CN110737035A - 一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料及其制备方法 - Google Patents

一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料，所述隐身材料包括雷达吸波功能层和叠加在雷达吸波功能层上的选择性红外辐射功能层，其特征在于，所述选择性红外辐射功能层包括聚酰亚胺基底以及交替沉积在所述聚酰亚胺基底表面的、呈周期性图案的银薄膜层和锗薄膜层；所述雷达吸波功能层为多层结构，所述多层结构由下至上依次包括导电层、底部泡沫介质层、频率选择表面层和顶部泡沫介质层。本发明还相应提供一种上述隐身材料的制备方法。本发明的隐身材料可实现3.0μm‑5.0μm和8.0μm‑14.0μm波段具有低发射率，在5.0μm‑8.0μm波段具有高发射率，同时在8.0GHz‑18.0GHz具有低反射率。

Description

一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于功能材料领域，尤其涉及一种隐身材料及其制备方法。
背景技术
随着多波段探测技术的迅速发展，可见光、红外或者雷达等单波段隐身材料已经不能满足装备的隐身需求。为了降低装备被发现的可能性，发展红外与雷达兼容隐身材料是隐身技术发展的必然趋势。
红外隐身是消除或减小目标与背景间中远红外波段两个大气窗口(3.0μm～5.0μm，8.0μm～14.0μm)辐射特性的差别。目前，低发射率红外隐身材料的使用仍旧是红外隐身最主要的方式。传统的红外低发射率材料在整个红外波段都具有低发射率，覆盖了红外探测的3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm波段。根据Stefan-Boltzmann定律：M＝εσT4，红外辐射强度与温度T和发射率ε相关。传统的低发射率材料主要通过降低发射率来实现红外辐射强度的降低，以此实现红外隐身。但是，依据Stefan-Boltzmann定律，目标的红外辐射特性与温度密切相关。温度的升高同样会导致辐射强度的增大。对传统低发射率材料来说，红外全波段的低发射率会降低目标通过辐射进行散热的效率，导致目标温度的迅速上升，进而导致目标红外辐射特性的增强。因此，兼具低发射率和辐射降温性能的选择性辐射材料是红外隐身材料的发展趋势。具体来说：在红外窗口3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm波段，材料具有低发射率以避免被侦查探测；在非窗口5.0μm～8.0μm波段，材料具有高发射率用以辐射降温。从降发射率和降温两方面出发，降低目标的红外辐射特征，从而实现红外隐身。对于雷达隐身，是减少入射到材料表面雷达波的反射信号。然而，由于红外隐身要求的在窗口波段低吸收与雷达隐身要求的微波高吸收特性相矛盾，发展红外与雷达兼容的隐身材料难度很大。
目前，专利号为201110052236.6的中国专利、专利号为201310078127.0的中国专利、专利号为201610767391.9的中国专利和专利号为201610330732.6的中国专利通过材料结构设计等方法分别公开了几种红外与雷达兼容隐身材料及其制备方法，理论上实现了红外与雷达兼容隐身。但是上述专利在红外波段的隐身是从降低红外全波段发射率的途径来实现，未考虑全波段低发射带来的散热效率低的问题，造成重新暴露的可能。
因此，研究开发出一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料及其制备方法，该材料兼顾红外低发射率与辐射散热的要求，有利于更好的实现红外与雷达兼容隐身。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料，所述隐身材料包括雷达吸波功能层和叠加在雷达吸波功能层上的选择性红外辐射功能层，所述选择性红外辐射功能层包括聚酰亚胺基底以及交替沉积在所述聚酰亚胺基底表面的、呈周期性图案的银薄膜层和锗薄膜层；所述雷达吸波功能层为多层结构，所述多层结构由下至上依次包括导电层、底部泡沫介质层、频率选择表面层和顶部泡沫介质层。
上述隐身材料中，雷达吸波功能层由两层不同厚度的泡沫介质层和频率选择表面层组成，质量轻、原材料来源广泛、成本低。本发明中，泡沫介质层优选为聚甲基丙烯酰亚胺。
上述隐身材料中，优选的，所述银薄膜层和锗薄膜层的总层数为4-10层，且与所述聚酰亚胺基底接触的为银薄膜层。按照上述设定，红外光才能实现选择性辐射而雷达波能穿过上层红外选择性辐射层。
上述隐身材料中，优选的，所述银薄膜层的厚度为10-50nm，所述锗薄膜层的厚度为300-700nm。本发明中膜层厚度的改变或层数改变，均有可能使得本发明中得到的材料的光谱特性偏离本发明预设的目标，控制各层的厚度控制在上述范围内，可以得到效果更好的选择性红外辐射功能层。
上述隐身材料中，优选的，所述银薄膜层和锗薄膜层的周期性图案是指呈正方形阵列分布的图案，所述正方形的边长为2.8-3mm，相邻正方形之间的间距为0.2-0.5mm。本发明中，呈正方形阵列分布的图案对本发明效果的发挥有很重要的影响，一方面需要保证选择性红外辐射功能层的作用的发挥，另一方面还要保证光的透过以使雷达吸波功能层发挥作用，上述周期性图案的上设置可以兼具上述多个功能，以更好的实现红外与雷达兼容隐身。更优选的，上述正方形的边长为3mm，相邻正方形之间的间距为0.2mm，上述更优选的方案综合性能相对更优异。
上述隐身材料中，优选的，所述底部泡沫介质层的厚度为1.2-2mm，所述顶部泡沫介质层的厚度为0.2-0.6mm。上述厚度的限定，可以保证雷达吸波功能层具有好的吸波效果，减少入射到材料表面雷达波的反射信号。
上述隐身材料中，优选的，所述频率选择表面层由多个正方形阵列而成，所述正方形的边长为7-9mm，相邻正方形之间的间距为1.5-2.5mm，方阻为30Ω/□-50Ω/□。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用物理气相沉积法在聚酰亚胺基底表面交替沉积银薄膜层和锗薄膜层，得到选择性红外辐射功能层；
(2)利用激光刻蚀制备频率选择表面层；并采用粘结剂将导电层、底部泡沫介质层、频率选择表面层和顶部泡沫介质层粘合成整体，得到雷达吸波功能层；
(3)采用粘结剂将选择性红外辐射功能层和雷达吸波功能层粘合成整体，即得到选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料。
上述制备方法中，优选的，所述物理气相沉积法为电子束蒸发法或者磁控溅射法。
上述制备方法中，优选的，所述聚酰亚胺基底在沉积前进行清洗，清洗先使用去离子水清洗，再浸泡在无水乙醇中超声清洗。
本发明中，将上述选择性红外辐射功能层叠加在上述雷达吸波功能层上，光可以透过选择性红外辐射功能层达到雷达吸波功能层，可实现3.0μm-5.0μm和8.0μm-14.0μm波段具有低发射率，在5.0μm-8.0μm波段具有高发射率，同时在8.0GHz-18.0GHz具有低反射率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的选择性红外辐射隐身功能层，通过结构设计，可实现在3.0μm-5.0μm和8.0μm-14.0μm红外窗口波段发射率可低至0.24和0.44，在5.0μm-8.0μm非窗口波段发射率可达0.85以上，该选择性红外辐射隐身功能层兼顾了红外低发射率与辐射散热的要求，同时在8.0GHz-18.0GHz具有低反射率，有利于更好的实现红外与雷达兼容隐身。
2、本发明的选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料结构简单、轻质、厚度薄，而且材料来源广泛，成本低廉。
3、本发明的选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料的加工制作工艺非常简单，操作方便，易于规模化生产和应用。
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为实施例1中的选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料的结构示意图。
图2为实施例1中制备得到的选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料在3.0μm-14.0μm波段的发射率谱图。
图3为实施例1中制备得到的选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料在8.0GHz-18.0GHz波段的雷达反射率谱图。
图例说明：
1、选择性红外辐射功能层；2、雷达吸波功能层。
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、试剂、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：
如图1所示，一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料，由选择性红外辐射功能层1和雷达吸波功能层2复合组成。选择性红外辐射功能层1包括聚酰亚胺基底以及在聚酰亚胺基底上交替沉积的、呈周期性图案的4层银薄膜层和锗薄膜层，四层薄膜层的厚度依次为40nm、610nm、10nm、340nm；雷达吸波功能层2依次由导电层Al、1.2mm厚的底部泡沫介质层、频率选择表面层和0.2mm厚的顶部泡沫介质层叠加组成，频率选择表面层的方阻为35Ω/□。
本实施例的选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料的制备方法包括以下步骤：
(1)采用电子束蒸发法在聚酰亚胺基底表面交替沉积上述厚度的、呈周期性图案的银薄膜层和锗薄膜层，得到选择性红外辐射功能层1。上述银薄膜层和锗薄膜层的周期性图案是指呈正方形阵列分布的图案，正方形的边长为2.8mm，相邻正方形之间的间距为0.2mm。
(2)采用激光刻蚀制备一层频率选择表面层，频率选择表面层的单元图案的中间部分刻蚀掉形成多个正方形阵列的图形，其中，正方形的边长为7mm，相邻正方形之间的间距为1.5mm。
(3)采用粘结剂将导电层Al、1.2mm厚的底部泡沫介质层、频率选择表面层和0.2mm厚的顶部泡沫介质粘合成整体，得到雷达吸波功能层2。
(4)采用粘结剂将选择性红外辐射功能层1和雷达吸波功能层2粘合成整体，即得到选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料。
根据本实施例制备得到的选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料，测试其在3.0μm-14.0μm波段的红外发射率和8.0GHz-18.0GHz波段的雷达反射率，结果分别如图2和图3所示。由图2可知，在3.0μm-5.0μm和8.0μm-14.0μm的红外窗口波段发射率分别为0.24和0.44左右，而在非窗口波段5.0μm-8.0μm发射率平均值约为0.85；由图3可知，在8.0GHz-16.0GHz波段的雷达反射率均可小于-8dB，可以较好的实现选择性红外辐射与雷达吸波兼容隐身的功能。
实施例2：
一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料，由选择性红外辐射功能层1和雷达吸波功能层2复合组成。选择性红外辐射功能层1包括聚酰亚胺基底以及在聚酰亚胺基底上交替沉积的、呈周期性图案的6层银薄膜层和锗薄膜层，6层薄膜层的厚度依次为40nm、500nm、12nm、360nm、10nm、300nm；雷达吸波功能层2依次由导电层Al、1.6mm厚的底部泡沫介质层、频率选择表面层和0.4mm厚的顶部泡沫介质层叠加组成，频率选择表面层的方阻为50Ω/□。
本实施例的选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料的制备方法包括以下步骤：
(1)采用电子束蒸发法在聚酰亚胺基底表面交替沉积上述厚度的、呈周期性图案的银薄膜层和锗薄膜层，得到选择性红外辐射功能层1。上述银薄膜层和锗薄膜层的周期性图案是指呈正方形阵列分布的图案，正方形的边长为3mm，相邻正方形之间的间距为0.5mm。
(2)采用激光刻蚀制备一层频率选择表面层，频率选择表面层的单元图案的中间部分刻蚀掉形成多个正方形阵列的图形，其中，正方形的边长为9mm，相邻正方形之间的间距为2mm。
(3)采用粘结剂将导电层Al、1.6mm厚的底部泡沫介质层、频率选择表面层和0.4mm厚的顶部泡沫介质层粘合成整体，得到雷达吸波功能层2。
(4)采用粘结剂将选择性红外辐射功能层1和雷达吸波功能层2粘合成整体，即得到选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料。
根据本实施例制备得到的选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料，测试其在3.0μm-14.0μm波段的红外发射率和8.0GHz-18.0GHz波段的雷达反射率。本实施例制备得到的兼容隐身材料在3.0μm-5.0μm和8.0μm-14.0μm的红外窗口波段发射率分别为0.26和0.47左右，而在非窗口波段5.0μm-8.0μm发射率平均值约为0.83；在8.0GHz-16.0GHz波段的雷达反射率均可小于-8dB，可以较好的实现选择性红外辐射与雷达吸波兼容隐身的功能。

Claims (8)

1.一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料，所述隐身材料包括雷达吸波功能层和叠加在雷达吸波功能层上的选择性红外辐射功能层，其特征在于，所述选择性红外辐射功能层包括聚酰亚胺基底以及交替沉积在所述聚酰亚胺基底表面的、呈周期性图案的银薄膜层和锗薄膜层；所述雷达吸波功能层为多层结构，所述多层结构由下至上依次包括导电层、底部泡沫介质层、频率选择表面层和顶部泡沫介质层。
2.根据权利要求1所述的隐身材料，其特征在于，所述银薄膜层和锗薄膜层的总层数为4-10层，且与所述聚酰亚胺基底接触的为银薄膜层。
3.根据权利要求1所述的隐身材料，其特征在于，所述银薄膜层的厚度为10-50nm，所述锗薄膜层的厚度为300-700nm。
4.根据权利要求1所述的隐身材料，其特征在于，所述银薄膜层和锗薄膜层的周期性图案是指呈正方形阵列分布的图案，所述正方形的边长为2.8-3mm，相邻正方形之间的间距为0.2-0.5mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的隐身材料，其特征在于，所述底部泡沫介质层的厚度为1.2-2mm，所述顶部泡沫介质层的厚度为0.2-0.6mm。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的隐身材料，其特征在于，所述频率选择表面层由多个正方形阵列而成，所述正方形的边长为7-9mm，相邻正方形之间的间距为1.5-2.5mm，方阻为30Ω/□-50Ω/□。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用物理气相沉积法在聚酰亚胺基底表面交替沉积银薄膜层和锗薄膜层，得到选择性红外辐射功能层；
(2)利用激光刻蚀制备频率选择表面层；并采用粘结剂将导电层、底部泡沫介质层、频率选择表面层和顶部泡沫介质层粘合成整体，得到雷达吸波功能层；
(3)采用粘结剂将选择性红外辐射功能层和雷达吸波功能层粘合成整体，即得到选择性红外辐射材料和雷达吸波兼容隐身材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积法为电子束蒸发法或者磁控溅射法。
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