CN114987004B - 一种气致变红外发射率器件及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种气致变红外发射率器件及其制备方法、应用，该器件包括气致变发射率薄膜，依次包括基底、稀土金属薄膜层和保护层；金属腔体，包括一个通孔、两个进气口和一个排气口；所述通孔位于金属腔体壁面上；两个所述进气口位于金属腔体的一侧壁面上，所述排气口位于与进气口相对的壁面上；反应气体，为氢混合气或者干燥空气，所述氢混合气和干燥空气分别从两个进气口进入金属腔体内，反应后气体从出气口排出；红外透明盖板，尺寸大于所述通孔的尺寸，盖在所述通孔上。本发明提供的器件由气体驱动，非热电器件，故不产生废热。器件由金属腔体、稀土金属薄膜及保护层组成，结构简单，使用方便；耐环境稳定性较强。

Description

一种气致变红外发射率器件及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及功能材料技术领域，尤其是一种气致变红外发射率器件及其制备方法、应用。
背景技术
变发射率器件是一类再外界因素的激励下发射率可发生可逆转变的器件，其核心部分为变发射率材料。该类器件目前已应用于卫星等航天器的智能热控。
在军用伪装领域，传统的静态红外伪装技术无法实现目标与背景红外辐射特征的实时融合，因此其无法适应战场环境的变化。而基于控温的自适应红外伪装技术存在能耗高、结构复杂、易产生废热等缺陷。相比之下，基于变发射率的自适应红外伪装技术则具有结构简单、调控灵活、能耗低等优点。目前，已有的变发射率器件主要有电致、热致、力致等几类，而气致变发射率器件目前还未报道。
发明内容
本发明提供一种气致变红外发射率器件及其制备方法、应用，用于克服现有技术中无法适应战场环境、能耗高、结构复杂、易产生废热等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种气致变红外发射率器件，包括：
气致变发射率薄膜，依次包括基底、稀土金属薄膜层和保护层；所述稀土金属薄膜层的厚度为300～400nm，所述保护层的厚度为5～10nm；
金属腔体，包括一个通孔、两个进气口和一个排气口；所述通孔位于金属腔体壁面上；两个所述进气口位于金属腔体的一侧壁面上，所述排气口位于与进气口相对的壁面上；
反应气体，为氢混合气或者干燥空气，所述氢混合气和干燥空气分别从两个进气口进入金属腔体内，反应后气体从出气口排出；
红外透明盖板，尺寸大于所述通孔的尺寸，盖在所述通孔上。
为实现上述目的，本发明还提出一种如上述所述气致变红外发射率器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：在玻璃层背面粘贴有机玻璃层，得到基底；
S2：在基底的玻璃层上依次沉积稀土金属薄膜层和保护层，得到气致变发射率薄膜；
S3：在金属腔体的一侧设置两个进气口，相对的一侧设有一个排气口，再在另外的壁面上开设一个通孔；
S4：将所述气致变发射率薄膜通过所述通孔放入所述金属腔体内，再用红外透明盖板封住所述通孔，得到气致变红外发射率器件。
为实现上述目的，本发明还提出一种气致变红外发射率器件的应用，将如上述所述气致变红外发射率器件或者上述所述制备方法制备的气致变红外发射率器件应用于军事伪装领域。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明提供的气致变红外发射率器件包括气致变发射率薄膜，依次包括基底、稀土金属薄膜层和保护层；所述稀土金属薄膜层的厚度为100～600nm，所述保护层的厚度为5～20nm；金属腔体，包括一个通孔、两个进气口和一个排气口；所述通孔位于金属腔体壁面上；两个所述进气口位于金属腔体的一侧壁面上，所述排气口位于与进气口相对的壁面上；反应气体，为氢混合气或者干燥空气，所述氢混合气和干燥空气分别从两个进气口进入金属腔体内，反应后气体从出气口排出；红外透明盖板，尺寸大于所述通孔的尺寸，盖在所述通孔上。当氢混合气通入器件中时，保护层可快速吸附氢分子，并使氢分子裂解为氢原子，并将其传输至稀土金属薄膜层，稀土金属与氢反应生成如YH3，由低发射的金属状态转变为半吸收半透过的介质状态，配合高发射率的基底，稀土金属薄膜呈现出红外高发射，整个器件也完成了由低发射到高发射的转变。当向器件中通入干燥空气时，器件内氢气压力降低，YH3将自发分解为YH2和H2。YH2为金属状态，具有较低的发射率，此时，器件又从高发射态回到低发射态。本发明提供的器件由气体驱动，非热电器件，故不产生废热。器件由金属腔体、稀土金属薄膜及保护层组成，结构简单，使用方便；耐环境稳定性较强。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为实施例1提供的气致变红外发射率器件结构图；图中样品指气致变发射率薄膜；
图2为实施例1中气致变发射率薄膜的结构图；
图3为实施例1中气致变红外发射率器件的发射率曲线图；
图4为实施例1中气致变红外发射率器件在两种状态下的热图(背景环境45℃)；左图低发射状态下，右图高发射状态下。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种气致变红外发射率器件，包括：
气致变发射率薄膜，依次包括基底、稀土金属薄膜层和保护层；所述稀土金属薄膜层的厚度为100～600nm，所述保护层的厚度为5～20nm；
金属腔体，包括一个通孔、两个进气口和一个排气口；所述通孔位于金属腔体壁面上；两个所述进气口位于金属腔体的一侧壁面上，所述排气口位于与进气口相对的壁面上；
反应气体，为氢混合气或者干燥空气，所述氢混合气和干燥空气分别从两个进气口进入金属腔体内，反应后气体从出气口排出；
红外透明盖板，尺寸大于所述通孔的尺寸，盖在所述通孔上。
稀土金属薄膜厚度太薄，其金属特性不明显，初始发射率较高；厚度太厚，则与氢反应缓慢，且难以完全反应，导致发射率变化量小。
保护层太薄时，其防氧化性能较差，太厚时，红外透过率低，影响器件发射率变化量。
优选地，所述红外透明盖板为氟化钡镜片、氟化镁镜片和氟化钙镜片中的一种。
优选地，所述基底为玻璃与有机玻璃复合基底。在玻璃层背面粘贴一层有机玻璃以消除玻璃在3～5μm的透射。
优选地，所述基底的厚度为2～6mm。太厚时会使封装困难。
优选地，所述稀土金属薄膜层为钇薄膜、镧薄膜、钐薄膜和钆薄膜中的一种。与氢反应动力学性能好，反应迅速；吸氢前后导电性变化量大，有大幅度变发射率的潜力。
优选地，所述保护层为铑薄膜、钯薄膜、铂薄膜和金薄膜中的一种。容易吸附及脱附氢，催化性能好。
优选地，所述氢混合气为氢气与惰性气体的混合气，氢气的含量≤4％。
优选地，所述稀土金属薄膜层的厚度为320～360nm，所述保护层的厚度为6～8nm。
优选地，所述金属腔体为50mm×50mm×10mm的方形腔体；所述通孔为45mm×45mm的方形通孔。
本发明还提出一种如上述所述气致变红外发射率器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：在玻璃层背面粘贴有机玻璃层，得到基底；
S2：在基底的玻璃层上依次沉积稀土金属薄膜层和保护层，得到气致变发射率薄膜；
S3：在金属腔体的一侧设置两个进气口，相对的一侧设有一个排气口，再在另外的壁面上开设一个通孔；
S4：将所述气致变发射率薄膜通过所述通孔放入所述金属腔体内，再用红外透明盖板封住所述通孔，得到气致变红外发射率器件。
本发明还提出一种气致变红外发射率器件的应用，将如上述所述气致变红外发射率器件或者上述所述制备方法制备的气致变红外发射率器件应用于军事伪装领域。
实施例1
本实施例提供一种气致变红外发射率器件，如图1所示，包括：
气致变发射率薄膜，依次包括基底、钇(Y)薄膜层和铑(Rh)薄膜层，如图2所示；钇薄膜层的厚度为340nm，铑薄膜层的厚度为6nm；
不锈钢腔体，尺寸为50mm×50mm×10mm，壁厚为1mm。包括一个45mm×45mm的方形通孔、两个进气口和一个排气口；通孔位于金属腔体壁面上；两个进气口位于金属腔体的一侧壁面上，排气口位于与进气口相对的壁面上；
4％H2/Ar混合气。
氟化钡镜片，尺寸大于方形通孔的尺寸，盖在该方形通孔上。
本发明还提出一种如上述所述气致变红外发射率器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：在玻璃层背面粘贴2mm厚的亚力克板(PMMA有机玻璃)，得到基底；
S2：通过磁控溅射的方式在基底的玻璃层上依次沉积钇薄膜层和铑薄膜层，厚度分别为340nm及6nm。Y薄膜的溅射功率为80W，沉积气压为0.5Pa。Rh薄膜的溅射功率为35W，沉积气压为1.2Pa。
S3：加工不锈钢腔体，尺寸为50mm×50mm×10mm，壁厚约为1mm。在金属腔体的一侧设置两个进气口，相对的一侧设有一个排气口，再在另外的壁面上开设一个45mm×45mm的方形通孔；
S4：将气致变发射率薄膜通过方形通孔放入不锈钢腔体内，再用氟化钡镜片封住方形通孔，得到气致变红外发射率器件。
本实施例制备的气致变红外发射率器件的发射率曲线如图3所示，由图可知，器件在3-14微米波段具有明显的变发射率效果。其在3-5微米波段发射率变化量为0.279，在8-14微米波段发射率变化量为0.321。
本实施例制备的气致变红外发射率器件在两种状态下的热图(背景环境45℃)如图4所示，由图可知，初始状态(低发射状态)下，器件辐射温度为29.1℃，通入氢氩混合气厚，器件短时间内转变为高发射态，对应辐射温度为36.3℃。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种气致变红外发射率器件，其特征在于，包括：
气致变发射率薄膜，依次包括基底、稀土金属薄膜层和保护层；所述稀土金属薄膜层的厚度为100~600nm，所述保护层的厚度为5~20nm；所述稀土金属薄膜层为钇薄膜、镧薄膜、钐薄膜和钆薄膜中的一种；所述保护层为铑薄膜、钯薄膜、铂薄膜和金薄膜中的一种；
金属腔体，包括一个通孔、两个进气口和一个排气口；所述通孔位于金属腔体壁面上；两个所述进气口位于金属腔体的一侧壁面上，所述排气口位于与进气口相对的壁面上；
反应气体，为氢混合气或者干燥空气，所述氢混合气和干燥空气分别从两个进气口进入金属腔体内，反应后气体从出气口排出；所述氢混合气为氢气与惰性气体的混合气，氢气的含量≤4%；
红外透明盖板，尺寸大于所述通孔的尺寸，盖在所述通孔上；
所述基底为红外不透明高发射率基底，所述基底背面粘贴一层有机玻璃层。
2.如权利要求1所述的气致变红外发射率器件，其特征在于，所述基底的厚度为2~6mm。
3.如权利要求1所述的气致变红外发射率器件，其特征在于，所述稀土金属薄膜层的厚度为320~360nm，所述保护层的厚度为6~8nm。
4. 如权利要求1所述的气致变红外发射率器件，其特征在于，所述金属腔体为50 mm×50 mm×10 mm的方形腔体；所述通孔为45 mm×45 mm的方形通孔。
5.一种如权利要求1~4任一项所述气致变红外发射率器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在玻璃层背面粘贴有机玻璃层，得到基底；
S2：在基底的玻璃层上依次沉积稀土金属薄膜层和保护层，得到气致变发射率薄膜；
S3：在金属腔体的一侧设置两个进气口，相对的一侧设有一个排气口，再在另外的壁面上开设一个通孔；
S4：将所述气致变发射率薄膜通过所述通孔放入所述金属腔体内，再用红外透明盖板封住所述通孔，得到气致变红外发射率器件。
6.一种气致变红外发射率器件的应用，其特征在于，将如权利要求1~4任一项所述气致变红外发射率器件或者权利要求5所述制备方法制备的气致变红外发射率器件应用于军事伪装、红外信息显示、红外目标特性模拟、热管理领域。
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