CN115220134B - 一种疏水红外低发射镜面低反射材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外隐身领域，具体涉及一种疏水红外低发射镜面低反射材料及其制备方法。本发明通过把表面微/纳结构的疏水性及低反射特性与金属材料本身的低发射率特性相结合，改变薄膜的厚度，调控薄膜的疏水性及发射率特性，降低镜面反射，使其镜面反射率≤0.1，红外发射率≤0.63，从而同时实现兼具疏水性的红外低发射镜面低反射特性，有效改善了当前红外隐身材料的全方位、全天候红外隐身效果，以解决当前红外隐身材料不能兼具低发、低反和防污导致红外隐身性能降低的问题。并且所用材料成本低廉、便于大量采购，且制备工艺简单、便于大规模的制备。

Description

一种疏水红外低发射镜面低反射材料及其制备方法

技术领域

本发明属于红外隐身领域，具体涉及一种疏水红外低发射镜面低反射材料及其制备方法。

背景技术

红外探测技术广泛应用在各类红外制导、红外瞄准、红外识别系统及武器装备，红外探测技术的迅速发展给红外隐身技术提出了巨大的挑战。因此，如何提高飞行器的红外隐身性能降低其可探测性，实现“全方位”、“全天候”红外隐身具有十分重要的意义。

红外低发射率材料是红外隐身材料体系中研究应用最为广泛的材料之一。其中，红外低发射率薄膜由于其简单的制备方法和良好的可扩展性引起了国内外许多学者的兴趣。然而，低发射率材料的红外发射率特性还会对太阳、地面或其他外界热源的入射辐射呈现强烈的定向反射影响红外隐身性能，而且在长期的户外使用过程中，薄膜很容易被灰尘和污渍污染，大大降低了其红外隐身效果。因此，考虑到实际应用环境，灰尘污染和环境热辐射对目标的红外低可探测性具有综合性的影响，平衡“低发”“低反”和“防污”三个方面的矛盾有着重要的研究意义。解决上述问题可通过提供一种兼具疏水特性的红外低发射镜面低反射材料解决。

然而当前红外隐身材料并没有实现兼具疏水、低发射率和镜面低反射率的多功能材料。由于其跨学科的性质，疏水材料常用于材料的清洁，而红外辐射特性常用于材料的隐身，这种多功能材料的实现存在着很大的挑战。基于疏水原理，有两种方法可以改善材料的疏水性：一种是降低材料的表面能，另一种是构建表面的微纳结构。使用低表面能聚合物有机化合物来修饰材料表面并实现超疏水性能已被广泛报道。然而，用于改性的聚合物有机化学品，如PDMS、PVF、PTFE等，具有显著的红外吸收，因此无法满足红外隐身要求。构建表面的微纳结构可以显著改善高表面能材料的疏水性，飞秒激光蚀刻和逐层组装技术可以制备微米和纳米不同粗糙度的疏水结构。然而，激光刻蚀和逐层组装技术复杂，制作成本较高。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，为解决当前红外隐身材料不能兼具低发、低反和防污导致红外隐身性能降低的问题，本发明提供了一种疏水红外低发射镜面低反射材料及其制备方法，通过将基底表面的微/纳结构和金属的低发射率特性相结合，并控制其厚度从而实现材料的疏水、低反射率和低发射率。一种疏水红外低发射镜面低反射材料，其镜面反射率≤0.1，红外发射率≤0.63，为厚度200nm-3700nm的单层薄膜材料，薄膜的一面具有疏水的微/纳结构。

进一步的，所述单层薄膜材料为红外发射率≤0.25的金属低发射率材料。

进一步的，所述金属低发射率材料为铝。

进一步的，所述单层薄膜材料为680nm厚的铝膜，以进一步实现整体材料的超疏水性能。

上述疏水红外低发射镜面低反射材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.选用具有超疏水性能的微/纳结构疏水基底，将其清洁。

步骤2.首先根据选用的金属低发射率材料种类确定相应的厚度从而调节其辐射特性满足红外发射率≤0.63，镜面反射率≤0.1；然后采用电子束蒸发，在步骤1清洁后的疏水基底表面制备一层厚度200nm-3700nm的金属低发射率材料，即单层薄膜材料。

步骤3.将步骤2所得单层薄膜材料从疏水基底上剥离即得红外发射率≤0.63的疏水红外低发射镜面低反射材料。

进一步的，所述超疏水性能的微/纳结构基底为生物疏水基底，如荷叶。

进一步的，所述荷叶作为超疏水性能的微/纳结构基底时，采用碳化荷叶的方式脱模。具体为200℃真空碳化20小时，再清洗。

要理解本发明的原理首先要了解辐射特性的定义及疏水的定义。辐射定义：物体的发射率又称为辐射率以及发射系数。以黑体的辐射能量为参照，物体本身的辐射能量与相同温度下黑体辐射出的能量的比值称为物体的发射率。通常材料本身的发射率受诸多因素的影响，其中包括材料表面的绝对温度，表面粗糙度，材料所含杂质等。发射率是波长与温度的函数，不同种类材料的发射率变化性质不同，通常情况下非金属材料的发射系数随表面温度的升高而降低，金属材料的发射系数会随着表面温度的升高而升高，与金属材料相比非金属材料的发射率通常较高。

在发射率的测量中，发射率等于实际值与标准值的比，其定义式为：

其中，ε(T)指某一温度下材料的发射率，D(T)为所测量材料在相同温度下的辐射度，D_B(T)指代黑体该在温度下的辐射度。根据基尔霍夫定律，对于表面红外不透明样品或透过率很低的样品，可得：/>

R为反射率、ε为发射率。目前常用的红外探测的反射率定义为方向-半球光谱反射率/>

如图1所示，它表示反射到所有立体角的能量与产生这一反射的/>

方向的入射能量之比。

镜面反射是指反射波有确定方向的反射；其反射波的方向与反射平面的法线夹角(反射角)，与入射波方向与该反射平面法线的夹角(入射角)相等，且入射波、反射波，及平面法线同处于一个平面内。但是当材料的表面比较粗糙，在光线入射时，在反射角方向检测到的反射能量较低，就呈现了镜面低反射。目前针对镜面反射所提出的常用的计算测量方法为双向反射分布函数BRDF，BRDF表示了不同入射角条件下，物体表面在任意观测角的反射特性，是描述目标表面的光反射特性的确定性函数。不同入射角条件下其对应的反射率表示为双向光谱反射率

如图2所示，入射光谱从/>

方向入射到一个表面上，该能量的一部分被反射到/>

方向，在方向/>

就存在了一部分辐射能量，反射总量是周围整个半球圆表面的一切从入射方向/>

的入射能力所产生的反射能量的总和。双向光谱反射率是/>

方向的反射光谱能量与产生这一反射从/>

方向被单位微元所映射的每单位面积、单位波长的能量之比。

通过对方向光谱反射率和双向光谱反射率的定义的研究，可以理解红外探测是基于方向光谱反射率，探测的是整个半球方向的辐射能量，为了减小目标被探测的可能性，就要减小目标在整个半球内的辐射能量，即实现低的发射率。环境热辐射是基于双向光谱反射率，探测的是目标表面的镜面反射率，通过镜面反射的信号探测目标的位置，所以要减少目标环境热辐射就要减小目标的镜面反射率。

疏水的定义一般用接触角来描述，目前，研究者们通常用液体在固体表面可以取得的静态接触角(Contact angle，CA，θ)大小来表征固体材料的润湿性。静态接触角的定义为：如图3所示，在平衡状态条件下，在固-液-气三相交界处分别对固体和液体表面做切线，两条切线所形成的夹角称之为静态接触角θ。以水滴为例，按照水滴在不同材料表面可以取得的静态接触角大小不同，固体材料可以分为以下几类：当水接触角小于90°，称这种材料为亲水材料。当水滴在固体表面极易铺展，呈现的水接触角小于5°时，我们称这种材料为超亲水材料。当水接触角大于90°，称之为疏水材料。当水滴在固体表面呈现完美的圆形形状时，可以获得的接触角大于150°时，我们把这类材料称之为超疏水材料。根据Cassie-Baxter公式cosθ＝R_fcosθ₀-f_LA(R_fcosθ₀+1)，式中θ₀表示固体表面的固有静态接触角，θ是具有粗糙度的实际表面的接触角，f_LA是液滴下液-气界面与整个结构的面积百分比，Cassie-Baxter模型如图4所示。这也就解释了通过建立表面的微/纳结构，增大气液界面占整个结构的百分比，亲水表面可以变成疏水表面。

常见的传统金属在拥有优异的低发射率特性的同时具有极高的镜面反射，且金属的高熔点，使其具有高的表面能，难以实现疏水特性。材料复刻了基底表面的微/纳米结构，通过形成薄膜表面的微/纳结构从而改善疏水性。此外，材料表面的微/纳结构不仅可以改善材料的疏水性，还可以调节材料表面的辐射特性，例如增加漫反射，减少对太阳等外界热源的定向反射。

综上所述，本发明通过把表面微/纳结构的疏水性及低反射特性与金属材料本身的低发射率特性相结合，通过改变薄膜的厚度，调控薄膜的疏水性及发射率特性，降低镜面反射，从而同时实现兼具疏水性的红外低发射镜面低反射特性。本发明在保证优异疏水特性的同时，保持低发射率特性，而且表面的微/纳结构使薄膜具有低的镜面反射，实现了一种兼具低发、低反和防污的多功能材料，有效改善了当前红外隐身材料的全方位、全天候红外隐身效果，并且所用材料成本低廉、便于大量采购，且制备工艺简单、便于大规模的制备。

附图说明

图1为方向-半球光谱反射率示意图；

图2为双向光谱反射率示意图；

图3为接触角的示意图；

图4为Cassie-Baxter模型的示意图；

图5为实施例3-5um波段发射率曲线图；

图6为实施例8-14um波段发射率曲线图；

图7为实施例3-5um波段随入射角变化的镜面反射率曲线图；

图8为实施例8-14um波段随入射角变化的镜面反射率曲线图；

图9为实施例的接触角测量图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本示例性实施例采用荷叶作为具有微/纳粗糙结构的疏水基底，使用99.9％纯度的铝颗粒，采用电子束蒸发的方式将铝膜沉积在荷叶表面，铝膜的沉积速率是20nm/min，通过调节电子束蒸发的沉积时间，制备200nm、680nm、1300nm、3700nm不同厚度的铝膜，得到共计4个实验样品，本次所使用的红外低发射率铝膜在红外波段的平均发射率为0.06，反射率为0.94。

图5至图9为本实施例所制备的4个样品的测试结果图。

图5为本实施例制备的4个样品在3-5um波段的发射率，图6为本实施例制备的4个样品在8-14um波段的发射率。可以看到这4个样品在3-5μm波段和8-14μm波段的平均红外发射率在0.25-0.63之间。这也就说明通过调节薄膜的厚度，可以调控薄膜的发射率，随着薄膜厚度的增加，薄膜的发射率减小。

图7为本实施例制备的4个样品在3-5um波段的变角度30°-70°斜入射镜面反射率，可以看到，这4个样品在入射角为30°到70°的范围内，镜面反射率几乎接近0，并且几乎不随入射角的变化而发生变化。

图8为本实施例制备的4个样品在8-14um波段的变角度30°-70°斜入射镜面反射率，可以看到，这4个样品在入射角为30°到70°的范围内，镜面反射率低于0.1，同样反射率几乎不随入射角的变化发生变化。

图9为本实施例制备的4个样品的接触角的测量图，可以看到样品的接触角均大于90°，且薄膜厚度在200nm、680nm时，样品接触角大于150°，实现了超疏水。在这也说明在样品表面构筑微/纳结构实现了Cassie-Baxter模型，增大了样品的接触角，实现了疏水特性，甚至是超疏水特性。铝膜的低发射率特性使样品实现低的红外发射率，同时微/纳结构的粗糙度可以实现低的镜面反射，从而实现红外低发射率和低镜面反射率的兼容。

因此，通过以上测试数据看出，本实施例制备的4个样品首先可以通过调控低发射率铝膜的厚度，进而调控薄膜的红外辐射特性和疏水特性，在保持红外低发射率铝膜原有的红外低发射率的基础上，同时使其在3-5μm和8-14μm波段具有低的镜面反射率，且其入射角度对样品的红外镜面反射率几乎没有影响。

综上可见，本发明通过把表面微/纳结构的疏水性及低反射特性与金属材料本身的低发射率特性相结合，通过改变薄膜的厚度，调控薄膜的疏水性及发射率特性，降低镜面反射，从而同时实现兼具疏水性的红外低发射镜面低反射特性。本发明实现了一种多功能的材料，并且所用的材料成本低廉、便于大量采购，且制备工艺简单、便于大规模的制备。在红外隐身与表面防污领域提供了新的思路。

Claims (7)

1.一种疏水红外低发射镜面低反射材料，其特征在于：镜面反射率≤0.1,红外发射率≤0.63,为厚度200nm-3700nm的单层薄膜材料，薄膜的一面具有疏水的微/纳结构；

所述单层薄膜材料为红外发射率≤0.25的金属低发射率材料。

2.如权利要求1所述疏水红外低发射镜面低反射材料，其特征在于：所述金属低发射率材料为铝。

3.如权利要求1所述疏水红外低发射镜面低反射材料，其特征在于：所述单层薄膜材料为680nm厚的铝膜，以进一步实现整体材料的超疏水性能。

4.如权利要求1所述疏水红外低发射镜面低反射材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.选用具有超疏水性能的微/纳结构基底，将其清洁；

步骤2. 首先根据选用的金属低发射率材料种类确定相应的厚度从而调节其辐射特性满足红外发射率≤0.63，镜面反射率≤0.1；然后采用电子束蒸发，在步骤1清洁后的疏水基底表面制备一层厚度200nm-3700nm的金属低发射率材料，即单层薄膜材料；

步骤3.将步骤2所得单层薄膜材料从疏水基底上剥离即得红外发射率≤0.63的疏水红外低发射镜面低反射材料。

5.如权利要求4所述疏水红外低发射镜面低反射材料的制备方法，其特征在于：所述超疏水性能的微/纳结构基底为生物疏水基底。

6.如权利要求5所述疏水红外低发射镜面低反射材料的制备方法，其特征在于：所述生物疏水基底为荷叶。

7.如权利要求6所述疏水红外低发射镜面低反射材料的制备方法，其特征在于：所述荷叶作为超疏水性能的微/纳结构基底时，采用碳化荷叶的方式脱模。

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