CN112882227A - 一种红外光谱选择性低发射率材料的设计与制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外光谱选择性低发射率材料的设计与制备方法，以Ge和Si作为高折射率介质材料，以TiO2和SiO2作为低折射率介质材料，以石英基片作为基材，先通过理论设计得到一维异质结光子晶体结构，其周期数为4～6周期，Ge层、TiO2层、Si层和SiO2层的厚度分别为0.60～0.80μm、1.1～1.5μm、0.27～0.32μm和0.67～0.72μm；再采用光学镀膜机(电子束沉积)制备一维异质结光子晶体，各种介质材料的沉积速率分别为0.2～0.5nm/s(Ge)、0.5～0.8nm/s(TiO2)、0.2～0.5nm/s(Si)和0.5～0.8nm/s(SiO2)，石英基片的温度为220～280℃，光学镀膜机沉积腔内的真空度为0.9×10‑3～1.0×10‑3Pa，沉积过程的加速电压及电流分别为5～8kV和22～26mA。本发明有效解决实现目标低红外发射率和散发发热部件热量之间的矛盾，从而大大提高目标的红外隐身效能。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外光谱选择性低发射率材料的设计与制备方法，其属于功能材料技术领域。
背景技术
各种战机、导弹等飞行器由于热动、气动加热会在3～5μm及8～14μm红外大气窗口波段产生远高于背景的红外辐射强度而易被高灵敏度红外探测设备和红外制导武器发现并摧毁，严重威胁到军事目标的安全。因此，降低和削弱敌方红外探测设备效能的红外隐身技术是提高飞行器战时生存能力的重要手段，已引起国内外学者的广泛关注。采用低红外发射率材料是目前公认的可实现目标红外隐身的最行之有效的技术方法。现已报道了纳米复合薄膜、单层(多层)膜结构材料、核壳结构复合材料及复合涂层材料等多种类型的低红外发射率材料。其中低红外发射率涂层材料是实现飞行器红外隐身的主要技术措施之一，具有使用方便、重量轻、不改变飞行器外形结构等突出优点。低红外发射率涂层材料中又以树脂/金属复合涂层材料的发射率最低(可达0.2以下)，工程应用性能最突出，有望实现大规模工程化应用。
然而，现有的低红外发射率材料均不具备红外光谱选择性低发射率特性，即在中远红外波段范围内均是低发射率，因此，其在降低3～5μm和8～14μm两个大气窗口波段红外发射率的同时也降低了其它波段的红外发射率。这就容易导致以热辐射对外传热为主的处于万米高空作业环境下的战机、导弹等飞行器装备发热部件无法有效的散发热量，使热量在部件内积聚而使飞行器的总体红外辐射强度仍然较高，不利于飞行器的红外隐身，且热量的积聚也会大大影响部件的使用寿命。可见，现有低红外发射率材料实现飞行器的低发射率与有效散热间存在明显的矛盾冲突。上述问题已成为目前各类飞行器红外隐身效能在现有基础上实现本质突破的瓶颈，有效解决上述难点问题对于从本质上提高各类飞行器的红外隐身效能具有重要的理论及现实意义。
红外光谱选择性低发射率材料可通过一定的组成结构设计及调控使其在3～5μm和8～14μm两个大气窗口波段同时具有低发射率，以实现目标的红外隐身，而在5～8μm等非大气窗口波段具有高发射率，以实现目标的有效散热，从而可有效解决实现目标低红外发射率和散发发热部件热量之间的矛盾,最终大幅提升各类飞行器的红外隐身效能。一维光子结构(光子晶体)，又称为多层膜结构或多层反射器结构，其具备对入射光产生选择性反射特性，有望应用于武器装备的红外隐身领域。尤其是一维异质结光子结构(ABAB型复合光子结构)可通过适当的结构设计实现在红外区间对多波段的宽带反射，从而实现在3～5μm和8～14μm两个大气窗口波段具有低发射率，而在5～8μm等非大气窗口波段具有高发射率，最终有望解决飞行器等装备低红外发射率与有效散热之间的矛盾。
发明内容
本发明是针对现有技术存在的不足，为实现所制备材料在3～5μm和8～14μm两个大气窗口波段具有低发射率，而在5～8μm等非大气窗口波段具有高发射率，采用一维异质结光子晶体设计及制备方法来实现上述性能要求。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
本发明目的在于提供一种红外光谱选择性低发射率材料的设计与制备方法，具体操作步骤如下：
步骤1、以Ge和Si作为高折射率介质材料，以TiO2和SiO2作为低折射率介质材料，以石英基片(圆片，直径为2.5英寸，厚度为1mm)作为基材；
步骤2、采用光子带隙计算软件(Translight)设计并计算得到一维异质结光子晶体的周期数为4～6周期，Ge层、TiO2层、Si层和SiO2层的厚度分别为0.60～0.80μm、1.1～1.5μm、0.27～0.32μm和0.67～0.72μm，最终设计得到如图1所示的一维异质结光子晶体；
步骤3、再采用光学镀膜机(电子束沉积)在石英基片上制备一维异质结光子晶体，各种介质材料在石英基片上的沉积速率分别为0.2～0.5nm/s(Ge)、0.5～0.8nm/s(TiO2)、0.2～0.5nm/s(Si)和0.5～0.8nm/s(SiO2)，石英基片的温度为220～280℃，光学镀膜机沉积腔内的真空度为0.9×10-3～1.0×10-3Pa，沉积过程的加速电压及电流分别为5～8kV和22～26mA；
步骤4、通过上述步骤可获得如图2所示的红外光谱选择性低发射率一维光子晶体样品。
本发明制备的一维异质结光子晶体用日本分光公司生产的JASCO FTIR-6100傅里叶变换红外光谱仪测试其在3～18μm波长范围内的光谱发射率，样品在3～5μm和8～14μm波长处的平均发射率分别可低至0.060和0.239，而5～8μm波长处的平均发射率则可高至0.562，体现出了优越的光谱选择性低发射率特性，具体光谱发射率测试结果见图3。
本发明制备过程简单、产品成本低、性能突出。通过贴片方式可用于战机、导弹、战舰、坦克及战车等各类装备热端部件表面，可使其具备突出的红外隐身效能。本发明在各类装备的红外隐身化设计及改造领域具有广阔的应用前景，对我国各类装备作战效能的提升具有重要意义。
本发明与现有技术相比，具有以下突出优点和积极效果：
(1)本发明所制备的一维异质结光子晶体具有突出的红外光谱选择性低发射率特性，可有效解决实现目标低红外发射率和散发发热部件热量之间的矛盾。
(2)本发明所制备的一维异质结光子晶体可通过简单的贴片方式应用于战机、导弹、战舰、坦克及战车等各类装备热端部件表面，使其获得突出的红外隐身效果。
(3)本发明制备的一维异质结光子晶体采用了红外非透明性介质材料TiO2，相比传统低红外发射率材料要求原材料为红外透明性材料，拓宽了原材料的选择范围。
附图说明
图1为本发明所设计一维异质结光子晶体的微结构示意图；
图2为本发明所制备的一维异质结光子晶体的实物样品；
图3为本发明所制备的一维异质结光子晶体的光谱发射率。
具体实施方式
实施例1：
以石英基片为基材，设计一维异质结光子晶体的周期数为5周期，Ge层、TiO2层、Si层和SiO2层的厚度分别为0.688μm、1.31μm、0.294μm和0.690μm。采用光学镀膜机制备样品，各种介质材料在石英基片上的沉积速率分别为0.4nm/s(Ge)、0.6nm/s(TiO2)、0.4nm/s(Si)和0.6nm/s(SiO2)，石英基片的温度为250℃，光学镀膜机沉积腔内的真空度为0.9×10-3Pa，沉积过程的加速电压及电流分别为6kV和24mA。通过上述方法可获得红外光谱选择性低发射率光子晶体。所得样品经FTIR测试得到3～5μm和8～14μm波长处的平均发射率分别可低至0.060和0.239，而5～8μm波长处的平均发射率则可高至0.562。
实施例2：
以石英基片为基材，设计一维异质结光子晶体的周期数为4周期，Ge层、TiO2层、Si层和SiO2层的厚度分别为0.60μm、1.1μm、0.27μm和0.67μm。采用光学镀膜机制备样品，各种介质材料在石英基片上的沉积速率分别为0.2nm/s(Ge)、0.5nm/s(TiO2)、0.2nm/s(Si)和0.5nm/s(SiO2)，石英基片的温度为220℃，光学镀膜机沉积腔内的真空度为0.95×10-3Pa，沉积过程的加速电压及电流分别为5kV和22mA。通过上述方法可获得红外光谱选择性低发射率光子晶体。所得样品经FTIR测试得到3～5μm和8～14μm波长处的平均发射率分别可低至0.086和0.285，而5～8μm波长处的平均发射率则可高至0.593。
实施例3：
以石英基片为基材，设计一维异质结光子晶体的周期数为6周期，Ge层、TiO2层、Si层和SiO2层的厚度分别为0.80μm、1.5μm、0.32μm和0.72μm。采用光学镀膜机制备样品，各种介质材料在石英基片上的沉积速率分别为0.5nm/s(Ge)、0.8nm/s(TiO2)、0.5nm/s(Si)和0.8nm/s(SiO2)，石英基片的温度为280℃，光学镀膜机沉积腔内的真空度为0.93×10-3Pa，沉积过程的加速电压及电流分别为8kV和26mA。通过上述方法可获得红外光谱选择性低发射率光子晶体。所得样品经FTIR测试得到3～5μm和8～14μm波长处的平均发射率分别可低至0.056和0.223，而5～8μm波长处的平均发射率则可高至0.553。
以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。
Claims (2)
1.一种红外光谱选择性低发射率材料的设计与制备方法，其特征在于：具体操作步骤如下：
步骤1、以Ge和Si作为高折射率介质材料，以TiO2和SiO2作为低折射率介质材料，以石英基片(圆片，直径为2.5英寸，厚度为1mm)作为基材；
步骤2、采用光子带隙计算软件(Translight)设计并计算得到一维异质结光子晶体的周期数为4～6周期，Ge层、TiO2层、Si层和SiO2层的厚度分别为0.60～0.80μm、1.1～1.5μm、0.27～0.32μm和0.67～0.72μm，最终设计得到一维异质结光子晶体；
步骤3、再采用光学镀膜机(电子束沉积)在石英基片上制备一维异质结光子晶体，各种介质材料在石英基片上的沉积速率分别为0.2～0.5nm/s(Ge)、0.5～0.8nm/s(TiO2)、0.2～0.5nm/s(Si)和0.5～0.8nm/s(SiO2)，石英基片的温度为220～280℃，光学镀膜机沉积腔内的真空度为0.9×10-3～1.0×10-3Pa，沉积过程的加速电压及电流分别为5～8kV和22～26mA；
步骤4、通过上述步骤可获得红外光谱选择性低发射率一维光子晶体。
2.根据权利要求1所述的一种红外光谱选择性低发射率材料的设计与制备方法，其特征在于：上述一维异质结光子晶体是JASCO FTIR-6100傅里叶变换红外光谱仪，测试范围在3～18μm波长范围内的光谱发射率，样品在3～5μm和8～14μm波长处的平均发射率分别低至0.060和0.239，而在5～8μm波长处的平均发射率则高至0.562。
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