CN106767168A - 一种选择性辐射红外隐身结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种选择性辐射红外隐身结构，涉及红外隐身技术领域，红外隐身结构包括多个红外选择性热发射单元，多个红外选择性热发射单元按周期p呈矩阵式排列分布；每个红外选择性热发射单元包括由下到上依次设置的衬底层、金属背板、介质层和金属片层，金属片层包括第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片，第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片围绕红外选择性热发射单元的中心间隔90°设置在介质层上。本发明中选择性辐射红外隐身结构用红外超材料的电磁谐振特性实现选择性热辐射，并通过发射频谱设计实现红外隐身技术。

Description

一种选择性辐射红外隐身结构
技术领域
本发明涉及红外隐身技术领域，更具体的涉及一种选择性辐射红外隐身结构。
背景技术
红外隐身技术是通过降低或改变目标的红外辐射特征，从而使敌方红外探测设备难以发现或使其探测能力降低。物体红外辐射能量由斯特藩玻尔兹曼定律表征，W＝εσT4，其中，W为实际物体的辐射出射度，ε为物体的发射率，σ为玻尔兹曼常数，T为物体的热力学温度。可见，降低红外辐射的有效途径有两种，控制发射率和控制温度。目前，低发射率涂层是红外隐身主要技术手段之一，而热辐射与温度的四次方成正比，低发射率涂层阻碍目标通过辐射向外散热，可能会使目标的温度升高，不利于红外隐身，这种影响对高温目标尤为显著。事实上，大气分子以及云、雾、雨、雪等对某些频段的红外辐射具有很强的衰减作用，同时，红外探测器具有特定的频率响应特性，红外探测器的工作频段主要是位于3-5μm中波波段和8-14μm长波波段两个大气透明窗口。所以，理想的红外隐身涂层在大气透明窗口具有低反射率，而在大气透明窗口外具有高的发射率，具有热辐射窗口。然而，自然界中几乎所有材料的红外发射率不具备可控的频率选择特性，如何实现红外选择性辐射一直是各国研究者关注的问题。
为解决上述技术问题，通过发射频谱设计使武器系统在大气窗口外的频段(1.5-3μm，5-8μm)具有高发射率，而在大气窗口内(3-5μm，8-14μm)具有低发射率，武器系统产生的红外热辐射的频段落到大气窗口外的频率范围内，借助大气的吸收实现红外隐身效果。通过发射频谱设计的红外隐身材料不单是通过“堵”的方式，而且在大气窗口外开通了散热窗口，使得红外热辐射从某些设计频段内发射出来并被大气损耗掉，降低温度，进一步增强了红外隐身能力。
根据基尔霍夫定律，在热平衡状态下体系的电磁波吸收系数与辐射系数相等。因此，为了解决上述问题，需要开发选择性吸收的材料。超材料是由人工亚波长结构单元组成的复合结构，其电磁响应特性与结构单元尺寸密切相关。因此，利用红外超材料可以实现选择性辐射，目前已有大量的公开文献报道。但是，具有大气窗口低发射、大气窗口外高发射的选择性发射超材料在红外隐身技术中的应用目前尚未看到公开文献报道。
发明内容
本发明提供一种选择性辐射红外隐身结构，利用红外超材料的电磁谐振特性实现选择性热辐射，并通过发射频谱设计实现红外隐身技术。
具体的，选择性辐射红外隐身结构，包括多个红外选择性热发射单元，多个红外选择性热发射单元按周期p呈矩阵式排列分布；
每个红外选择性热发射单元包括由下到上依次设置的衬底层、金属背板、介质层和金属片层，金属片层包括第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片，第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片按照2*2的阵列设置在介质层上，且第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片的边长均不相同。
优选的，衬底层由Si片制成，衬底层的厚度为0.5mm。
优选的，金属背板和金属片层均由金制成。
优选的，介质层材料为损耗性的氮化硅，氮化硅的介电常数为3.8，损耗角正切为0.025。
优选的，金属背板的厚度为0.1μm，介质层的厚度为0.19μm，金属片层的厚度为0.08μm。
优选的，周期p为5.2μm。
优选的，第一金属片的边长为1.21μm，第二金属片的边长为1.28μm，第三金属片的边长为1.37μm，第四金属片的边长为1.45μm。
本发明具有以下有益效果：
本发明，采用叠加多吸收模的方法，电磁波垂直入射时，大气窗口内(3-5μm，8-14μm)发射率均低于0.1，而大气窗口之外(5-8μm)有一宽带吸波，吸收率大于50％的带宽为1.52μm，满足红外隐身的同时给目标提供了高效的散热窗口。
本发明的选择性辐射红外隐身结构，极化角从0°逐渐增加到85°，吸收峰的频率和幅值大小基本保持不变，该超材料的热辐射是极化无关的。
本发明的选择性辐射红外隐身结构，在不同温度下均能够对黑体的辐射谱进行调制，3-5μm和8-14μm的辐射能量接近零，满足双红外波段隐身要求。
本发明的选择性辐射红外隐身结构，随温度升高，辐射能力迅速增大，辐射出射度远大于传统低发射率隐身涂层，以600K为例，红外超材料与低发射率隐身涂层的辐射出射度分别为7806W/m2、374W/m2，温度达1000K时，红外超材料辐射出射度达到4.88×104W/m2，低发射率隐身涂层的辐射出射度仅为2366W/m2。
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，下面描述中的附图仅仅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提供的选择性辐射红外隐身结构中红外选择性热发射单元结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的选择性辐射红外隐身结构中红外选择性热发射单元三维结构视图；
图3为本发明实施例1提供的选择性辐射红外隐身结构样品的SEM图；
图4为本发明实施例1提供的选择性辐射红外隐身结构电磁波正入射吸收特性曲线和电磁波正入射反射特性曲线；
图5为本发明实施例1提供的选择性辐射红外隐身结构与黑体和传统低发射率涂层在同一温度下辐射谱；
图6为本发明实施例1提供的选择性辐射红外隐身结构与低发射率隐身涂层不同温度的辐射出射度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图1-图3所示，本发明实施例1提供一种选择性辐射红外隐身结构，包括多个红外选择性热发射单元，多个红外选择性热发射单元按周期p呈矩阵式排列分布。
每个红外选择性热发射单元包括由下到上依次设置的衬底层、金属背板、介质层和金属片层，金属片层包括第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片，第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片按照2*2的阵列设置在介质层上，且第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片的边长均不相同。
其中，衬底层由Si片制成，衬底层的厚度为0.5mm，金属背板和所述金属片层均由金制成，介质层材料为损耗性的氮化硅，氮化硅的介电常数为3.8，损耗角正切为0.025，金属背板的厚度为0.1μm，介质层的厚度为0.19μm，金属片层的厚度为0.08μm，周期p为5.2μm，第一金属片的边长w1为1.21μm，第二金属片的边长w2为1.28μm，第三金属片的边长w3为1.37μm，第四金属片的边长w4为1.45μm。
对本实施例1中的选择性辐射红外隐身结构进行吸收特性和反射特性的测试，如图4所示，本实施例1中的选择性辐射红外隐身结构满足红外隐身的同时给武器系统提供了高效的散热窗口，极化角从0°逐渐增加到85°，吸收峰的频率和幅值大小基本保持不变，该超材料的热辐射也是极化无关的。
如图5所示，当温度T＝445K时，设计的基于超材料的选择性辐射红外隐身结构、黑体、传统低发射率隐身涂层在同一温度下进行辐射，可以看出经过频谱设计的选择性辐射红外隐身结构在3-5μm和8-14μm的辐射能量接近零，满足双红外波段隐身要求。相比传统低发射率隐身涂层，频谱设计的突出的优势是在大气窗口之外给武器装备提供了高效散热渠道。图5辐射谱曲线下面积即为辐射出射度，反映物体的辐射本领。
图6是不同温度时设计的选择性辐射红外隐身结构和传统低发射率隐身涂层的辐射出射度，随温度升高，选择性辐射红外隐身结构的辐射能力迅速增大，且远大于传统低发射率隐身涂层。因此，利用选择性辐射红外隐身结构比单纯低发射涂层实现红外隐身具有更大的优势。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种选择性辐射红外隐身结构，其特征在于，包括多个红外选择性热发射单元，多个所述红外选择性热发射单元按周期p呈矩阵式排列分布；
每个所述红外选择性热发射单元包括由下到上依次设置的衬底层、金属背板、介质层和金属片层，所述金属片层包括第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片，所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片按照2*2的阵列设置在所述介质层上，且所述第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片的边长均不相同。
2.根据权利要求1所述的选择性辐射红外隐身结构，其特征在于，所述衬底层由Si片制成，所述衬底层的厚度为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的选择性辐射红外隐身结构，其特征在于，所述金属背板和所述金属片层均由金制成。
4.根据权利要求1所述的选择性辐射红外隐身结构，其特征在于，所述介质层材料为损耗性的氮化硅，所述氮化硅的介电常数为3.8，损耗角正切为0.025。
5.根据权利要求1所述的选择性辐射红外隐身结构，其特征在于，所述金属背板的厚度为0.1μm，所述介质层的厚度为0.19μm，所述金属片层的厚度为0.08μm。
6.根据权利要求1所述的选择性辐射红外隐身结构，其特征在于，所述周期p为5.2μm。
7.根据权利要求1所述的选择性辐射红外隐身结构，其特征在于，所述第一金属片的边长为1.21μm，所述第二金属片的边长为1.28μm，所述第三金属片的边长为1.37μm，所述第四金属片的边长为1.45μm。
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