CN116339028A - 透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公布一种透明电致变红外发射率器件在可见光‑红外兼容伪装中的应用，将透明电致变红外发射率器件和颜色变化器件结合起来，利用透明电致变红外发射率器件调控红外波段，同时保持可见光透明，不影响下层的颜色变化器件。通过这两个器件的结合，上层透明电致变红外发射率器件改变物体的红外特性，下层的颜色变化器件模拟背景的颜色，实现可见光‑红外的兼容型伪装。
Description
技术领域
本发明属于隐身材料技术领域，尤其涉及一种透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用。
背景技术
可见光与红外伪装材料指的是同时具有可见光和红外两种伪装性能的伪装器件，一方面，它要具有不同的颜色，可以利用自身颜色特征减少目标与背景之间的亮度、色彩和运动的对比特征等，达到对目标视觉信号的控制，以此来降低可见光探测系统发现目标的概率；另一方面，它要具有较低的红外发射率，通过红外发射率的不同来控制目标与背景之间红外辐射的差别，形成热迷彩，使红外探测与成像系统不能够识别目标的性质特征，从而实现红外伪装的目的。目前的伪装器材通常只能实现光学伪装或者红外伪装。无法实现光学和红外的双波段兼容伪装。
电致变红外发射率器件是指可通过电场的作用实现对红外发射率可控的器件，具有调控灵活、结构简单、性能优异等优点，在自适应红外伪装、航天器智能热控等领域具有重要的应用价值。目前还没有透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中应用的报道。
发明内容
为了克服现有技术中的技术问题，本发明提供一种透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用，将透明电致变红外发射率器件与传统的颜色变化器件组合使用，将透明电致变红外发射率器件置于传统的颜色变化器件上方，通过这两个器件的结合，上层透明电致变红外发射率器件改变物体的红外特性，下层传统的颜色变化器件模拟背景的颜色，实现可见光-红外的兼容型伪装。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案如下：
本发明提供透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述应用包括制备用于可见光-红外兼容伪装器件。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述可见光-红外兼容伪装器件由透明电致变红外发射率器件和颜色变化器件组成。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述透明电致变红外发射率器件的变红外发射率功能层为掺杂氧化锌纳米晶，所述掺杂氧化锌纳米晶中的掺杂离子为三价金属离子，所述三价金属离子的掺杂量为0.1～10％。
本发明中的新型电致变红外发射率器件，其中各个膜层均为可见光透明材料。使用掺杂氧化锌纳米晶作为变红外发射率功能层，通过控制三价金属离子的掺杂量在0.1～10％，使掺杂氧化锌纳米晶的局域表面等离子体共振(LSPR)吸收峰位于3～14μm红外波段。利用电化学注入和脱出电子，使LSPR吸收峰增强和减弱的方式，实现掺杂氧化锌纳米晶对红外发射率的调控。当施加负电时，电子注入掺杂氧化锌纳米晶层，LSPR吸收峰增强，器件表现出高红外发射率特性。当施加正电时，电子从掺杂氧化锌纳米晶层脱出，LSPR吸收峰减弱，掺杂氧化锌纳米晶层表现出高透过率，器件表现出红外高反层的高反特性，即低发射率状态，以此实现对红外发射率的调控。
本发明中采用透明电致变红外发射率器件与传统的颜色变化器件组合使用，将透明电致变红外发射率器件放于传统的颜色变化器件上方，透明电致变红外发射率器件调控红外波段，同时保持可见光透明，不影响下层传统的颜色变化器件。下层传统的颜色变化器件模拟背景的颜色，实现可见光-红外的兼容型伪装。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述三价金属离子为铝离子、硼离子、镓离子或铟离子中的一种。
本发明中基于ZnO的n型半导体纳米晶，其掺杂剂通常包括硼离子(B3+)、铝离子(Al3+)、镓离子(Ga3+)和铟离子(In3+)，在3-14μm波段会产生LSPR吸收，进一步可以通过电化学调控基于ZnO的n型半导体纳米晶的LSPR吸收峰，从而实现红外发射率的调控。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述可见光-红外兼容伪装器件对3～5μm的红外波段的调控量为0.1～0.6，对8～14μm的红外发射率调控量为0.1～0.6，对可见光的透过率大于50％。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述透明电致变红外发射率器件还包括可见光-红外透明基底层、红外高反层、离子储存层和透明对电极层，所述可见光-红外透明基底层和红外高反层的可见光透过率大于80％，红外透过率大于80％，所述透明对电极层的可见光透过率大于80％。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述可见光-红外透明基底层材料选自BaF2、CaF2、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯或尼龙薄膜中的一种。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述红外高反层选自ITO薄膜、AZO薄膜或FTO薄膜中的一种。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述离子储存层选自Pt纳米晶层、AZO薄膜、NiO薄膜、V2O5薄膜中的一种。
本发明中设置离子储存层，材料可以选用Pt纳米晶层、AZO薄膜、NiO薄膜、V2O5薄膜中的一种，其作用在于平衡红外发射率调控过程中的电荷变化。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述透明对电极层选自ITO玻璃、AZO玻璃、ITO柔性膜、AZO柔性膜、碳纳米管膜、金属网格玻璃或金属网格膜中的一种。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，电解质层不需要具体的限制，只要是电解质均可实现，具体使用过程中可以选择锂基电解质、钠基电解质。
作为一种可选的实施方式，在本发明提供的应用中，所述颜色变化器件选自电致变色器件、基于液晶的颜色变化器件、基于电泳的颜色变化器件、电子墨水中的一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明中将透明电致变红外发射率器件和颜色变化器件结合起来，将透明电致变红外发射率器件置于颜色变化器件上方。透明电致变红外发射率器件调控红外波段，同时保持可见光透明，不影响下层颜色变化器件。通过这两个器件的结合，上层透明电致变红外发射率器件改变物体的红外特性，下层颜色变化器件模拟背景的颜色，实现可见光-红外的兼容型伪装。
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获得其他的附图。
图1为实施例1中可见光-红外兼容伪装器件的结构示意图；
图2为实施例2中可见光-红外兼容伪装器件的红外反射曲线图和可见光透过率曲线图；
图3为实施例3中可见光-红外兼容伪装器件的红外反射曲线图；
图4为实施例2中可见光-红外兼容伪装器件的可见红外兼容伪装演示图。
附图标记：
1、可见光-红外透明基底层；2、变红外发射率功能层；3、红外高反层；4、电解质层；5、离子储存层；6、透明对电极层；7、第一透明导电层；8、电致变色层；9、离子导电层；10、第二透明导电层。
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
可见光-红外兼容伪装器件由透明电致变红外发射率器件和颜色变化器件组成，在本发明颜色变化器件包括但不限于电致变色、液晶、电泳、电子墨水等反射式颜色变化器件。
本实施例中具体选择土色-绿色电致变色器件组成，由其组成的可见光-红外兼容伪装器件结构示意图如图1所示。
透明电致变红外发射率器件由上至下依次包括可见光-红外透明基底层1、变红外发射率功能层2、红外高反层3、电解质层4、离子储存层5和透明对电极层6；土色-绿色电致变色器件由上至下依次由第一透明导电层7、电致变色层8、离子导电层9和第二透明导电层10组成。
在透明电致变红外发射率器件中，可见光-红外透明基底层选自BaF2、CaF2、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯或尼龙薄膜中的一种，其对可见光透过率大于80％，对红外透过率大于80％。
红外高反层选自ITO薄膜、AZO薄膜或FTO薄膜中的一种，其对可见光透过率大于80％，对红外透过率大于80％。
离子储存层在于平衡红外发射率调控过程中的电荷变化，材料选自Pt纳米晶层、AZO薄膜、NiO薄膜、V2O5薄膜中的一种。
透明对电极层选自ITO玻璃、AZO玻璃、ITO柔性膜、AZO柔性膜、碳纳米管膜、金属网格玻璃或金属网格膜中的一种，其对可见光透过率大于80％。
电解质层不需要具体的限制，只要是电解质均可实现，具体使用过程中可以选择锂基电解质、钠基电解质。
在土色-绿色电致变色器件中，第一透明导电层和第二透明导电层选择ITO玻璃，离子导电层即电解质层，在本实施例中选择0.2mol高氯酸锂/碳酸丙烯酯电解质。本实施例中的土色-绿色电致变色器件中，透明导电层起到提供电源接触导电的作用，在本发明中通常选择具有较高透光率以及具有优越的导电性能的ITO玻璃；离子导电层即电解质层，为变色反应提供着色所需的离子，同时也作为离子运输的通道，电解质溶液在此不做过多限制。
实施例2
可见光-红外兼容伪装器件的制备
(1)铝掺氧化锌纳米晶分散液的制备
将乙酸锌(15.84mmol)和乙酰丙酮铝(0.16mmol)溶解在32mL油酸中(铝的掺杂量为1％)。在110℃下脱气1小时，然后加入16毫升油胺，在此温度下进一步脱气15分钟，得到金属前驱体。过量的油醇(160mL)在一个250mL的三颈圆底烧瓶中，强烈搅拌同时加热到280℃，同时充入氮气，氮气流速为20升/小时，在氮气气氛下，使用注射泵缓慢加入45毫升(15mmol)的金属前驱体，注射速度为3毫升/分钟，反应1h得到纳米晶。利用甲苯/乙醇溶液清洗纳米晶后，将纳米晶分散在甲苯溶剂中，即得铝掺氧化锌纳米晶分散液。
制备得到的铝掺氧化锌纳米晶中Al元素的含量通过感应耦合等离子体光发射光谱仪(ICP-OES，Agilent 720ES)进行检测，实际测量后铝的掺杂量为0.97％。
(2)透明电致变红外发射率器件中上层半器件的制备
选择厚度为1mm的BaF2透明基底层材料，在BaF2基底上旋涂(1)中制备的铝掺氧化锌纳米晶分散液，旋涂速度为1000rpm，持续60s，随后为4000rpm，持续20s重复上述旋涂过程，至膜厚为1.1μm。BaF2/AZO纳米晶在250℃的氩气环境中加热30分钟。利用电子束蒸发镀膜机以1A/s的沉积速率将约330nm的ITO膜蒸发到样品上作为红外高反层，即工作电极。衬底温度设置为300℃，氧气流速为20sccm。用透明双面胶将0.1mm银导线粘贴在半器件的一边，压实，使银导线与ITO膜充分接触，保证良好的导电率。
(3)透明电致变红外发射率器件中下层半器件的制备
选择ITO玻璃作为透明对电极材料，将700nm的AZO纳米晶分散液，旋涂在对电极ITO玻璃上，作为离子存储层。将离子储存层的一边擦拭掉，露出ITO玻璃基底。用透明双面胶将0.1mm银导线与ITO玻璃基底紧密粘贴在一起，使银导线与ITO玻璃基底充分接触，保证良好的导电率。
(4)透明电致变红外发射率器件的制备
将上层半器件与下半层器件通过透明硅橡胶粘结，使用注射器将0.3ml 1mol双三氟甲磺酰亚胺锂的四乙二醇二甲醚溶液注入到中间，即得透明电致变红外发射率器件。
(5)土色-绿色电致变色器件的制备
选择ITO玻璃作为透明导电层，在ITO玻璃上刮涂聚噻吩电致变色材料。使用透明硅胶，0.1mm银丝为导线，将ITO玻璃/电致变色材料半器件和ITO玻璃对电极半器件封装起来。使用注射器注入0.2mol高氯酸锂/碳酸丙烯酯作为电解质溶液，即得土色-绿色电致变色器件。
(6)将透明电致变红外发射率器件和土色-绿色电致变色器件上下叠放在一起即得到可见光-红外兼容伪装器件。
实施例3
可见光-红外兼容伪装器件的制备。
(1)铝掺氧化锌纳米晶分散液的制备
将乙酸锌(14.4mmol)和乙酰丙酮铝(1.6mmol)溶解在32mL油酸中(铝的掺杂量为10％)。在110℃下脱气1小时，然后加入16毫升油胺，在此温度下进一步脱气15分钟，得到金属前驱体。过量的油醇(160mL)在一个250mL的三颈圆底烧瓶中，强烈搅拌同时加热到320℃，同时充入氮气，氮气流速为20升/小时，在氮气气氛下，使用注射泵缓慢加入45毫升(15mmol)的金属前驱体，注射速度为3毫升/分钟，反应1h得到纳米晶。利用甲苯/乙醇溶液清洗纳米晶后，将纳米晶分散在甲苯溶剂中，即得铝掺氧化锌纳米晶分散液。
制备得到的铝掺氧化锌纳米晶中Al元素的含量通过感应耦合等离子体光发射光谱仪(ICP-OES，Agilent 720ES)进行检测，实际测量后铝的掺杂量为5.79％。
(2)透明电致变红外发射率器件中上层半器件的制备
选择厚度为1mm的BaF2透明基底层材料，在BaF2基底上旋涂(1)中制备的铝掺氧化锌纳米晶分散液，旋涂速度为1000rpm，持续60s，随后为4000rpm，持续20s重复上述旋涂过程，至膜厚为1.1μm。BaF2/AZO纳米晶在250℃的氩气环境中加热30分钟。利用电子束蒸发镀膜机以1A/s的沉积速率将约330nm的ITO膜蒸发到样品上作为红外高反层，即工作电极。衬底温度设置为300℃，氧气流速为20sccm。用透明双面胶将0.1mm银导线粘贴在半器件的一边，压实，使银导线与ITO膜充分接触，保证良好的导电率。
(3)透明电致变红外发射率器件中下层半器件的制备
选择ITO玻璃作为透明对电极材料，将700nm的AZO纳米晶分散液，旋涂在对电极ITO玻璃上，作为离子存储层。将离子储存层的一边擦拭掉，露出ITO玻璃基底。用透明双面胶将0.1mm银导线与ITO玻璃基底紧密粘贴在一起，使银导线与ITO玻璃基底充分接触，保证良好的导电率。
(4)透明电致变红外发射率器件的制备
将上层半器件与下半层器件通过透明硅橡胶粘结，使用注射器将0.3ml 1mol双三氟甲磺酰亚胺锂的四乙二醇二甲醚溶液注入到中间，即得透明电致变红外发射率器件。
(5)土色-绿色电致变色器件的制备
选择ITO玻璃作为透明导电层，在ITO玻璃上刮涂聚噻吩电致变色材料。使用透明硅胶，0.1mm银丝为导线，将ITO玻璃/电致变色材料半器件和ITO玻璃对电极半器件封装起来。使用注射器注入0.2mol高氯酸锂/碳酸丙烯酯作为电解质溶液，即得土色-绿色电致变色器件。
(6)将透明电致变红外发射率器件和土色-绿色电致变色器件上下叠放在一起即得到可见光-红外兼容伪装器件。
性能检测
(1)可见光-红外兼容伪装器件的红外发射率调控检测
利用红外光谱仪的积分球模式测试实施例2中的可见光-红外兼容伪装器件进行红外光谱测试，检测结果如图2所示，从图2中可以看出，实施例2中制备的可见光-红外兼容伪装器件对3～5μm波段和8～14μm波段的红外发射率调控量分别为0.51和0.42。
实施例3中的可见光-红外兼容伪装器件进行红外光谱测试，检测结果如图3所示，从图3中可以看出，实施例2中制备的可见光-红外兼容伪装器件对3～5μm波段和8～14μm波段的红外发射率调控量分别为0.1和0.1。
(2)可见光-红外兼容伪装器件的可见光光谱检测
采用紫外可见近红外(UV-Vis-NIR)分光光度计测试实施例2的可见光-红外兼容伪装器件的可见光的光谱变化，检测结果如图2，从图2中可以看出，实施例2中制备的可见光-红外兼容伪装器件在-2.5V表现为绿色状态，对应可见光光谱中两个绿色吸收峰，在2.5V表现为土色状态，对应可见光光谱整个波段的低可见光透过率。
(3)自适应可见红外兼容伪装演示
对实施例2制备的可见光-红外兼容伪装器件进行可见红外兼容伪装演示，结果如图4所示，从图4中可看出，将实施例2中制备的可见光-红外兼容伪装器件置于绿叶上时，起始状态下可见光-红外兼容伪装器件表现出可见光土色和红外低发射率状态，未在绿叶上实现伪装效果。在伪装状态时，可见光-红外兼容伪装器件表现出可见光绿色和红外高发射率状态，与绿叶的可见光和红外特征相似，表现出可见光红外兼容的伪装效果。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，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的保护范围。
Claims (8)
1.一种透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用。
2.根据权利要求1所述的透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用，其特征在于，所述应用包括制备用于可见光-红外兼容伪装器件。
3.根据权利要求2所述的透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用，其特征在于，所述可见光-红外兼容伪装器件由透明电致变红外发射率器件和颜色变化器件组成。
4.根据权利要求3所述的透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用，其特征在于，所述透明电致变红外发射率器件的变红外发射率功能层为掺杂氧化锌纳米晶，所述掺杂氧化锌纳米晶中的掺杂离子为三价金属离子，所述三价金属离子的掺杂量为0.1～10％。
5.根据权利要求4所述的透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用，其特征在于，所述三价金属离子为铝离子、硼离子、镓离子或铟离子中的一种。
6.根据权利要求2或3所述的透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用，其特征在于，所述可见光-红外兼容伪装器件对3～5μm的红外波段的调控量为0.1～0.6，对8～14μm的红外发射率调控量为0.1～0.6，对可见光的透过率为大于50％。
7.根据权利要求4所述的透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用，其特征在于，所述透明电致变红外发射率器件还包括可见光-红外透明基底层、红外高反层、离子储存层和透明对电极层，所述可见光-红外透明基底层和红外高反层的可见光透过率大于80％，红外透过率大于80％，所述透明对电极层的可见光透过率大于80％。
8.根据权利要求3所述的透明电致变红外发射率器件在可见光-红外兼容伪装中的应用，其特征在于，所述颜色变化器件选自电致变色器件、基于液晶的颜色变化器件、基于电泳的颜色变化器件、电子墨水中的一种。
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