CN114185117A - 一种多波段兼容隐身膜系结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种多波段兼容隐身膜系结构及其制备方法，膜系结构包括重复层、光栅层，重复层包括从内往外依次设置的电介质层和金属层，重复层设置至少两层，电介质层连接于基底层表面，光栅层为周期微纳结构；制备方法包括:在基底材料表面均匀沉积电介质层、金属层和一氧化硅层；在一氧化硅层的表面制备周期性分布的光刻胶层；对光刻胶层以外的一氧化硅层进行处理腐蚀。实现了可见光(0.38μm‑0.78μm)、中远红外波段(3‑5μm和8‑14μm)和激光波长(1.064μm和10.6μm)的兼容隐身，其制作原材料只有三种材料，膜层层数只有5层，结构简单，重量轻、厚度薄，加工制作工艺成熟，易于规模化生产和应用。

Description

一种多波段兼容隐身膜系结构及其制备方法
技术领域
本申请涉及一种多波段兼容隐身膜系结构的制备方法，属于材料与工艺领域。
背景技术
近年来，侦察探测技术已经发展到能够同时利用电磁波的多个波段，包括可见光、激光、红外等波段。随着这些侦察探测能力的提高与复合，只对单一波段隐身的材料已经无法满足现代战争的需要，重要军事目标的生存受到了严重威胁。隐身作为一种重要的对抗措施，目的是要降低目标和背景的辐射对比度或者减弱回波信号。由此产生了红外隐身、激光隐身、雷达隐身等军事需求。
为了能实现良好的多波段隐身效果，需要隐身材料在可见光波段(0.38-0.78μm)表现出与周围背景一致的颜色特征，在中远红外探测波段(3-5μm和8-14μm)具有低发射率(高反射率)，在激光测距或激光目标指示器的工作波长上(1.064μm和10.6μm)具有低反射率。
对于不透明材料而言，低发射率将导致高反射率，不利于激光隐身；而低反射率又会引起高发射率，不利于红外隐身，这成为多波段兼容隐身的一个难点问题。随着激光制导武器的广泛应用，必需解决可见光、激光和红外的多波段兼容隐身问题。同时要实现多波段隐身，其膜系材料通常层数较多，甚至多达20层。所以如何实现可见光、激光和红外多波段兼容隐身，并使膜系材料有较小的厚度，是一个亟待解决的问题。
发明内容
为了实现可见光、激光和红外多波段兼容隐身，本申请提供一种多波段兼容隐身膜系结构。
第一方面，本申请提供一种多波段兼容隐身膜系结构，采用如下的技术方案：
一种多波段兼容隐身膜系结构，包括依次叠加设置的重复层、设置于最外部重复层表面的光栅层，重复层包括从内往外依次设置的电介质层和金属层，重复层设置至少两层，电介质层连接于基底层表面，光栅层为周期性的微纳结构。
通过上述技术方案，本申请的多波段兼容隐身膜层为多层结构，多层结构包括基底，以及在基底层上由内向外依次交替叠加的电介质层和金属层，最外层为具有周期性的微纳结构的光栅层。最外层的设置，使得重复层(电介质层和金属层)依次叠加两层时，即可实现可见光(0.38μm-0.78μm)平均透射率>70％，在3-5μm的平均反射率>88％，在8-14μm的平均反射率>90％，在1.05-1.08μm的最大反射率<10％，在10.55-10.65μm的最大反射率<5％，达到可见光、激光和红外多波段兼容隐身的效果，此时膜系结构有较薄的厚度。当然，重复层(电介质层和金属层)也可进一步叠加多层。
优选的，所述重复层设置两层。
优选的，所述基底材料为PI、PET,、BOPP中的任意一种。
优选的，所述电介质层的材料为ZnS、Al2O3、SiO2、TiO2、Si3N4、ZnSe、PbTe、MgF2、PbF2中的任意一种或多种。
优选的，所述金属层的材料为铝、银、金的任意一种或多种。
当重复层为多层时，由于重复层包括电介质层和金属层，所以会有多个电介质层和多个金属层。多个电介质层可以为相同材质，也可以为不同材质。多个金属层可以为相同材质也可以为不同材质。
可选的，当重复层为两层时，即有两个电介质层和两个金属层，此时：
所述电介质层的材料为ZnS、Al2O3、SiO2、TiO2、Si3N4、ZnSe、PbTe、MgF2、PbF2中的一种或两种。
所述金属层的材料为铝、银、金的任意一种或两种。
优选的，所述光栅层的材料为一氧化硅或碳化硅。
通过上述方案，光栅层材料的选择，一氧化硅膜层在10.6μm激光波长处具有很强的吸收特性，将一氧化硅与ZnS-Al四层膜层膜系相结合，实现了可见光、中远红外波段和激光波长兼容隐身。选择氮化硅膜层材料解决了远红外与10.6μm激光的矛盾，与ZnS-Al四层膜层结合，具有灵活的光控特性，实现了可见光、中远红外波段和激光波长兼容隐身。优选的，所述光栅层的光栅结构的周期在微纳米量级。
优选的，所述光栅层的光栅结构包括多个垂直于金属层的柱体，光栅层的每个柱体的底面为任意形状。
所述光栅层的表面平整。
具体的，光栅层柱体的底面形状可以为圆形、正方形、三角形、五边形、椭圆形等。
优选的，所述光栅层柱体的底面形状为圆形时，光栅层的底面直径为10-25μm，光栅结构的周期常数为30-50μm。
电介质层(1)厚度为100-200nm，金属层(2)厚度为30-50nm，电介质层(3)厚度为100-200nm，金属层(4)厚度为30-50nm，光栅层(5)的厚度为200-3000nm。
优选的，所述光栅层的厚度为200-3000nm。
优选的，所述多波段兼容隐身膜系结构的可见光(0.38μm-0.78μm)平均透射率>70％，在3-5μm的平均反射率>88％，在8-14μm的平均反射率>90％，在1.05-1.08μm的最大反射率<10％，在10.55-10.65μm的最大反射率<5％。
第二方面，本申请提供一种多波段兼容隐身膜系结构的制备方法，采用镀膜法在所述基底层上依次交替沉积ZnS和铝层，最外层为刻蚀加工的一氧化硅层光栅，具体采用如下的技术方案：
多波段兼容隐身膜系结构的制备方法，包括如下步骤:
步骤1:通过磁控溅射法在基底材料表面均匀沉积电介质层、金属层、电介质层、金属层，一氧化硅层；
步骤2:在一氧化硅层的表面涂覆光刻胶，按照预定参数的光栅层周期结构进行曝光显影，得到周期性分布的光刻胶层；
步骤3:通过氢氟酸或硝酸对光刻胶层以外的一氧化硅层进行处理腐蚀，然后剥离光刻胶层，清洗获得光栅层，得到多波段兼容隐身膜系结构。
优选的，所述电介质层、金属层的沉积方法为电子束蒸发镀膜、热蒸发镀膜、磁控溅射镀膜中的任意一种。
所述光刻胶的厚度满足：对光刻胶层以外的一氧化硅层进行处理腐蚀得到光栅层时，光刻胶层仍然能对其覆盖位置的一氧化硅层起到保护作用。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请通过对膜层叠加与一氧化硅光栅结构相结合的方法，解决了可见光、远红外与10.6μm激光的矛盾，并且通过Al/ZnS膜系结构与SiO光栅结构复合，实现了可见光、中远红外、1.06μm和10.6μm激光多波段的兼容隐身，若将其应用在武器装备上，可以有效降低被红外和激光探测发现的概率，保护我军重要军事目标，提高武器装备的战场生存能力；
2.本申请的激光红外多波段兼容隐身薄膜制作原材料只有三种材料，膜层层数只有5层，结构简单，重量轻、厚度薄，加工制作工艺成熟，易于规模化生产和应用；
3.本申请采用湿法刻蚀在光刻胶上完成预定参数的光栅结构，曝光显影后，得到周期性光刻胶结构，形成SiO光栅微结构取代膜层，避免了膜系层数过多带来的弊端；
4.本申请通过对磁控溅射、电子束蒸发镀膜工艺优化，实现对膜层厚度、均匀度的控制，实现更灵活的光谱控制特性。
附图说明
图1为本申请的多波段兼容隐身膜层的结构示意图，其中(a)为光栅层为圆柱的多层微纳结构，(b)为光栅层的底面是正方形的长方体多层微纳结构；
图2为本申请涉及的三层吸收结构的整体加工工艺示意图；
图3为多波段兼容隐身膜层在400nm-1000nm波长范围的透射光谱图；
图4为多波段兼容隐身膜层在400nm-1200nm波长范围的吸收光谱图；
图5为多波段兼容隐身膜层在400nm-1200nm波长范围的反射光谱图；
图6为多波段兼容隐身膜层在2000nm-14000nm波长范围的吸收光谱图；
图7为多波段兼容隐身膜层在2000nm-14000nm波长范围的反射光谱图。
附图标记：1、电介质层；2、金属层；3、电介质层；4、金属层；5、光栅层；6、光刻胶层；7、基底层；8、一氧化硅层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本申请做进一步说明:
实施例1
图1为本申请的可见光、激光、红外多波段兼容隐身膜层的结构示意图。
结合图1(a)，多波段兼容隐身复合结构包括基底层7、膜系结构和光栅层5(圆柱形周期结构)，本实施例中，基底层7的材料为PI薄膜，膜系结构为在基底层7上依次设置的电介质层1、金属层2、电介质层3、金属层4，电介质层1为ZnS膜层1、金属层2为铝膜层、电介质层3为ZnS膜层、金属层4为铝膜层、光栅层5为一氧化硅光栅层。
电介质层1的厚度为200nm，金属层2的厚度为50nm，电介质层3的厚度为150nm，金属层4的厚度为50nm，光栅层5的厚度为2μm。其中，光栅层5为刻蚀加工的圆柱型周期光栅结构。光栅层5的主体材料为一氧化硅，光栅结构的周期在微米量级。光栅层5的结构参数为：周期为30μm，圆柱的直径为20μm，光栅层5的厚度为2μm。利用复合结构替代单一膜系结构，实现了可见光、中远红外、1.06um和10.6um激光等多波段的兼容隐身。
多波段兼容隐身复合结构的加工方法，具体流程如图2所示，包括以下步骤:
本申请还提供了所述多波段兼容隐身的光栅-介质-金属多层膜系结构的制备方法，包括如下步骤:
步骤1:通过磁控溅射法在衬底表面均匀制备电介质层1、金属层2、电介质层3、金属层4、一氧化硅层8，
其中，ZnS薄膜采用射频磁控溅射法，溅射功率为150W，工作气体压强为1.0Pa,溅射时间为30min，沉积速率为23.50nm/min；
Al薄膜采用射频磁控溅射法，溅射功率为100W，工作气体压强为1.0Pa,溅射时间为30min，沉积速率为4.20nm/min。
SiO薄膜采用射频磁控溅射法，溅射功率为100W，工作气体压强为1.0Pa,溅射时间为30min，沉积速率为9.80nm/min；
步骤2:在一氧化硅层的表面涂覆光刻胶，按照预定参数的光栅层5周期结构进行曝光显影，得到周期性分布的光刻胶层6；
步骤3:通过浓度49％氢氟酸对光刻胶层6以外的一氧化硅层8进行处理腐蚀，然后剥离光刻胶层6，清洗获得光栅层5，得到多波段兼容隐身膜系结构。
图3至图7为本申请的可见光、激光、红外多波段兼容隐身膜层的光谱图。从图中分析可得，在可见光(0.38μm-0.78μm)的平均透射率为70％，在3-5μm的平均反射率为88.0％，在8-14μm的平均反射率为92.1％，在1.05-1.08μm的最大反射率为10％，在10.55-10.65μm的最大反射率为4.0％，能够实现中远红外波段(3-5μm和8-14μm)和激光波长(1.064μm和10.6μm)的兼容隐身。
实施例2
与实施例1的不同之处在于：
结合图1(b)，当把图1(a)的光栅层5底面的周期性圆柱结构改变为周期性的底面是正方形的长方体得到图1(b)结构，光栅结构的周期P＝30μm，正方形的边长为20μm，光栅层的高度为2μm。各层厚度分别为:电介质层1的厚度为200nm，金属层2的厚度为50nm，电介质层3的厚度为150nm，金属层4的厚度为50nm，光栅层5的厚度为2μm。
本实施例的膜系结构检测得到：在可见光(0.38μm-0.78μm)的平均透射率为大于72％，在3-5μm的平均反射率为大于90％，在8-14μm的平均反射率为大于92％，在1.05-1.08μm的最大反射率为5％，在10.55-10.65μm的最大反射率为3％，能够实现中远红外波段(3-5μm和8-14μm)和激光波长(1.064μm和10.6μm)的兼容隐身。也很好地实现了可见光、中远红外、1.06μm和10.6μm激光等多波段的兼容隐身。
结合实施例1和实施例2，并结合图1可看出光栅层5的底面为圆形、正方形等形状的多层微纳结构，都可通过该方法加工完成。该加工方法操作简单，加工便捷、在加工过程中调控方便，且可以尽量避免光栅层加工方式和工艺对中间介质层的影响，又可以得到规则的周期结构。
实施例3
与实施例1的不同之处在于：
本实施例中，光栅层5的结构参数为：周期为40μm，圆柱的直径为20μm，光栅层5的厚度为0.8μm。
本实施例的膜系结构检测得到：在可见光(0.38μm-0.78μm)的平均透射率为75.2％，在3-5μm的平均反射率为92％，在8-14μm的平均反射率为91％，在1.05-1.08μm的最大反射率为4.6％，在10.55-10.65μm的最大反射率为3.5％，能够实现中远红外波段(3-5μm和8-14μm)和激光波长(1.064μm和10.6μm)的兼容隐身。
实施例4
与实施例1的不同之处在于：
本实施例中，光栅层5的结构参数为：周期为30μm，圆柱的直径为10μm，光栅层5的厚度为2μm。
本实施例的膜系结构检测得到：在可见光(0.38μm-0.78μm)的平均透射率为73.9％，在3-5μm的平均反射率为96％，在8-14μm的平均反射率为92.3％，在1.05-1.08μm的最大反射率为2.4％，在10.55-10.65μm的最大反射率为3.4％，能够实现中远红外波段(3-5μm和8-14μm)和激光波长(1.064μm和10.6μm)的兼容隐身。
对比例1
与实施例1的不同之处在于：
底层7上依次设置的电介质层1、金属层2、电介质层3、金属层4，一氧化硅层8。
制备方法包括以下步骤：
通过磁控溅射法在衬底表面均匀制备电介质层1、金属层2、电介质层3、金属层4、一氧化硅层8。
本对比例的膜系结构检测得到：在可见光(0.38μm-0.78μm)的平均透射率为70％，在3-5μm的平均反射率为大于88％，在8-14μm的平均反射率为大于90％，在1.05-1.08μm的反射率为大于60％，在10.55-10.65μm的最大反射率为15％，不能实现中远红外波段(3-5μm和8-14μm)和激光波长(1.064μm)的兼容隐身。
应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，在不脱离本申请精神实质的情况下，都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种多波段兼容隐身膜系结构，其特征在于，包括依次叠加设置的重复层、设置于最外部重复层表面的光栅层(5)，重复层包括从内往外依次设置的电介质层和金属层，重复层设置至少两层，电介质层连接于基底层(7)表面，光栅层(5)为周期性的微纳结构。
2.根据权利要求1所述的多波段兼容隐身膜系结构，其特征在于，所述电介质层的材料为ZnS、Al2O3、SiO2、TiO2、Si3N4、ZnSe、PbTe、MgF2、PbF2中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的多波段兼容隐身膜系结构，其特征在于，所述金属层的材料为铝、银、金的任意一种或多种。
4.根据权利要求1所述的多波段兼容隐身膜系结构，其特征在于，所述光栅层(5)的材料为一氧化硅或碳化硅。
5.根据权利要求1所述的多波段兼容隐身膜系结构，其特征在于，所述光栅层(5)的光栅结构的周期在微米量级。
6.根据权利要求1所述的多波段兼容隐身膜系结构，其特征在于，所述光栅层(5)的每个柱体的底面为任意形状。
7.根据权利要求6所述的多波段兼容隐身膜系结构，其特征在于，所述光栅层(5)柱体的底面形状为圆形时，光栅层(5)的底面直径为10-25μm，光栅结构的周期常数为30-50μm。
8.根据权利要求1任一权利要求所述的多波段兼容隐身膜系结构，其特征在于：所述重复层为两层时，基底层(7)表面向外依次为电介质层(1)、金属层(2)、电介质层(3)、金属层(4)，电介质层(1)厚度为100-200nm，金属层(2)厚度为30-50nm，电介质层(3)厚度为100-200nm，金属层(4)厚度为30-50nm，光栅层(5)的厚度为200-3000nm。
9.根据权利要求1所述的多波段兼容隐身膜系结构，其特征在于，所述多波段兼容隐身膜系结构在可见光(0.38μm-0.78μm)的平均透射率>70％，在3-5μm的平均反射率>88％，在8-14μm的平均反射率>90％，在1.05-1.08μm的最大反射率<10％，在10.55-10.65μm的最大反射率<5％。
10.权利要求1-9任一所述的多波段兼容隐身膜系结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:
步骤1:通过磁控溅射法在基底材料表面均匀沉积电介质层(1)、金属层(2)、电介质层(3)、金属层(4)、一氧化硅层(8)；
步骤2:在一氧化硅层的表面涂覆光刻胶，按照预定参数的光栅层(5)周期结构进行曝光显影，得到周期性分布的光刻胶层(6)；
步骤3:通过氢氟酸或硝酸对光刻胶层(6)以外的一氧化硅层(8)进行处理腐蚀，获得光栅层(5)，得到多波段兼容隐身膜系结构。
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