第二亚层)、630.0nm(高折射率Ge材料第三亚层)、995.0nm(低折射率ZnS材料第三亚层)、278.0nm(高折射率Ge材料第四亚层)。

本实施例上述的红外隐身薄膜是利用磁控溅射工艺制备得到，具体包括以下步骤：

(1)衬底的清洗：本实施例所用衬底材料为硅片，溅射前需对所用衬底进行清洗。首先使用去离子水清洗表面杂物，再用无水乙醇浸泡在超声波清洗仪里清洗10.0min，再用电吹风把表面吹干，把硅片衬底放置在样品台上固定好。

(2)采用射频磁控溅射的方法在硅片衬底表面镀第一层高折射率Ge材料层；高折射率Ge材料层的溅射条件如下：衬底温度为300.0℃，射频溅射功率为100.0W，溅射时间为44.0min。

(3)采用射频磁控溅射的方法在高折射率Ge材料层上镀第二层低折射率ZnS材料层；低折射率ZnS材料层的溅射条件如下：衬底温度为100.0℃，射频溅射功率为200.0W，溅射时间为39.0min。

(4)重复上述步骤(2)，其他工艺措施及条件都与步骤(2)相同，仅溅射时间调整为42.0min。

(5)重复上述步骤(3)，其他工艺措施及条件都与步骤(3)相同，仅溅射时间调整为38.0min。

(6)重复上述步骤(2)，其他工艺措施及条件都与步骤(2)相同，仅溅射时间调整为42.0min。

(7)重复上述步骤(3)，其他工艺措施及条件都与步骤(3)相同，仅溅射时间调整为34.0min。

(8)重复上述步骤(2)，其他工艺措施及条件都与步骤(2)相同，仅溅射时间调整为18.0min。

由上述步骤最终制备得到的红外隐身薄膜的红外发射率谱图可见，在8.0μm～14.0μm的红外窗口波段发射率在0.1以下，在5.0μm～8.0μm的非窗口波段发射率的平均值达到0.45以上。

Claims (10)

1.一种8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，其特征在于，所述红外隐身薄膜能对光谱的发射辐射进行调控，实现在8.0μm～14.0μm的红外窗口波段的低发射率，其他波段实现高发射率；所述红外隐身薄膜具有多层膜结构，主要由高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层交替叠加而成。

2.根据权利要求1所述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，其特征在于，所述高折射率Ge材料层的折射率为n_H＝3.97～4.02，所述低折射率ZnS材料层的折射率为n_L＝2.16～2.20。

3.根据权利要求1所述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，其特征在于，所述红外隐身薄膜具有奇数层的多层膜结构，且多层膜结构的层数不少于7层。

4.根据权利要求3所述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，其特征在于，所述红外隐身薄膜具有共计7层的多层膜结构，且从最里层到最外层依次采用高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层交替布置方式，且最里层和最外层均采用高折射率Ge材料层。

5.根据权利要求4所述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，其特征在于，从所述最里层到最外层的各层厚度依次为680.0±10.0nm、1200.0±10.0nm、620.0±10.0nm、1125.0±10.0nm、620.0±10.0nm、985.0±10.0nm、268.0±10.0nm。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，其特征在于，所述红外隐身薄膜是利用磁控溅射工艺制备得到。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，其特征在于，所述其他波段是指的5.0μm～8.0μm波段。

8.根据权利要求7所述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，其特征在于，所述红外隐身薄膜在8.0μm～14.0μm红外窗口波段的发射率为0.1以下，所述红外隐身薄膜在5.0μm～8.0μm的非红外窗口波段的发射率达到0.45以上。

9.一种如权利要求1～8中任一项所述的8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底的清洗：首先使用去离子水清洗衬底表面杂物，再用无水乙醇浸泡在超声波清洗仪里清洗，最后风干，将衬底固定；

(2)采用射频磁控溅射的方法在衬底表面交替镀上高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层；

溅射镀高折射率Ge材料层的溅射条件包括：衬底温度为300.0℃～400.0℃，射频溅射功率为50.0W～100.0W，溅射时间为15.0min～45.0min；

溅射镀低折射率ZnS材料层的溅射条件包括：衬底温度为50.0℃～100.0℃，射频溅射功率为100.0W～200.0W，溅射时间为30.0min～40.0min。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述衬底为Si片衬底。