CN111158069A - 一种光谱选择性辐射红外隐身材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光谱选择性辐射红外隐身材料，依次包括基底、氮化铝层和介质层；所述介质层由若干交替排列的介质层A和介质层B组成；所述介质层A的材料为锗、碲、硅中的任一种，所述介质层B的材料为硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钡、氟化钙中的任一种。该材料的制备方法：(1)对基底进行清洗并干燥；(2)采用磁控溅射或流延法，在基底表面制备一层氮化铝层；(3)采用磁控溅射或电子束蒸发，在氮化铝层先沉积一层介质层A，再沉积一层介质B，重复交替沉积介质层A和介质层B，直至设计的层数，完成红外隐身材料的制备。本发明的光谱选择性辐射红外隐身材料，兼顾了低发射率与辐射散热的要求，对更好的实现红外隐身具有重要的意义。

Description

一种光谱选择性辐射红外隐身材料及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料领域，尤其涉及一种光谱选择性辐射红外隐身材料及其制备方法。
背景技术
随着光电技术的迅猛发展，各种侦察技术手段应运而生。隐身技术在现代战争中地位日益提高。在各种隐身技术中，红外隐身占据着十分重要的地位。红外隐身，是指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，红外辐射出射度与温度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出射度的降低，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出射度的增大。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，引起暴露的可能。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。研制具有选择性辐射特点的红外隐身材料，实现低发射率与辐射散热的兼容，代表着红外隐身技术的发展趋势。
近年来，研究人员针对光谱辐射进行调制的研究日益成熟，并在太阳能选择性吸收涂层、民用辐射制冷技术等领域取得了进展。但是，选择性辐射材料在红外隐身领域的应用依旧不成熟。中国专利CN104865617A公开了一种具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜及其制备方法，该红外隐身薄膜由高折射率材料锗和低折射率材料氟化镁复合而成，但是该材料结构和工艺比较复杂，膜层数多且膜较厚，材料内部应力增大，高温环境下容易造成材料结构破坏。因此，研究开发出一种结构简单、具有光谱选择性辐射特点的红外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，提供一种结构简单的光谱选择性辐射红外隐身材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种光谱选择性辐射红外隐身材料，所述红外隐身材料为层状结构，依次包括基底、氮化铝层和介质层；所述介质层由若干交替排列的介质层A和介质层B组成；所述介质层A的材料为锗、碲、硅中的任一种，所述介质层B的材料为硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钡、氟化钙中的任一种。
上述的红外隐身材料，优选的，所述红外隐身材料的层数为4～7层。
上述的红外隐身材料，优选的，所述氮化铝层厚度大于0.5mm，所述介质层A和介质层B的厚度均为100～1000nm。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光谱选择性辐射材料。
上述的红外隐身材料，优选的，所述基底的材料为硅、玻璃、金属(如铝、不锈钢、铜、镍基合金)、高分子材料(如PE、PET)中的任一种。
上述的红外隐身材料，优选的，所述氮化铝层与介质层A接触。
上述的红外隐身材料，优选的，所述氮化铝层在11～14μm波段反射率大于80％，在5～8μm波段发射率大于80％；所述介质层A和介质层B在3～14μm波段的透过率大于50％，在3～14μm波段的发射率低于5％。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的红外隐身材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对基底进行清洗并干燥；
(2)采用磁控溅射或流延法，在基底表面制备一层氮化铝层；
(3)采用磁控溅射或电子束蒸发，在氮化铝层先沉积一层介质层A，再沉积一层介质层B，重复交替沉积介质层A和介质层B，直至设计的层数，完成红外隐身材料的制备。
上述的制备方法，优选的，所述清洗是指先使用去离子水清洗，再浸泡在无水乙醇中超声清洗。
材料的发射率、透过率以及反射率具有如下关系：发射率+透过率+反射率＝1。氮化铝不属于红外透明介质材料，我们利用其本身的发射和反射特性，并结合物理光学原理设计选择性发射红外隐身材料，具体地，本发明利用氮化铝层在11.0～14.0μm波段的高反射特性、在5.0～8.0μm波段的高发射特性以及多层介质膜的几何光学原理实现材料的选择性发射特性，通过结构设计，顶部多层介质膜具有如下光谱特性：5.0μm～8.0μm具有高透过率，3.0μm～5.0μm和8.0μm～11.0μm波段具有高反射率；将多层介质膜置于氮化铝层上部，即可满足红外隐身所要求的窗口波段(3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm)的低发射率，非窗口波段(5.0μm～8.0μm)的高发射率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的光谱选择性辐射红外隐身材料，在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm红外窗口波段发射率均在0.30以下，在5.0μm～8.0μm非窗口波段发射率可达0.75以上，该光谱选择性辐射材料兼顾了低发射率与辐射散热的要求，对更好的实现红外隐身具有重要的意义。
(2)本发明的光谱选择性辐射红外隐身材料的结构简单，便于大面积制备与应用。
(3)本发明选择了耐高温的氮化铝，同时尽可能减少介质膜的层数和总厚度，可以避免高温下因应力问题导致材料结构的破坏。
(4)本发明的光谱选择性辐射红外隐身材料制备工艺简单可行、重复性好、设备要求低。
附图说明
图1为本发明实施例1中的光谱选择性辐射红外隐身材料的结构示意图。
图2为本发明实施例1中制备得到的光谱选择性辐射红外隐身材料在3.0μm～14.0μm波段的发射率谱图。
图3为本发明实施例1中制备得到的光谱选择性辐射红外隐身材料在室温至400℃下的发射率曲线。
图例说明：
1、基底；2、氮化铝层；3、第一锗层；4、氟化镁层；5、第二锗层。
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文发明做更全面、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：
一种本发明的光谱选择性辐射红外隐身材料，结构如图1所示，依次包括硅片基底1、氮化铝层2(厚度1mm)、第一锗层3(厚度313nm)、氟化镁层4(厚度117nm)和第二锗层5(厚度313nm)。
本实施例中的光谱选择性辐射红外隐身材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对硅片先使用去离子水清洗，再浸泡在无水乙醇中超声清洗，干燥；
(2)采用高纯度的氮化铝粉体作为原料，烧结助剂为氧化钇(Y2O3)和Al2Y4O9，将原料与烧结助剂、常规粘结剂和溶剂配制得到流延浆料；利用刮刀流延法得到厚度均匀的流延带，再经冲切、压层、去胶和烧结，在硅片表面制备一层厚度1mm的氮化铝层；
(3)采用电子束蒸发技术，在氮化铝层先沉积一层厚度为313nm的锗层(沉积速率0.2nm/s)，再沉积一层厚度为117nm的氟化镁层(沉积速率0.1nm/s)，再沉积一层厚度为313nm的锗层(沉积速率0.2nm/s)，完成红外隐身材料的制备。
测试本实施例制备得到的光谱选择性辐射红外隐身材料在3.0μm～14.0μm红外发射率，如图2所示，本实施例最终制备得到的光谱选择性辐射红外隐身材料，在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm的红外窗口波段发射率分别为0.28和0.25，而在非窗口波段5.0μm～8.0μm发射率约为0.78。
测试本实施例制备得到的光谱选择性辐射红外隐身材料在室温至400℃下的发射率曲线，如图3所示，不同温度的曲线与室温下的发射率曲线基本重合。
实施例2：
一种本发明的光谱选择性辐射红外隐身材料，依次包括铝片基底、氮化铝层(厚度1.5mm)、第一硅层(厚度345nm)、硫化锌层(厚度227nm)和第二硅层(厚度342nm)。
本实施例中的光谱选择性辐射红外隐身材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)对铝片先使用去离子水清洗，再浸泡在无水乙醇中超声清洗，干燥；
(2)采用磁控溅射法(直流反应溅射，功率200W，沉积温度室温，氮气和氩气的流量比为1:2，沉积气压：0.8Pa)，在铝片表面制备一层厚度1.5mm的氮化铝层；
(3)采用磁控溅射技术，在氮化铝层先沉积一层厚度为345nm的硅膜(射频溅射，功率150W，沉积温度室温，沉积气压0.5Pa)，再沉积一层厚度为227nm的ZnS膜(射频溅射，功率100W，沉积温度室温，沉积气压0.3Pa)，再沉积一层厚度为342nm的硅膜(射频溅射，功率150W，沉积温度室温，沉积气压0.5Pa)，完成红外隐身材料的制备。
测试本实施例制备得到的光谱选择性辐射红外隐身材料在3.0μm～14.0μm红外发射率，其在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm的红外窗口波段发射率分别为0.28和0.26，而在非窗口波段5.0μm～8.0μm发射率平均值约为0.76。

Claims (8)

1.一种光谱选择性辐射红外隐身材料，其特征在于，所述红外隐身材料为层状结构，依次包括基底、氮化铝层和介质层；所述介质层由若干交替排列的介质层A和介质层B组成；所述介质层A的材料为锗、碲、硅中的任一种，所述介质层B的材料为硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钡、氟化钙中的任一种。
2.如权利要求1所述的红外隐身材料，其特征在于，所述红外隐身材料的层数为4～7层。
3.如权利要求1所述的红外隐身材料，其特征在于，所述氮化铝层厚度大于0.5mm，所述介质层A和介质层B的厚度分别为100～1000nm。
4.如权利要求1所述的红外隐身材料，其特征在于，所述基底的材料为硅、玻璃、金属、高分子材料中的任一种。
5.如权利要求1所述的红外隐身材料，其特征在于，所述氮化铝层与介质层A接触。
6.如权利要求1所述的红外隐身材料，其特征在于，所述氮化铝层在11～14μm波段反射率大于80％，在5～8μm波段发射率大于80％；所述介质层A和介质层B在3～14μm波段的透过率大于50％，在3～14μm波段的发射率低于5％。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的红外隐身材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对基底进行清洗并干燥；
(2)采用磁控溅射或流延法，在基底表面制备一层氮化铝层；
(3)采用磁控溅射或电子束蒸发，在氮化铝层先沉积一层介质层A，再沉积一层介质层B，重复交替沉积介质层A和介质层B，直至设计的层数，完成红外隐身材料的制备。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述清洗是指先使用去离子水清洗，再浸泡在无水乙醇中超声清洗。
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