双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料

1.本发明涉及一种双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料，属于多波段兼容智能隐身材料技术领域。


背景技术：

2.现代战场上军事装备目标面临着空、天、地、海多维度的探测威胁环境，一旦被发现就难以摆脱被精准制导武器打击而摧毁的威胁。当前的探测与制导技术已经日益多样化，涉及雷达、激光、红外、可见光等多波段联合侦察与多模式制导，通过多源多维探测信息融合能确保以极高精度锁定并迅速摧毁目标。但当前的隐身技术存在功能单一、静态被动的局限性，大多只能较好地规避单一波段探测，对多种联合探测手段却无所遁形。因此，发展可见光、红外、激光及雷达波等多频谱兼容隐身防护体系是当今隐身领域的一个重要课题。
3.激光探测与制导波段主要为yag激光器对应的1.06
ꢀµ
m、二氧化碳激光器对应的10.6
ꢀµ
m，这两个激光波长正好分别处于近红外与远红外两个红外窗口波段。面对激光这种主动探测方式时，要求隐身材料或结构对入射激光具有低反射率和高吸收率，从而大幅减小其回波功率。然而在面对红外这种被动探测方式时，却又希望隐身材料或结构对红外辐射具有高反射率和低发射率，从而有效地抑制红外辐射。这两种隐身原理在某种意义上相互矛盾，很难被传统的隐身材料所实现，成为了多频谱兼容隐身技术的“瓶颈”性难题。传统的激光隐身材料主要有氧化铟锡（ito，in2o3:sn），掺铝氧化锌（azo，zno:al）、氧化锌（zno）等掺杂半导体材料或稀土掺杂光谱转换材料，而红外隐身材料主要集中于金属薄膜、半导体掺杂膜、电介质/金属多层复合膜、类金刚石碳膜等低发射率涂料。传统的隐身材料始终难以调和这两种隐身原理之间的矛盾（即红外隐身要求材料具有高反射率，而激光隐身要求材料具有低反射率），无法实现激光与红外的兼容隐身。光子晶体、选择性吸收体等超构材料因为具有较好的光谱选择及红外辐射调控特性成为突破激光与红外兼容隐身的重要途径。
4.军事装备往往会涉及山地、草原、荒漠等多样化跨域作战场景，即使同地域场景的光电热磁目标特性也会随季节与时间的变化而变化。因此，军事装备若是采用静态隐身方法，难以对周边作战背景环境实现高度融合，极易在跨多域环境作战、全天时作战或机动作战过程中暴露。因此，可主动管控自身目标特性的智能隐身技术成为隐身技术领域研究的另一个热点与难点。当前电致变发射率、相变吸热等自适应红外隐身技术在国内外隐身领域都受到了高度重视，但举步维艰，进展缓慢；而在激光的静态隐身材料技术方面尚未完全取得工程化应用的突破，在智能化隐身更是谈之甚少。
5.总之，现有的隐身技术存在功能单一、静态被动的局限性，大多只能较好地规避单一波段探测，无法同时应对现代高技术战争中多种联合探测手段，给装备的战场生存造成了重大危机。因此，综合利用超构材料与智能材料等前沿技术，开发具备光、热、电等多物理场驱动调控的多频谱兼容型智能隐身功能的特殊人造结构复合材料，具有非常重要的军事
应用价值。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术，本发明提供了一种可光热电多场驱动的、双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料，本发明利用对光、热、电等外部场环境刺激而易诱发物性变化的敏感材料设计出了一种特殊的人造光子晶体膜系结构材料，可发挥微纳结构与材料特性的协同效应，具备1.06 μm、10.6 μm双频域激光窄带“陷光”型低反射特征，以及近红外1～2.5 μm、中红外3～5 μm、远红外8～14 μm多波段红外宽域“禁带”型高反射特征。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：一种双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料，其多层薄膜复合的基本结构为：[ab]kt[ab]k[cd]m[cd]或[cd]m[cd][ab]kt[ab]k，膜层排列系数k代表周期性交替排列的次数，取值为1或2；所述介质层t、介质层m的材料独立地选自过渡金属氧化物或多晶硅；所述介质层a、介质层b、介质层c、介质层d中至少有一层的材料选自卤化盐、过渡金属氧化物或多晶硅，其它层的材料独立地选自zns、znse、pbte、al2o3、te、ge、sio2、tio2或si3n4；所述介质层a、介质层b、介质层c、介质层d、介质层t、介质层m的折射率分别为na、nb、nc、nd、n
t
、nm，所述介质层a、介质层b、介质层c、介质层d、介质层t、介质层m的厚度分别为da、db、dc、dd、d
t
、dm，具有以下关系：na×
da≈nb×
db≈n
t
×dt
≈2650 nm，且nc×
dc≈nd×dd
≈nm×dm
≈265 nm。
[0008]
进一步地，所述过渡金属氧化物选自ti、v、mo、w的氧化物，即：tio2、v2o5、moo3、wo3。
[0009]
进一步地，所述卤化盐选自氯化银、氯化铜。所述卤化盐作为光敏材料，其中掺杂有少量的催化剂氧化铜，此为常规技术手段。
[0010]
所述双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料在作为或制备红外与激光兼容隐身材料中的应用。具体应用时，可在基底表面采用原子层沉积、磁控溅射、蒸发镀等技术逐层涂覆各介质层从而制备出该复合薄膜材料。所述基底选自ito、氧化锡锑（ato，sn2o:sb）等刚性导电基底，或低阻ito-pet等柔性导电基底。
[0011]
本发明的双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料，具备1.06 μm、10.6 μm双频域激光与近红外1～2.5 μm、中红外3～5 μm、远红外8～14 μm多波段红外的兼容隐身功能，突破了宽域红外隐身与跨域激光等关键性技术，可作为或用于制备红外与激光兼容隐身材料。本发明的新型隐身复合薄膜材料还具备光控、热控、电控及其复合控制等多样化调控方式的优势，使得智能隐身材料的红外光谱选择特性更加易于操控，可根据功能需求实时操控复合薄膜材料的激光反射率与红外发射率，使装备目标特性更好地高度适应战场复杂背景环境特性的动态变化，有利于躲避红外与激光的复合探测与制导模式，极大地提升了装备的战场伪装生存能力，具有非常重要的军事应用价值。
[0012]
本发明的双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料，是由两个含有掺杂缺陷膜层（t或m）的双异质光子晶体结构[ab]nt[ab]n与[cd]m[cd]组合叠加构成的层状结构，其中，介质层t、介质层m的材料为过渡金属氧化物或多晶硅，这类材料极易受紫外线、温度、电场等物理场量诱导致微观组织结构变化，进而改变该类材料的介电常数与折射率。
介质层a、介质层b、介质层c、介质层d中至少有一层的材料为卤化盐光敏材料、过渡金属氧化物或多晶硅光热材料，其它层的材料选自zns、znse、pbte、al2o3、te、ge、sio2、tio2、si3n4等光学薄膜材料。膜层排列系数k代表周期性交替排列的次数，取值为1或2，避免膜层排列周期数k过大而影响激光频域处的低反射效果。
[0013]
本发明的双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料，是可光热电多场驱动的复合薄膜材料。本发明通过对[cd]m[cd]引入缺陷层m，对[ab]nt[ab]n引入缺陷层t，在1.06 μm、10.6 μm双激光频域附近处形成了相应的缺陷能级而形成光子局域效应，在近红外1～2.5μm、远红外8～14
µ
m波段的高反射光谱宽禁带中实现了“挖孔”，而在1.06 μm、10.6 μm激光频域处形成了较窄的低反射率带，从而实现了双频域激光与近中远多波段红外的兼容隐身效果。同时，本发明还利用了过渡金属氧化物、多晶硅等材料对外界光、热、电等物理场刺激作用而诱发物性改变的敏感性，可根据外界环境变化来调控相应材料所在介质层的介电常数与折射率，进而可实时动态调控改变复合薄膜材料内部的红外光波传导特性，实现可逆性变发射率特征。
[0014]
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。
附图说明
[0015]
图1：实施例1的双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料示意图。
[0016]
图2：光控方式示意图图3：热控方式示意图。
[0017]
图4：电控方式示意图。
[0018]
图5：实施例1的红外反射光谱示意图。
[0019]
图6：实施例1的近红外反射光谱示意图。
[0020]
图7：实施例1的10～12
ꢀµ
m频域附近的反射光谱图。
[0021]
图8：实施例2的双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料示意图。
[0022]
图9：实施例2的红外反射光谱示意图。
[0023]
图10：实施例2的近红外反射光谱示意图。
具体实施方式
[0024]
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域技术人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
[0025]
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
[0026]
实施例1 双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料异质膜系结构为[ab]kt[ab]k[cd]m[cd]，k=2，如图1所示，可在透电导电的氧化铟锡（ito）基底上通过原子层沉积技术制备。其中，介质层b、介质层d的材料均为sio2，sio2在1.06
ꢀµ
m、10.6
ꢀµ
m两处的折射率分别为1.45、2.5。介质层a、介质层t的材料均为多晶硅，在室内常温（25℃）且无电场作用时，多晶硅在10.6
ꢀµ
m处的折射率为3.42。介质层c、介质层m
的材料均为wo3，在室内常温（25℃）且无电场作用时，wo3在1.06
ꢀµ
m处的折射率为1.95。
[0027]
所述介质层a、介质层b、介质层c、介质层d、介质层t、介质层m的折射率分别为na、nb、nc、nd、n
t
、nm，所述介质层a、介质层b、介质层c、介质层d、介质层t、介质层m的厚度分别为da、db、dc、dd、d
t
、dm，具有以下关系：na×
da≈nb×
db≈n
t
×dt
≈2650 nm，且nc×
dc≈nd×dd
≈nm×dm
≈265 nm。具体地，各介质层的厚度为：介质层a的厚度为775 nm；介质层b的厚度为1060 nm；介质层t的厚度为775 nm；介质层c的厚度为136 nm；介质层d的厚度为183 nm；介质层m的厚度为136 nm。
[0028]
该复合薄膜材料可在遭到紫外线光、热量、电场等物理场作用下，诱发微观组织结构变化，改变其介电常数与折射率，进而影响红外光波在介质层内传导特性。利用紫外线、热、电场分别对本实施例的复合薄膜材料进行调控，调控方式如图2、图3、图4所示。
[0029]
如图2所示，将紫外线照射至复合薄膜材料，调节紫外光源的强度及入射角度，可导致wo3材料所在介质层的晶相结构形态变化，进而导致wo3介质层的介电常数与折射率的变化，影响红外光在复合薄膜材料的传导特性，从而实现红外发射率与激光反射率的动态调控。
[0030]
如图3所示，在复合薄膜材料的基底底面增添设置一层电磁加热平台，通过调控电流大小来调控感应加热温度，诱使多晶硅、wo3两材料产生热相变，导致折射率产生微妙变化。多晶硅光热材料的折射率能随温度增大呈现线性增大规律；wo3在高温热处理后会从非晶结构变化到晶体结构，这也是wo3随热量变化而发生热致变色现象的重要原因。因此，通过加热控制可实现改变多晶硅与wo3所在介质层对红外窗口波段与激光的传导特性。
[0031]
如图4所示，在制备有复合薄膜材料的透明导电ito玻璃基底上进一步添置一层zro2固态电解质膜层，然后再添置一层透明导电ito玻璃的对电极，由此形成一套电致变发射率器件。其中，电解质层起到离子传导作用，从而达到两侧透光ito电极之间电子传导达到电荷平衡作用。通过调控两侧透明导电ito电极之间电场的电压大小，便能诱使wo3薄膜材料网络结构被注入或抽出阳离子或电子，使钨原子的价态发生可逆性变化，导致材料的能级发生改变，从而影响wo3介质层的红外发射率与激光反射率。
[0032]
模拟计算膜系结构[ab]2t[ab]2[cd]m[cd]在红外波段（750～15000 nm区间）的反射光谱特性，如图5所示，而其近红外波段（0.75～2.5
ꢀµ
m）的反射率情况经局部细节放大后如图6所示，而其10.6
ꢀµ
m激光频域附近（10～12
ꢀµ
m）的反射率情况经局部细节放大后如图7所示。本实施例的复合薄膜材料，在没有紫外光、热、电等外界物理场影响作用的初始状态下，在中红外3～5
ꢀµ
m与远红外8～14
ꢀµ
m双波段区间形成了宽频域高反射现象，实现了红外低反射率，实现了中远红外隐身效果。同时，在1.06
ꢀµ
m、10.6
ꢀµ
m双激光频域实现了窄带低反射的“陷光”现象，实现了双频域激光与中远红外兼容隐身效果。此外，在近红外1～2.5 μm波段尚有4处区间处于近红外高反射状态（即低发射率），因此还有一定的近红外隐身效果。
[0033]
复合薄膜材料在图3的热场调控作用下，当将温度控制在100℃时，多晶硅的折射率在温度调制作用下的增长幅度约为0.05，氧化钨的折射率在温度调制作用下的增长幅度约为0.03。如图5、图6与图7所示，在外部热场调控作用下，在1.06
ꢀµ
m激光频域处的超窄陷光带的反射率从10%提升至50%，其反射率调制幅度达到了40%。然而，在10.6
ꢀµ
m激光频域处的超窄陷光带的反射率却从45%下降至25%，其反射率调制幅度达到了20%。
[0034]
复合薄膜材料在图4的电场调控作用下，且电压为1.2 v时，氧化钨的折射率可变化调制幅度约为0.15，如图5、图6与图7所示，在外部电场调控作用下，在1.06
ꢀµ
m激光频域处的超窄陷光带的反射率从10%提升至55%，其反射率调制幅度达到了45%。然而，在10.6
ꢀµ
m激光频域处的超窄陷光带的反射率却从45%下降至35%，其反射率调制幅度达到了10%。因此，本实施例的复合薄膜材料可在热、电等多个物理场驱动作用下实现多频域激光与多波段红外兼容智能隐身伪装功能。
[0035]
本实施例的复合薄膜材料，分别在1.06μm、10.6 μm附近处形成相应的缺陷能级而形成光子局域效应，在近红外1～2.5μm、远红外8～14
ꢀµ
m波段的高反射光谱宽禁带中实现“挖孔”（在1.06 μm、10.6μm激光频域处形成较窄频域的低反射率带），从而实现了双频域激光频域与近中远多波段红外的兼容隐身效果。通过利用过渡金属氧化物氧化物、多晶硅对外界光、热、电等物理场刺激作用而诱发物性改变的敏感性，调控相应材料所在介质层的介电常数与折射率，改变复合薄膜材料内部红外光的传导特性，进而调控改变复合薄膜材料的红外发射率与激光反射率特性，达到智能隐身效果。
[0036]
实施例2 双频域激光与多波段红外兼容的智能隐身复合薄膜材料异质膜系结构为[cd]m[cd][ab]kt[ab]k，k=1，如图8所示，可在透电导电的氧化锡锑（ato）基底上通过磁控溅射技术制备。其中，介质层d的材料为al2o3，al2o3在1.06
ꢀµ
m处的折射率为1.75。介质层a的材料为碲（te），其在10.6
ꢀµ
m处的折射率为4.79。介质层c、介质层m的材料均为tio2，在室内常温（25℃）且无电场作用时，tio2在1.06
ꢀµ
m处的折射率为2.48。介质层b的材料为氯化银（agcl）光敏材料（掺杂少量的氧化铜催化剂），在室内常温（25℃）且无电场作用时，agcl在10.6
ꢀµ
m处的折射率为1.98。介质层t的材料为v2o5，在室内常温（25℃）且无电场作用时，v2o5在10.6
ꢀµ
m处的折射率为1.52。
[0037]
所述介质层a、介质层b、介质层c、介质层d、介质层t、介质层m的折射率分别为na、nb、nc、nd、n
t
、nm，所述介质层a、介质层b、介质层c、介质层d、介质层t、介质层m的厚度分别为da、db、dc、dd、d
t
、dm，具有以下关系：na×
da≈nb×
db≈n
t
×dt
≈2650 nm，且nc×
dc≈nd×dd
≈nm×dm
≈265 nm。具体地，各介质层的厚度为：介质层a的厚度为553 nm；介质层b的厚度为1338 nm；介质层t的厚度为1743 nm；介质层c的厚度为107 nm；介质层d的厚度为151 nm；介质层m的厚度为107 nm。
[0038]
该复合薄膜材料可在遭到紫外线光、热量、电场等物理场作用下，诱发微观组织结构变化，改变其介电常数与折射率，进而影响红外光波在介质层内传导特性。利用紫外线、热、电场分别对本实施例的复合薄膜材料进行调控，调控方式如图2、图3、图4所示。通过利用过渡金属氧化物、卤化盐等材料对紫外线光、热、电等外界物理场刺激作用而诱发物性改变的敏感性。tio2、v2o5等过渡金属氧化物与光、热、电等物理场之间的作用机制与wo3类似，agcl在紫外线作用下可产生分解，在氧化铜催化剂作用下又能发生可逆性恢复，即当前市场上变色眼镜的原理。
[0039]
模拟计算膜系结构[cd]m[cd][ab]1t[ab]1在红外波段（750～15000 nm区间）的反射光谱特性，如图9所示，而其近红外波段（0.75～2.5
ꢀµ
m）的反射率情况经局部细节放大后如图10所示。本实施例的复合薄膜材料在没有受到紫外光、热、电等外界物理场影响作用的初始状态下，在中红外3～5
ꢀµ
m形成了宽域高反射现象，具有非常低的发射率，具有非常好的中红外隐身效果。在远红外8～14
ꢀµ
m波段区间内，在10.6
ꢀµ
m激光频域附近形成显著的“光谱挖孔”的低反射“陷光”现象，其反射率仅约有15%，具有非常好的10.6
ꢀµ
m激光隐身效果。同时，因10.6
ꢀµ
m激光频域“陷光带”豁口宽度相对较大，对远红外隐身造成了一定影响，但8～10
ꢀµ
m、12～14
ꢀµ
m两处远红外波段的反射率均能高于60%，因此也具备了较好的10.6
ꢀµ
m与远红外兼容隐身效果。在近红外1～2.5 μm波段区间内，在1.06 μm处有低反射现象，其反射率为5%，因此对1.06μm激光频域具有较好的影响效果。同时，近红外波段1.1～1.4 μm、1.6～1.7 μm区域反射率高于60%, 1.8～2.5 μm波段区间反射率高达90%，因此具备了近红外与1.06 μm激光频域的兼容隐身效果。
[0040]
当复合薄膜材料遭受图2所示的外界紫外线调控作用下，且辐射强度为55 w/m2时，tio2折射率变化的调制幅度为0.03，agcl折射率变化的调制幅度约为0.06，如图8与图9所示，在1.06
ꢀµ
m激光频域处的反射率从10%提升至30%，其反射率调制幅度达到了20%；在10.6
ꢀµ
m激光频域处的反射率却从5%提升至15%，其反射率调制幅度达到了10%。同时，1.06
ꢀµ
m附近的低反射窄带与10.6
ꢀµ
m附近的低反射宽带的“陷光带”中心波长（即最低反射率所在波长位置）均产生了红移现象。
[0041]
当复合薄膜材料在图4所示的电场调控作用下，且电压为0.6 v时，v2o5折射率变化的调制幅度为0.1，tio2折射率变化的调制幅度为0.05，如图8与图9所示，在1.06
ꢀµ
m激光频域处的反射率从10%提升至90%，其反射率调制幅度达到了80%；在10.6
ꢀµ
m激光频域处的反射率却从5%提升至25%，其反射率调制幅度达到了20%。同时，1.06
ꢀµ
m附近的低反射窄带与10.6
ꢀµ
m附近的低反射宽带的“陷光带”中心波长（即最低反射率所在波长位置）均产生了红移现象。因此，本实施例的复合薄膜材料可在光、电等多场驱动作用下实现多频域激光与多波段红外兼容智能隐身伪装功能。
[0042]
本实施例的复合薄膜材料，分别在1.06μm、10.6 μm附近处形成相应的缺陷能级而形成光子局域效应，在近红外1～2.5μm、远红外8～14
ꢀµ
m波段的高反射光谱宽禁带中实现“挖孔”（在1.06 μm、10.6μm激光频域处形成较窄频域的低反射率带），从而实现了双频域激光频域与近中远多波段红外的兼容隐身效果。通过利用过渡金属氧化物tio2与v2o5、卤化盐agcl对外界光、热、电等物理场刺激作用而诱发物性改变的敏感性，调控相应材料所在介质层的介电常数与折射率，改变复合薄膜材料内部红外光的传导特性，进而调控改变复合薄膜材料的红外发射率与激光反射率特性，达到智能隐身效果。
[0043]
给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。