8～14μm波段选择性低发射率的红外隐身薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功能薄膜材料技术领域，尤其涉及一种具有光谱选择性低发射性能的 红外隐身薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 在现代科技革命中，隐身技术的应用越来越广。在各种隐身手段中，红外隐身是 其中重要的手段之一，得到了越来越多的关注。红外探测的窗口波段主要是指3. 0 ym~ 5. 0ym和8.0ym~14. 0ym波段。其中，当环境温度在常温下时，8.0ym~14. 0ym波段 则是主要的探测窗口。
[0003] 红外隐身技术中，红外隐身技术措施大致可以概括为改变红外辐射波段、降低红 外辐射强度、调节红外辐射的传输过程三个方面。期中，降低红外辐射强度是最主要的手 段，其主要采用在目标表面涂覆热红外隐身涂料，以降低目标表面发射率的方法。但是，根 据Stefan-Boltzmann定律：M=e0T4,红外福射强度同时受到温度T以及发射率e的影 响，仅通过降低目标表面发射率来降低红外辐射强度的方法值得商榷。
[0004] 上述的红外隐身涂料在整个红外波段都具有较低的发射率，覆盖了红外探测波 段，但是不具备选择性低发射的特点。需要指出的是，红外低发射率会影响热传导的过程， 导致热量难以扩散，使得温度上升，因此会带来散热的问题。结合Stefan-Boltzmann定律， 温度的上升同样是导致红外辐射强度增加的因素，这说明传统的红外隐身涂层带来了隐身 与散热的兼容问题，难以达到理想效果。因此，常温下理想的红外隐身材料应该具备的性能 特点是：在红外探测的8. 0ym~14. 0ym波段，材料具有较低的发射率，以降低其可探测 性；而在其他波段发射率较尚，使因在8. 0ym~14. 0ym波段的低发射而积累的热量及时 扩散。因此，研制具有光谱选择性发射的红外隐身材料，以解决红外隐身与辐射散热的矛 盾，是实现常温下红外隐身的关键。
[0005] 当前阶段，对可见光波段的光谱选择性发射辐射的研宄比较多见，最常见的有对 控温性能有较大要求的热控材料、太阳能光谱吸收涂层等等。但是在红外波段的选择性发 射辐射的研宄尚停留在理论研宄与设计阶段，实际的制备技术并不多见。将具有光谱选择 性发射性能的材料应用于红外隐身领域的研宄更是比较少见。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，针对常温条件下8. 0ym~14. 0ym波段的发射 辐射的调制，克服以上【背景技术】中提到的红外隐身带来的隐身与散热的兼容性问题，提供 一种在8. 0ym~14. 0ym波段具有低发射率性能、在其他波段具有高发射率性能的8~ 14ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，还相应提供一种工艺简单、重复性好、设备要 求低的8~14ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜的制备方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种8~14ym波段选择性低发 射率的红外隐身薄膜，所述红外隐身薄膜可对光谱的发射辐射进行调控，实现在8. 0 ym~ 14. 0 ym的红外窗口波段的低发射率，其他波段实现高发射率，以实现在常温环境下的红外 隐身；所述红外隐身薄膜具有多层膜结构，主要由高折射率Ge材料层（H)和低折射率ZnS 材料层（L)交替叠加而成。该材料体系与红外隐身材料的其他材料体系相比，折射率之比 更大，可以更好地实现特定波段选择性发射的效果，高反射区域可以更好地覆盖8. 0 ym~ 14.0 ym波段，同时在相同的选择性发射的要求下，该材料体系组成的多层膜的膜层数目 少，便于制备。所述多层膜结构中各膜层的厚度呈现无规律分布，多层膜的不均匀无规律分 布在多层膜体系中产生电磁带隙，当电磁波的频率落入电磁带隙中时（本发明中即对应于 8. 0 ym~14. 0 ym的电磁波段），电磁波无法在其中继续传播，以使得对于前述8. 0 ym~ 14.0ym波段内的任意波长X，多层膜结构中均有一定数量的膜层，其光学厚度接近A/4， 从而实现了在某一波段下的高反射率。
[0008] 上述的8~14 y m波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述高折射率Ge 材料层的折射率为nH= 3. 97~4. 02,所述低折射率ZnS材料层的折射率为ru= 2. 16~ 2. 20〇
[0009] 上述的8~14 y m波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述红外隐身薄 膜具有奇数层的多层膜结构，且多层膜结构的层数不少于7层。更优选的，所述红外隐身薄 膜具有共计7层的多层膜结构，且从最里层到最外层依次采用高折射率Ge材料层和低折 射率ZnS材料层交替布置方式，且最里层和最外层均采用高折射率Ge材料层。更优选的， 在前述7层的多层膜结构中，从所述最里层到最外层的各层厚度依次为680. 0±10.0 nm、 1200. 0±10. 0nm、620. 0± 10.0 nm、1125. 0±10. 0nm、620. 0± 10. 0nm、985. 0± 10.0 nm、 268. 0± 10.0 nm〇
[0010] 经过优化设计后，上述7层的多层膜结构的各膜层厚度设计如下表1所示：
[0011] 表1 :优化设计的膜层结构
[0012]
[0013] 上述的8~14 ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述红外隐身薄 膜是利用磁控溅射工艺制备得到。
[0014] 上述的8~14 ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，优选的，所述其他波段是 指的5. Oym~8. Oym波段。更优选的，所述红外隐身薄膜在8. 0 y m~14. 0 y m红外窗口 波段的发射率为〇. 1以下（优选〇. 08左右），所述红外隐身薄膜在5. 0 y m~8. 0 y m的非 红外窗口波段的发射率达到0. 45以上（优选0. 45左右）。
[0015] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的8~14ym波段选择性低发射 率的红外隐身薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0016] (1)衬底的清洗：首先使用去离子水清洗衬底表面杂物，再用无水乙醇浸泡在超 声波清洗仪里清洗（一般不少于10.0 min)，最后风干（可用电吹风等各种风干方式），将衬 底固定在样品台上；所用衬底材料优选为硅片；
[0017] (2)采用射频磁控溅射的方法在衬底表面交替镀上高折射率Ge材料层和低折射 率ZnS材料层；
[0018] 溅射镀高折射率Ge材料层的溅射条件包括：衬底温度为300. 0°C~400. 0°C，射频 溅射功率为50. 0W~100. 0W，溅射时间为15. Omin~45. Omin ;
[0019] 溅射镀低折射率ZnS材料层的溅射条件包括：衬底温度为50. 0°C~100. 0°C，射频 溅射功率为100. 0W~200. 0W，溅射时间为30.0 min~40.0 min。
[0020] 本发明的上述制备方法中，用于溅射镀膜的设备为磁控溅射镀膜机。
[0021] 针对本发明的8~14 y m波段选择性低发射率的红外隐身薄膜的性能特点，本发 明提出了一种优选以硅片为衬底、以Ge层和ZnS层交替叠加组成的多层膜结构的技术方 案。需要特别指出的是：根据基尔霍夫定律，材料的透过率（T)、反射率（R)和发射率（e ) 有以下关系：
[0022] T+R+ e = 1 ；
[0023] 而本发明上述优选的技术方案中由于采用了不少于7层的多层膜结构，所含膜层 较多，这使得红外隐身薄膜的透过率接近为〇 ;因此，反射率（R)和发射率（e)的关系可近 似表示为R+e ~ 1，即在某些波段的低发射率可用高反射率来表示。
[0024] 基于以上的技术原理，本发明上述技术方案主要是遵循以下技术思路：
[0025] (1)当光线垂直入射，高低折射率之比nH/V越大时，反射率则越高，发射率相应越 低。本发明中所选用的高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层为经过我们优化筛选后 的材料。二者折射率之比较大，这有利于达到最理想的光谱选择性发射的效果。同时，材料 的折射率之比n H/V越大，在同样的波段选择性发射的要求下，所需的多层膜的膜层数目越 少，便于制备。此外两种材料作为红外波段的窗口材料，与其他材料相比具有更好地化学稳 定性、抗氧化性以及热稳定性；两种高低折射率材料的结合，各层间界面结合力强，无明显 的应力。
[0026] (2)为了保证在8. 0 ym~14. 0 ym波段均具有低的发射率，即高反射率，可使膜层 相继各层的厚度呈现不均匀分布，其目的在于确保对于前述波段内的任意波长A，多层膜 结构中有一定数量的膜层，其光学厚度接近X/4,以得到对于波长A下的高反射率。同时 根据薄膜的电磁透过理论，多层膜的不均匀分布在多层膜体系中产生电磁带隙，当电磁波 的频率落入电磁带隙中时（本发明中即对应于8. 0 y m~14. 0 y m的电磁波段），电磁波无 法在其中继续传播，从而实现了在某一波段下的高反射率。
[0027] (3)典型的具有光谱选择反射的膜系结构是由高、低折射率材料搭配组合而成，且 优选情况下膜层的最两边膜层均设计为高折射率材料层，中间交替的含有高折射率材料层 和低折射率材料层，以便获得同等层数条件下的最高的反射率（最低的发射率）。因此，在 本发明上述的8~14ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜中，靠近Si衬底的最里层和 最外层均为高折射率Ge材料层。
[0028] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0029] 1.本发明的8~14ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜采用多层膜结构，膜 层由高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层交替叠加而成，该材料体系可较好地实现特 定波段下选择性发射的效果；二者均为红外波段的窗口材料，组成多层膜时热匹配较好，残 余热应力较小，且各层间界面结合力强，膜层不易脱落。
[0030] 2.在高温条件下，本发明选用的高折射率Ge材料层和低折射率ZnS材料层两种材 料均具有较好的热稳定性、机械强度和化学稳定性。
[0031] 3.本发明所提出的8~14 ym波段选择性低发射率的红外隐身薄膜，通过优化设 计后，在8. 0 y m~14. 0 y m红外窗口波段的发射率仅为0. 08左右，在5. 0 y m~8. 0 y m的 非窗口波段发射率则达到〇. 45左右。
[0032] 总体来说，本发明的具有光谱选择性低发射率性能的红外隐身薄膜，通过膜系优 化设计，较好地实现了光谱选择性发射的性能。这就使得该选择性低发射率红外隐身薄膜 兼顾了隐身与辐射散热的要求，对更好地实现高温条件下的红外隐身具有重要意义。
【附图说明】
[0033] 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。
[0034] 图1为本发明实施例1中8. 0 y m~14. 0 y m波段选择性低发射率红外隐身薄膜 的结构示意图；其中白色条纹部分表示高折射率Ge材料层（H)，黑色条纹部分表示低折射 率冗鸣材料层（L)。
[0035] 图2为本发明实施例1中8. 0ym~14. 0ym波段选择性低发射率红外隐身薄膜 的发射率谱图。
【具体实施方式】
[0036] 为了便于理解本发