CN110863181A - 一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，通过选择适当介质、双层PCM和金属设计四层膜系，通过电磁场仿真模拟研究材料介电性质组合和膜厚对发射率的影响，获得在双波段具备高调制能力的最优膜系参数，本发明通过阻抗匹配结构和非易失的PCM的结合，提供了一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层的结构设计方法，在复杂的环境温度下，对双层相变材料的红外发射率主动调制涂层施加外加激励主动地调整被伪装目标在3‑5μm和8‑12μm两个大气透射窗口的辐射强度，使目标与周边环境的热辐射功率一致，实现红外隐身；本发明为非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的制备提供理论支持，获得的高性能涂层是热管理涂层的理想候选材料。

Description

一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层
技术领域
本发明涉及非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的结构设计领域，具体为一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层。
背景技术
红外发射率主动调制涂层是通过控制适当的外加激励从而实现灵活、准确调制红外发射率状态的功能涂层。红外发射率主动调制涂层对需要控制目标红外辐射的应用具有极大的影响，如红外伪装涂层、热管理涂层及建筑物的节能装置等领域。理想的红外发射率主动调制涂层材料需要同时满足多项性质指标，具体包括：(1)在3-5μm和8-12μm两个大气透射窗口具备高的发射率调谐量，以匹配不同背景的辐射热特征，实现更好的隐匿。(2)具有非易失性。非易失性是指在撤去激励源情况下可以长时间保持发射率状态的能力。选择非易失性材料，不仅耗能低而且可防止激励源产生的热信号暴露目标。(3)高发射率与低发射率的切换速度快，响应时间短。在复杂多变的环境下，在3-5μm和8-12μm波段内同时进行发射率主动调制，才能实现军事目标最好的隐匿效果。为了进一步推动军事和航空航天技术的发展，研发出综合性能更优异的非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层材料是一个亟待解决的问题。
目前为止，非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的技术难点在于缺少可资借鉴的相关方法和技术，具体表现在：(1)尽管研究者注意到硫系相变材料(PCMs)是一种综合性质优异的非易失红外发射率主动调制涂层材料，但所报道的PCMs基的膜系仅能单独在3-5μm或8-12μm波段里实现较高的发射率调谐量，如何在3-5μm和8-12μm大气透射窗口波段同时实现发射率从低到高的调制尚没有实现。硫系相变材料(PCMs)指的是至少含有一种硫族(第VI主族)元素，在适当的热激励作用下能够从非晶态快速转变为结晶态的合金材料。(2)虽然现有的静态红外发射率涂层可以实现在3-5μm和8-12μm大气透射窗口波段高发射的性能要求，但无法实现在两个大气窗口内发射能力的主动调控。
发明内容
本发明的目的在于同时解决上述两个技术难点，提供一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层。
为实现上述目的，本发明通过以下方案予以实现：
一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，选择适当介质、双层PCM和金属设计四层膜系，其通式为介质层/PCM-1/PCM-2/金属反射镜层/衬底，获得在双波段具备高调制能力的最优膜系参数n、k和d，所述n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚。
优选的，衬底选用单晶Si；介质层选用ZnS材料；PCM-1选用Ge1Sb2Te4材料；PCM-2选用GeTe材料；金属反射镜层选用Ag材料。
优选的，ZnS材料的厚度为1200nm；Ge1Sb2Te4材料的厚度为350nm；GeTe材料的厚度为500nm；Ag材料的厚度为120nm。
优选的，衬底选用单晶Si；介质层选用ZnS材料；PCM-1选用Ge2Sb2Te5材料；PCM-2选用GeTe材料；金属反射镜层选用Ag材料。
优选的，ZnS材料的厚度为1200nm；Ge2Sb2Te5材料的厚度为350nm；GeTe材料的厚度为500nm；Ag材料的厚度为120nm。
优选的，本发明提供的基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，包括以下制备步骤：
S1、溅射实验前衬底预处理，单晶Si衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干；
S2、预溅射，当真空室达到本底真空度后，为了去除不同空位浓度的Ge-Sb-Te靶、Ag靶及ZnS靶材表面的氧化层以及吸附的杂质，靶材在纯Ar条件下预溅射5min；
S3、正式溅射实验，调整各工艺参数为预设的实验条件开始溅射。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，其创造性在于同时解决了如下两个技术难题：(1)尽管研究者注意到PCMs是一种综合性质优异的非易失红外发射率主动调制涂层材料，并已应用于红外发射率主动调制涂层，但所报道的膜系仅能单独在3-5μm或8-12μm波段里实现较高的发射率调谐量，如何在3-5μm和8-12μm大气透射窗口波段里同时实现发射率从低到高的调制尚没有实现。(2)现有的静态红外发射率涂层可以实现在3-5μm和8-12μm大气透射窗口波段里高发射的性能要求，但无法实现在两个大气窗口内发射能力的主动调控。
本发明提供了一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，其创新性在于：(1)基于阻抗匹配原理，首次将不同空位浓度相变材料的叠层结构引入双波段红外发射率主动调制涂层，并利用此特征设计出双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，实现了3-5μm和8-12μm双波段的发射率主动调制。(2)膜系结构简单：相比于光子晶体、超材料及电介质-金属周期结构等膜系而言，本发明设计的双层相变材料的红外发射率主动调制涂层在保证高发射率调制能力的基础上，还具有工艺简单、易于大面积制备的优点。
本发明通过阻抗匹配结构和非易失的PCM的结合(过渡金属和惰性金属)，提供了一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层的结构设计方法。在复杂多变的环境温度下，可以通过对双层相变材料的红外发射率主动调制涂层施加电或热的外加激励主动地调整被伪装目标在3-5μm和8-12μm两个大气透射窗口的辐射强度，使目标与周边环境的热辐射功率一致，从而实现红外隐身的要求；辐射热调控应用则要求涂层的辐射率随环境温度的改变而改变。同时，本发明提供的结构设计方法为非易失的、双波段红外发射率主动调制涂层的制备提供理论支持，同时获得的高性能涂层是热管理涂层的理想候选材料。
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是本发明的四层膜系的概念示意图；
图2是本发明的不同空位浓度的PCM的折射率n；
图3是本发明的不同空位浓度的PCM的消光系数k；
图4是本发明PCM膜厚与发射率的关系图；
图5是本发明介质层膜厚与发射率的关系图；
图6是本发明实施例1的结构示意图；
图7是本发明实施例1的模拟发射光谱图；
图8是本发明实施例2的结构示意图；
图9是本发明实施例2的模拟发射光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-7所示，一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，选择适当介质、双层PCM和金属设计四层膜系，其通式为介质层/PCM-1/PCM-2/金属反射镜层/衬底，通过电磁场仿真模拟研究材料介电性质组合和膜厚对发射率的影响，获得在双波段具备高调制能力的最优膜系参数n、k和d，n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚，各层材料不包括金属反射镜层和衬底。
衬底选用单晶Si(100)；介质层选用ZnS材料；PCM-1选用Ge1Sb2Te4材料；PCM-2选用GeTe材料；金属反射镜层选用Ag材料。
ZnS材料的厚度为1200nm；Ge1Sb2Te4材料的厚度为350nm；GeTe材料的厚度为500nm；Ag材料的厚度为120nm。
一种实施例1中的四层膜系，包括以下制备步骤：
S1、溅射实验前衬底预处理，单晶Si(100)衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干；
S2、预溅射，当真空室达到本底真空度后，为了去除不同空位浓度的Ge-Sb-Te靶、Ag靶及ZnS靶材表面的氧化层以及吸附的杂质，靶材在纯Ar条件下预溅射5min；
S3、正式溅射实验，调整各工艺参数为预设的实验条件开始溅射。
实施例2
参阅图1-5和图8-9，一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，选择适当介质、双层PCM和金属设计四层膜系，其通式为介质层/PCM-1/PCM-2/金属反射镜层/衬底，通过电磁场仿真模拟研究材料介电性质组合和膜厚对发射率的影响，获得在双波段具备高调制能力的最优膜系参数n、k和d，n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚，各层材料不包括金属反射镜层和衬底。
衬底选用单晶Si(100)；介质层选用ZnS材料；PCM-1选用Ge2Sb2Te5材料；PCM-2选用GeTe材料；金属反射镜层选用Ag材料。
ZnS材料的厚度为1200nm；Ge2Sb2Te5材料的厚度为350nm；GeTe材料的厚度为500nm；Ag材料的厚度为120nm。
一种实施例2中的四层膜系，包括以下制备步骤：
S1、溅射实验前衬底预处理，单晶Si(100)衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干；
S2、预溅射，当真空室达到本底真空度后，为了去除不同空位浓度的Ge-Sb-Te靶、Ag靶及ZnS靶材表面的氧化层以及吸附的杂质，靶材在纯Ar条件下预溅射5min；
S3、正式溅射实验，调整各工艺参数为预设的实验条件开始溅射。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，其特征在于：选择适当介质、双层PCM和金属设计四层膜系，其通式为介质层/PCM-1/PCM-2/金属反射镜层/衬底，获得在双波段具备高调制能力的最优膜系参数n、k和d，所述n、k和d分别代表各层材料的折射率、消光系数和膜厚。
2.根据权利要求1所述的一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，其特征在于：所述衬底选用单晶Si；所述介质层选用ZnS材料；所述PCM-1选用Ge1Sb2Te4材料；所述PCM-2选用GeTe材料；所述金属反射镜层选用Ag材料。
3.根据权利要求2所述的一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，其特征在于：所述ZnS材料的厚度为1200nm；所述Ge1Sb2Te4材料的厚度为350nm；所述GeTe材料的厚度为500nm；所述Ag材料的厚度为120nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，其特征在于：所述衬底选用单晶Si；所述介质层选用ZnS材料；所述PCM-1选用Ge2Sb2Te5材料；所述PCM-2选用GeTe材料；所述金属反射镜层选用Ag材料。
5.根据权利要求4所述的一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，其特征在于：所述ZnS材料的厚度为1200nm；所述Ge2Sb2Te5材料的厚度为350nm；所述GeTe材料的厚度为500nm；所述Ag材料的厚度为120nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于双层相变材料的红外发射率主动调制涂层，其特征在于，包括以下制备步骤：
S1、溅射实验前衬底预处理，单晶Si衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干；
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