CN117111189A - 一种兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜 - Google Patents
一种兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，包括衬底、中红外选择性发射层、短波红外光谱调控层和近红外减反射层，其满足短波红外、中波红外和长波红外波段的发射率低于0.5，近红外波段的反射率低于0.5，2.5‑3μm和5‑8μm非大气透明窗口的发射率大于0.5。本发明的多层薄膜在可见光波段也有低的反射率，具备可见光吸收式隐身能力。本发明的多层薄膜在实现全红外及可见波段的隐身能力的同时兼具有效的辐射散热热管理能力，可以广泛应用于航空、航天等领域。
Description
技术领域
本发明属于多波段隐身技术领域，具体涉及一种兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜。
背景技术
隐身技术指使目标在敌方的探测系统中不被发现或者降低其被发现的可能性的技术。在光学波段，根据探测的波段不同，隐身技术可以分为可见光隐身、近红外隐身、短波红外隐身、中波红外隐身和长波红外隐身等。目前多波段兼容的隐身技术正成为研究的热点，以应对先进的多波段探测技术的威胁。同时，隐身材料须兼具热管理能力，以减少目标的热负载。
各波段的信号来源和隐身要求为：1.在近红外(0.78～1.4μm)和可见光(400～780nm)波段，信号来源主要为反射的环境光，包括日光、月光、星光、灯光、激光等，须减小目标表面的反射信号以增强其隐蔽性；相应的手段主要有采用透明材料、高吸收材料和迷彩。2.在短波红外(1.4～2.5μm)、中波红外(3～5μm)和长波红外(8～14μm)波段，信号来源主要为目标物自身的热辐射，须通过抑制辐射信号来达到隐身效果；相应的手段主要有降低目标表面的温度和降低目标表面的发射率。
隐身材料的热管理能力主要通过在非大气透明窗口(也即非红外探测波段)的辐射散热实现。非大气透明窗口包括2.5-3μm波段和5-8μm波段。
现有的多波段兼容的隐身技术主要使用的是如具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜及其制备方法(CN104865618A)的多层介质薄膜、如金属-介质型光谱选择性多波段隐身薄膜及其制备方法(CN112346162A)的多层金属-介质薄膜、如基于选择性吸收与辐射纳米结构的光波段多功能隐身材料(CN110703369B)的二维光栅结构。现有技术的不足在于：(1)未兼容短波红外波段的隐身，不能隐藏短波红外波段的热辐射信号；(2)未考虑对近红外波段宽带照明光源的隐身，仅针对若干离散的激光波长；(3)未利用2.5-3μm的非大气透明窗口进行辐射散热；(4)多层介质薄膜存在层数较多、厚度较大的问题；(5)二维光栅结构存在依赖光刻技术，制备成本高等问题。
综上所述，现有的多波段隐身技术不能覆盖可见光、近红外、短波红外、中波红外和长波红外等所有的波段，并充分利用两个非大气透明窗口进行辐射散热。因此，如何设计一种易于制备的，且既能实现全红外及可见波段隐身、又能实现双波段辐射散热的隐身材料，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，该薄膜可以实现可见光、近红外、短波红外、中波红外和长波红外波段的隐身，并兼容两个非大气透明窗口的辐射散热。
一种兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，包括由内向外依次设置的中红外选择性发射层、短波红外光谱调控层和近红外减反射层；其满足：
对1.4-2.5μm、3-5μm及8-14μm波段的红外光发射率低于0.5；
对0.78-1.4μm的红外光反射率低于0.5；
对2.5-3μm和5-8μm波段的红外光发射率高于0.5。
上述多层薄膜结构中，中红外选择性发射层，用以实现中波红外(3～5μm)和长波红外(8～14μm)波段的低发射率隐身和5-8μm波段的高发射率辐射散热；短波红外光谱调控层，用以实现短波红外(1.4～2.5μm)波段的低发射率隐身和2.5-3μm波段的高发射率辐射散热；近红外减反射层，用以减少近红外(0.78～1.4μm)和可见波段(0.4～0.78μm)反射率，实现近红外和可见波段吸收式隐身。
作为优选，所述中红外选择性发射层由有损介质层和金属反射层组成，其中有损介质层靠近短波红外光谱调控层设置。
作为进一步优选，所述有损介质层材料为锗锑碲合金。
作为进一步优选，所述金属反射层材料为铂、铬、镍、钨、钼等中的一种。更进一步优选为镍。
作为更进一步优选，锗锑碲合金的厚度为200～300nm。
作为更进一步优选，金属反射层的厚度大于50nm。金属反射层的厚度进一步优选为90～150nm。
作为优选，所述短波红外光谱调控层为多层结构，由多种高、低折射率的介质材料层交替堆叠而成。
作为进一步优选，高折射率介质材料选自锗、硅、碲等中的一种或多种。更进一步优选为锗。
作为进一步优选，低折射率材料选自氟化镁、氟化镱、氟化钙、氟化钡、二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锌、硫化锌、硒化锌等中的一种或多种。
更进一步地，氟化物包括但不限于氟化镁、氟化镱、氟化钙、氟化钡等。
更进一步地，氧化物包括但不限于二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锌等。
更进一步地，硫化物包括但不限于硫化锌等。
作为更进一步优选，低折射率材料为硫化锌和氧化铝。
作为进一步优选，高折射率介质材料层的厚度为200～400nm。
作为进一步优选，低折射率介质材料层的厚度为150～600nm。
作为更进一步优选，所述短波红外光谱调控层由三种不同折射率的介质材料层交替堆叠而成。本技术方案中，短波红外光谱调控层由高、低折射率介质材料层交替堆叠而成，而高折射率或低折射率材料可以是两种；以低折射率材料为两种为例，与高折射率介质材料层交替堆叠的低折射率介质材料层的材料为折射率不同的两种。
进一步地，三种不同折射率的介质材料分别为锗、氧化铝和硫化锌。
更进一步地，锗层厚度为200-400nm；氧化铝层厚度为150-400nm；硫化锌层厚度为450-600nm。
作为优选，所述短波红外光谱调控层的总层数为4～8。
作为优选，所述近红外减反射层材料为氟化镁、氟化镱、氟化钙、氟化钡、二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锌、硫化锌、硒化锌等中的一种或多种。进一步优选为氧化铝。
作为优选，所述近红外反射层的厚度小于150nm。进一步优选为50～100nm。
作为优选，所述多层薄膜还包括设于中红外选择性发射层远离短波红外光谱调控层一侧，用于力学支撑的衬底。
作为进一步优选，所述衬底材料为固体材料或柔性材料，包括但不限于硅、二氧化硅、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚醚酰亚胺(PEI)等中的一种或多种。更进一步优选为硅。
作为进一步优选，衬底的厚度可以根据实际需要进行设置。
对于所述中红外选择性发射层中的有损介质层，材料的厚度d、折射率n与作用波长λ满足以下关系时，可在作用波长处形成近似完美吸收峰：
nd＝λ/4
本发明的多层薄膜在全红外及可见波段隐身，需要满足以下条件：在1.4-2.5μm的短波红外波段、3-5μm的中波红外波段和8-14μm的长波红外波段具有低发射率，抑制自身的热辐射信号。在0.78-1.4μm的近红外波段和400-780nm的可见光波段具有高吸收率(即低反射率)，减少对环境光源的反射信号。在2.5-3μm和5-8μm这两个非大气透明窗口具有高的发射率，以实现双波段辐射散热。本发明的多层薄膜可以实现在短波红外、中波红外和长波红外波段的低发射率和近红外及可见波段的低反射率，从而达到隐身效果；同时还实现了2.5-3μm和5-8μm非大气透明窗口的辐射散热，制备工艺简单，能够满足全红外及可见的多波段隐身要求和高温下的热管理要求。
本发明的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，包括衬底、中红外选择性发射层、短波红外光谱调控层和近红外减反射层，其满足短波红外、中波红外和长波红外波段的发射率低于0.5，近红外波段的反射率低于0.5，2.5-3μm和5-8μm非大气透明窗口的发射率大于0.5。本发明的多层薄膜在可见光波段也有低的反射率，具备可见光吸收式隐身能力。本发明的多层薄膜在实现全红外及可见波段的隐身能力的同时兼具有效的辐射散热热管理能力，可以广泛应用于航空、航天等领域。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，可以大幅减小短波红外、中波红外和长波红外波段的热辐射信号，具有较强的对抗热探测器的能力；可以减小近红外及可见波段的反射信号，具有反被动式可见-近红外探测器和主动式探照设备的能力。同时该多层薄膜能在两个非大气透明窗口实现双波段的辐射散热，具有有效的热管理能力，可以广泛应用于航空、航天等领域。
附图说明
图1为本发明实施例1中的多层薄膜的结构示意图；
图2为本发明实施例1中的多层薄膜的仿真和实验发射率光谱图；
图3为本发明实施例1中的多层薄膜由短波红外相机测得的信号强度随实际温度变化的关系；
图4为本发明实施例1中的多层薄膜由中波红外相机测得的辐射温度随实际温度变化的关系；
图5为本发明实施例1中的多层薄膜由长波红外相机测得的辐射温度随实际温度变化的关系；
图6为本发明实施例1中的多层薄膜在不同加热功率下的平衡温度与传统红外隐身材料(铬膜)的对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明的技术方案，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以下结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
本发明提供了一种兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，包括：衬底、依次设置在衬底表面的中红外选择性发射层、短波红外光谱调控层和近红外减反射层；
衬底层，作为力学支撑，其厚度可根据需要进行适当调节。具体的，衬底材料可以使用固体材料或者柔性材料。作为优选，衬底材料为硅。
中红外选择性发射层，用以实现中波红外(3-5μm)和长波红外(8-14μm)波段的低发射率和5-8μm波段的高发射率；具体的，中红外选择性发射层由有损介质层和金属反射层构成。作为优选，有损介质层的材料为锗锑碲合金，厚度为200-300nm；金属反射层的材料为镍，厚度大于50nm。
短波红外光谱调控层，用以实现短波红外(1.4-2.5μm)波段的低发射率和2.5-3μm波段的高发射率。具体的，短波红外光谱调控层为由多种不同折射率的介质材料层交替堆叠而成的多层结构。作为优选，短波红外光谱调控层为由三种不同折射率的介质材料层交替堆叠而成的多层结构。作为优选，三种介质材料分别为锗、氧化铝和硫化锌；锗层厚度为200-400nm，氧化铝层厚度为150-400nm，硫化锌层厚度为450-600nm。
近红外减反射层，用以减少近红外波段反射率；具体的，近红外减反射层材料为介质材料。作为优选，所述介质材料为氧化铝；氧化铝层厚度小于150nm。
以下结合具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
如图1所示，一种兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，包括自下而上(或由内向外)依次设置的衬底、中红外选择性发射层、短波红外光谱调控层和近红外减反射层；
其中，衬底材料选用硅；中红外选择性发射层为两层结构，自下而上依次为120nm厚的镍层、220nm厚的锗锑碲合金层；短波红外光谱调控层为四层结构，自下而上依次为510nm厚的硫化锌层、250nm厚的锗层、240nm厚的氧化铝层、350nm厚的锗层；近红外减反射层为65nm厚的氧化铝层。
上述兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜的发射率光谱如图2所示。由图2可以看出，上述多层薄膜实现了短波红外、中波红外和长波红外波段的低发射率隐身，近红外及可见波段的吸收式隐身，同时实现了2.5-3μm和5-8μm波段的高发射率散热。其中，在1.4-2.5μm的短波红外波段，平均发射率为0.275；在3-5μm的中波红外波段，平均发射率为0.102；在8-14μm的长波红外波段，平均发射率为0.173。在0.78-1.4μm的近红外波段，平均反射率(反射率＝1-发射率)为0.476；在400-780nm的可见光波段，平均反射率为0.156。在2.5-3μm波段，平均发射率为0.758；在5-8μm波段，平均发射率为0.563。
上述兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜由短波红外相机测得的信号强度随实际温度变化的关系如图3所示。由图3可以看出，本实施例的多层薄膜的信号强度相比黑体大幅下降，在实际温度为200℃时，本实施例的多层薄膜的信号强度下降了39.3％。
本实施例的多层薄膜由中波红外相机测得的辐射温度随实际温度变化的关系如图4所示。由图4可以看出，本实施例的多层薄膜的辐射温度相比其实际温度大幅下降，在实际温度为200℃时，其辐射温度仅为87.2℃。
本实施例的多层薄膜由长波红外相机测得的辐射温度随实际温度变化的关系如图5所示。由图5可以看出，本实施例的多层薄膜的辐射温度相比其实际温度大幅下降，在实际温度为200℃时，其辐射温度仅为91.7℃。
本实施例的多层薄膜辐射散热能力的展示如图6所示。多层薄膜样品的宏观形状尺寸为4英寸圆盘，所选用传统红外隐身材料为相同宏观形状尺寸的铬膜(240nm厚)。加热装置为连接直流源并置于绝热泡沫上的电热片，测温装置为接触样品或铬膜表面的热电偶。由低到高设置加热功率，分别记录本实施例的多层薄膜样品和铬膜各自达到热平衡时的表面温度，结果如图6所示。在相同的加热功率下，本发明中提出的多层薄膜样品的温度低于传统低辐射表面材料。比如，当加热功率为20W时，样品表面的实际温度(174.5℃)比铬膜(188.9℃)低达14.4℃。在高温时，所设计结构的辐射散热热管理特性有更加优良的表现。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，其特征在于，包括由内向外依次设置的中红外选择性发射层、短波红外光谱调控层和近红外减反射层；其满足：
对1.4-2.5μm、3-5μm及8-14μm波段的红外光发射率低于0.5；
对0.78-1.4μm的红外光反射率低于0.5；
对2.5-3μm和5-8μm波段的红外光发射率高于0.5。
2.根据权利要求1所述的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，其特征在于，所述中红外选择性发射层由有损介质层和金属反射层组成，其中有损介质层靠近短波红外光谱调控层设置。
3.根据权利要求2所述的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，其特征在于，所述有损介质层材料为锗锑碲合金；
所述金属反射层材料为铂、铬、镍、钨、钼中的一种。
4.根据权利要求3所述的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，其特征在于，锗锑碲合金的厚度为200～300nm；
金属反射层的厚度大于50nm。
5.根据权利要求1所述的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，其特征在于，所述短波红外光谱调控层为多层结构，由多种高、低折射率的介质材料层交替堆叠而成。
6.根据权利要求5所述的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，其特征在于，高折射率介质材料选自锗、硅、碲中的一种或多种；
低折射率材料选自氟化镁、氟化镱、氟化钙、氟化钡、二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锌、硫化锌、硒化锌中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，其特征在于，高折射率介质材料层的厚度为200～400nm；
低折射率介质材料层的厚度为150～600nm。
8.根据权利要求1所述的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，其特征在于，所述短波红外光谱调控层的总层数为4～8。
9.根据权利要求1所述的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，其特征在于，所述近红外减反射层材料为氟化镁、氟化镱、氟化钙、氟化钡、二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化锌、硫化锌、硒化锌中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜，其特征在于，所述近红外反射层的厚度小于150nm。
Priority Applications (1)
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| CN202310921789.3A CN117111189A (zh) | 2023-07-26 | 2023-07-26 | 一种兼容全红外波段隐身和双波段辐射散热的多层薄膜 |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN117111189A true CN117111189A (zh) | 2023-11-24 |
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