CN110275228A - 一种隐身薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隐身薄膜及其制备方法，其由内至外依次为基材、内介质层、反射层和外介质层，其中，所述外介质层为具有高折射率的氧化物，其折射率为2.0～3.0；所述内介质层为具有低折射率的氧化物，其折射率为1.0～1.8。在外介质层采用具有高折射率的氧化物，内介质层采用具有低折射率的氧化物，制得解决了隐身薄膜可实现多波段兼容隐身，同时薄膜热力性能好、膜层结合强度高。

Description

一种隐身薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于隐身材料领域，具体涉及一种隐身薄膜及其制备方法。
背景技术
宇宙中任何物体，只要温度超过绝对零度(-273.15℃)便可产生红外辐射。红外探索技术便是通过探测物体所发出的红外辐射来识别物体。对于战场上的机动目标，由于自身的热惯量以及表面材料辐射性质与背景存在差异，使得目标与背景对于外界环境变化(太阳辐射和空气温度变化)的热响应不同，因此造成目标与背景的红外辐射特征存在显著差别。更重要的是机动目标在运动中或者停止后相当长的一段时间内有局部很高热源，造成目标暴露。为了对抗红外探测，红外隐身技术也要不断更新换代。
目前，针对单一波段的红外隐身手段已经非常成熟，并且早已在战场上使用。随着探测和侦探技术的快速发展，各种探测技术竞相应用于现在战场，但只对单一波段的红外隐身手段已经无法满足武器装备的要求，因此，本发明的隐身薄膜可以解决红外多波段和可见光兼容隐身问题。
当前军事目标实现红外和可见光兼容隐身手段主要有两种：一是目标表面喷涂具备可见光与红外兼容隐身特性的复合涂料；二是采用隐身遮障。他们都是选用含有绿色、黄色等着色颜料的低发射率涂层覆于目标表面，形成不同的热图灰度等级，实现与背景斑驳的红外特征相融合，进而达到隐身的目的。采用以上涂层工艺具有成本低，工艺简单等优点，然而，能实现兼容隐身的涂层，其发射率通常偏高，一般在0.5左右。另外，隐身涂料的低发射率特征一般依靠自身的材料属性实现的，自然界中这种材料十分有限。
有关文献研究，ZnS/Ag/ZnS薄膜只是在中远红外波段(3～5μm和8～14μm)拥有高反射率(平均反射率为96.8％)，但不能满足在红外多波段拥有很高的反射率、可见光波段(0.38～0.76μm)拥有高透射率(平均射率为88.2％)，而且ZnS薄膜质地相对较软，热力性能相对较差，其一般在经过湿热试验后，膜层会大面积脱落，所以无法满足实际应用，因此，目前停留在技术研究层面，不能批量生产且实际使用。
发明内容
基于此，本发明提供了一种隐身薄膜，在外介质层采用具有高折射率的氧化物，内介质层采用具有低折射率的氧化物，解决了现有的隐身薄膜无法实现多波段兼容隐身的问题，同时解决了现有的薄膜热力性能差、膜层结合强度不高的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种隐身薄膜，其由内至外依次为基材、内介质层、反射层和外介质层，其中，所述外介质层为具有高折射率的氧化物，其折射率为2.0～3.0；所述内介质层为具有低折射率的氧化物，其折射率为1.0～1.8。。
本发明中的隐身薄膜在内外介质层使用不同的氧化物，在外介质层中使用高折射率的氧化物，作为反射层的增透层和保护层，降低反射层对可见光的反射，同时增加可见光的透射率；在内介质层使用具有低折射率的氧化物，增加反射层对红外多个波段的反射，同时内介质层与反射层和基材的结合力强，可实现物理化学性能稳定、光学性能优异的目的。
进一步的，所述基材为玻璃、高分子材料中的一种，这里的高分子材料可以选自PET、TPU、PVC、BOPP、PI透明薄膜中的一种，本领域技术人员知晓的常规高分子材料薄膜均可以用于本发明的技术方案中。
进一步的，所述具有高折射率的氧化物为ZnO、Nb2O5、Ta2O5、TiO2中的一种，所述外介质层的厚度为10～70nm。
进一步的，所述具有低折射率的氧化物为Al2O3、SiO2中的一种，所述内介质层的厚度为10～70nm。
进一步的，所述反射层由Ag、Al、Au、Cu中的一种或两种以上混合构成，所述反射层的厚度为10～30nm。
内外介质层的作用是抑制反射层对可见光的反射，在可见光波段拥有很高的透射率，当金属的厚度达到30纳米以下，它在可见光波段会有一定的透射率，但吸收率和反射率仍然比较大。根据诱导增透原理，金属薄膜的透射不仅与光学常数(折射率与消光系数)和自身的厚度有关，同时和两侧电介质的导纳(阻抗)也密切相关，因此，本发明中通过选择与金属薄膜导纳相配的电介质达到增透效果。
进一步的，所述隐身薄膜在可见光波段(0.38～0.76μm)平均透射率为85％～90％，最大透过率为96％；
在近红外波段(0.76～1.2μm)平均反射率为72％～76％；
在短波红外波段(1.2～2.5μm)平均反射率为84％～88％；
在中远红外波段(3～5μm和8～14μm)平均反射率为92％～97％。
本发明的另一个目的在于提供一种上述隐身薄膜的制备方法，包括以下步骤：
采用镀膜技术在所述基材上依次沉积内介质层、反射层和外介质层，制得所述隐身薄膜。
优选的，所述镀膜技术为热蒸发镀膜或磁控溅射真空镀膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中的隐身薄膜能实现多波段的兼容隐身，在可见光波段(0.38～0.76μm)拥有高透射率，平均透射率为85％～90％，而且最大透过率可达到96％；在近红外波段(0.76～1.2μm)平均反射率为72％～76％；短波红外波段(1.2～2.5μm)平均反射率为84％～88％；中远红外波段(3～5μm和8～14μm)平均反射率为92％～97％，在多波段兼容方面是现有技术达不到的。
此外，本发明中的隐身薄膜性能可靠，经过附着力、湿热、高低温、盐雾、碱蚀、溶剂溶解性实验测试后，膜层性能满足实际应用需求。
附图说明
图1为本发明中隐身薄膜的膜层结构示意图；
图2为本发明中隐身薄膜应用的原理图。
图中：1-外介质层，2-反射层，3-内介质层，4-基材，10-隐身薄膜，20-迷彩涂层，30-热源目标。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
本实施例中，基材是石英玻璃，外介质层是ZnO，反射层是Ag，内介质层是Al2O3。
内介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在石英玻璃基材上沉Al2O3薄膜，薄膜厚度为15nm，使用Al2O3靶材，溅射功率35W；
反射层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Al2O3内介质层上沉积金属Ag薄膜，薄膜厚度为10nm，使用Ag靶材(纯度为99.99％)，溅射功率18W；
外介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Ag金属层上沉积ZnO薄膜，薄膜厚度为52nm，使用ZnO靶材，溅射功率40W，制得隐身薄膜。
实施例2
本实施例中，基材是石英玻璃，外介质层是ZnO，反射层是Ag，内介质层是SiO2。
内介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在石英玻璃基材上沉SiO2薄膜，薄膜厚度为10nm，使用SiO2靶材，溅射功率52W；
反射层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在SiO2内介质层上沉积金属Ag薄膜，薄膜厚度为10nm，使用Ag靶材(纯度为99.99％)，溅射功率18W；
外介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Ag金属层上沉积ZnO薄膜，薄膜厚度为55nm，使用ZnO靶材，溅射功率40W，制得隐身薄膜。
实施例3
本实施例中，基材是0.02mm厚度的PET透明薄膜，外介质层是Nb2O5，反射层是Al，内介质层是Al2O3。
内介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在PET透明薄膜基材上沉Al2O3薄膜，薄膜厚度为12nm，使用Al2O3靶材，溅射功率35W；
反射层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Al2O3内介质层上沉积金属Al薄膜，薄膜厚度为10nm，使用Al靶材(纯度为99.99％)，溅射功率16W；
外介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Al金属层上沉积Nb2O5薄膜，薄膜厚度为60nm，使用Nb2O5靶材，溅射功率45W，制得隐身薄膜。
实施例4
本实施例中，基材是0.02mm厚度PET透明薄膜，外介质层是Nb2O5，反射层是Al，内介质层是SiO2。
内介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在石英玻璃基材上沉SiO2薄膜，薄膜厚度为10nm，使用SiO2靶材，溅射功率52W；
反射层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在SiO2内介质层上沉积金属Al薄膜，薄膜厚度为10nm，使用Al靶材(纯度为99.99％)，溅射功率16W；
外介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Al金属层上沉积Nb2O5薄膜，薄膜厚度为60nm，使用Nb2O5靶材，溅射功率45W，制得隐身薄膜。
实施例5
本实施例中，基材是0.1mm厚度TPU透明薄膜，外介质层是Ta2O5，反射层是Au，内介质层是Al2O3。
内介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在TPU透明薄膜基材上沉Al2O3薄膜，薄膜厚度为13nm，使用Al2O3靶材，溅射功率35W；
反射层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Al2O3内介质层上沉积金属Au薄膜，薄膜厚度为12nm，使用Ag靶材(纯度为99.99％)，溅射功率20W；
外介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Au金属层上沉积Ta2O5薄膜，薄膜厚度为65nm，使用Ta2O5靶材，溅射功率40W，制得隐身薄膜。
实施例6
本实施例中，基材是0.1mm厚度TPU透明薄膜，外介质层是Ta2O5，反射层是Au，内介质层是SiO2。
内介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在TPU透明薄膜基材上沉SiO2薄膜，薄膜厚度为13nm，使用SiO2靶材，溅射功率52W；
反射层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在SiO2内介质层上沉积金属Au薄膜，薄膜厚度为12nm，使用Au靶材(纯度为99.99％)，溅射功率20W；
外介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Au金属层上沉积Ta2O5薄膜，薄膜厚度为65nm，使用Ta2O5靶材，溅射功率40W，制得隐身薄膜。
实施例7
本实施例中，基材是厚度为0.05mm的PI透明薄膜，外介质层是TiO2，反射层是Cu，内介质层是Al2O3。
内介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在PI透明薄膜基材上沉Al2O3薄膜，薄膜厚度为13nm，使用Al2O3靶材，溅射功率35W；
反射层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Al2O3内介质层上沉积金属Cu薄膜，薄膜厚度为15nm，使用Cu靶材(纯度为99.99％)，溅射功率22W；
外介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Cu金属层上沉积TiO2薄膜，薄膜厚度为53nm，使用Nb2O5靶材，溅射功率42W，制得隐身薄膜。
实施例8
本实施例中，基材是0.05mm的PI透明薄膜，外介质层是TiO2，反射层是Cu，内介质层是SiO2。
内介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在石英玻璃基材上沉SiO2薄膜，薄膜厚度为11nm，使用SiO2靶材，溅射功率52W；
反射层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在SiO2内介质层上沉积金属Cu薄膜，薄膜厚度为15nm，使用Cu靶材(纯度为99.99％)，溅射功率22W；
外介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Cu金属层上沉积TiO2薄膜，薄膜厚度为53nm，使用TiO2靶材，溅射功率42W，制得隐身薄膜。
实施例9
本实施例中，基材是石英玻璃，外介质层是ZnO，反射层是Ag，内介质层是SiO2。
内介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在石英玻璃基材上沉SiO2薄膜，薄膜厚度为10nm，使用SiO2靶材，溅射功率52W；
反射层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在SiO2内介质层上沉积金属Ag薄膜，薄膜厚度为30nm，使用Ag靶材(纯度为99.99％)，溅射功率18W；
外介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Ag金属层上沉积ZnO薄膜，薄膜厚度为70nm，使用ZnO靶材，溅射功率40W，制得隐身薄膜。
实施例10
实施例9
本实施例中，基材是石英玻璃，外介质层是ZnO，反射层是Ag，内介质层是SiO2。
内介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在石英玻璃基材上沉SiO2薄膜，薄膜厚度为70nm，使用SiO2靶材，溅射功率52W；
反射层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在SiO2内介质层上沉积金属Ag薄膜，薄膜厚度为30nm，使用Ag靶材(纯度为99.99％)，溅射功率18W；
外介质层的制备：利用磁控溅射的镀膜方法，在Ag金属层上沉积ZnO薄膜，薄膜厚度为11nm，使用ZnO靶材，溅射功率40W，制得隐身薄膜。
本发明中制得的隐身薄膜结构如图1中所示，由内至外依次为基材4、内介质层3、反射层2和外介质层1。其具体应用时的结构组成如图2中所示，将其应用在具有迷彩涂层20的热源目标30上，将隐身薄膜10覆在迷彩涂层20的表面，从而实现多波段兼容隐身。
测试例：
将实施例1～8制得的隐身薄膜，采用深紫外-可见-近红外分光光度计(岛津DUV-3700)测量膜系的可见光透射率，利用傅里叶红外光谱仪(布鲁克)测量薄膜红外反射率，其各波段性能测试结果如表1中所示：
表1实施例1～8中隐身薄膜隐身性能测试
将实施例1～8分别进行附着力、湿热、高低温、盐雾、碱蚀、溶剂溶解性环境试验适应性测试，其测试结果见表2：
表2实施例1～8中隐身薄膜环境适应性测试
附着力 湿热 高低温 盐雾 碱蚀 溶剂溶解性
实施例1 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷
实施例2 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷
实施例3 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷
实施例4 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷
实施例5 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷
实施例6 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷
实施例7 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷
实施例8 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷 无缺陷
备注：表2所示的环境试验适应性测试，按照GB/T 26332.3-2015《光学和光子学光学薄膜第3部分：环境适应性》标准测得，试验严酷等级为类型D；
由表1、表2结果可以看出，本发明中制得的隐身薄膜能实现多波段的兼容隐身，在可见光波段(0.38～0.76μm)拥有高透射率，平均透射率为85％～90％；在近红外波段(0.76～1.2μm)平均反射率为72％～76％；短波红外波段(1.2～2.5μm)平均反射率为84％～88％；中远红外波段(3～5μm和8～14μm)平均反射率为92％～97％性能优异。
并且本发明中的隐身薄膜经过环境适应性测试后，膜层无起皮、脱落、裂纹、起泡、蚀点、污点、褪色、条纹、闷光等缺陷，可完全满足实际应用中的使用要求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种隐身薄膜，其特征在于，其由内至外依次为基材、内介质层、反射层和外介质层，其中，所述外介质层为具有高折射率的氧化物，其折射率为2.0～3.0；所述内介质层为具有低折射率的氧化物，其折射率为1.0～1.8。
2.如权利要求1所述的隐身薄膜，其特征在于，所述基材为玻璃、高分子材料中的一种。
3.如权利要求2所述的隐身薄膜，其特征在于，所述高分子材料为PET、TPU、PVC、BOPP、PI透明薄膜中的一种。
4.如权利要求1所述的隐身薄膜，其特征在于，所述具有高折射率的氧化物是ZnO、Nb2O5、Ta2O5、TiO2中的一种，所述外介质层的厚度为10nm～70nm。
5.如权利要求1所述的隐身薄膜，其特征在于，所述具有低折射率的氧化物是AI2O3、SiO2中的一种，所述内介质层的厚度为10nm～70nm。
6.如权利要求1所述的隐身薄膜，其特征在于，所述反射层由Ag、Al、Au、Cu中的一种或两种以上混合构成，所述反射层的厚度为10～30nm。
7.如权利要求1所述的隐身薄膜，其特征在于，所述隐身薄膜在可见光波段0.38～0.76μm平均透射率为85％～90％，最大透过率为96％；
在近红外波段0.76～1.2μm平均反射率为72％～76％；
在短波红外波段1.2～2.5μm平均反射率为84％～88％；
在中远红外波段3～5μm和8～14μm平均反射率为92％～97％。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的隐身薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用镀膜技术在所述基材上依次沉积所述内介质层、所述反射层和所述外介质层，制得所述隐身薄膜。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述镀膜技术为热蒸发镀膜或磁控溅射真空镀膜。
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