[发明专利]一种具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

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

随着隐身技术的不断发展，红外隐身作为其中一种重要的手段，得到了越来越多的关注。红外隐身，其概念是指消除或减小目标与背景间中远红外波段两个大气窗口(3.0μm～5.0μm，8.0μm～14.0μm)辐射特性的差别。

目前红外隐身技术中，常用的手段有两种：改变目标的红外辐射波段或是降低其红外辐射出射度，其中后者是最常见的技术手段。

由Stefan-Boltzmann定律：M＝εσT⁴，红外辐射出射度与温度T以及发射率ε有关。因此降低红外辐射出射度M，实现红外隐身，理论上可通过降低目标表面温度或发射率来实现。在当前的隐身手段中，常见的是在目标表面涂覆低发射率涂层。

传统的红外低发射率涂层在整个红外波段都具有较低的发射率，覆盖了红外探测的窗口波段，但是不具备选择性低发射的特点。全波段降低红外发射率会影响热传导的过程，导致热量集聚、温度上升。结合Stefan-Boltzmann定律，温度的升高导致了红外辐射出射度的增加，增加了可探测性。由此可见传统的红外隐身涂层带来了隐身与散热的兼容问题。因此，理想的红外隐身材料应该具备的性能特点是：在红外探测窗口波段，即3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm波段，材料具有较低的发射率，以降低其可探测性；而在非窗口波段的发射率应尽可能高，使热量可及时扩散，达到散热的要求。因此，研制具有光谱选择性发射的红外隐身材料，解决红外隐身与辐射散热的矛盾，是实现红外隐身的关键。

在当前阶段，研究人员针对可见光波段的光谱发射辐射进行调制的研究日益成熟。应用较多的如太阳能光谱选择性吸收涂层，这种涂层在太阳能光热转换中起着重要作用，对于提高光热转换效率，推广太阳能光热应用起着重要作用。但是，在红外波段进行光谱发射辐射的调控研究，乃至将具有光谱选择性低发射率性能的材料应用于红外隐身领域的应用还比较少见。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜，还相应提供制备工艺简单、重复性好、设备要求低的前述红外隐身薄膜的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜，所述红外隐身薄膜为可对光谱的发射辐射进行调控的薄膜，所述红外隐身薄膜为多层叠加结构，且多层叠加结构中包含有由高折射率材料层和低折射率材料层交替叠加组成的周期性叠层结构；所述多层叠加结构中各膜层的厚度在100nm～900nm之间无规律(或不均匀)分布，且多层叠加结构中至少有一定数量(例如一半以上，甚至全部)的膜层的光学厚度接近λ/4；所述λ是指红外窗口波段内的任意波长。各膜层之间一般优选通过化学键结合进行连接。

针对选择性低发射率红外隐身薄膜的性能特点，本发明的上述技术方案提出了一种优选以硅片为衬底的红外隐身薄膜，其主要由高折射率材料层和低折射率材料层叠加而成。根据基尔霍夫定律：材料的透过率(T)、反射率(R)和发射率(ε)有以下关系：T+R+ε＝1，而本发明提出的上述技术方案采用的是多层膜结构，所含膜层较多，这使得该红外隐身薄膜透过率接近为0，因此，反射率(R)和发射率(ε)的关系，可表示为R+ε≈1。因此，在某些波段的低发射率可用高反射率来表示。为了保证在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm波段均具有低的发射率，即高反射率，我们创造性地提出了以下思路，即：使多层膜结构的各层厚度参差不齐，其目的在于确保对应于上述两个大气窗口波段内的任意波长λ，多层结构中有一定数量的膜层，其光学厚度比较接近λ/4，以得到对应于波长λ下的高反射率。

上述的具有光谱选择性低发射率的红外隐身薄膜中，优选的：所述高折射率材料层为单晶Ge材料层(H)，所述低折射率材料层为MgF₂材料层(L)。更优选的：所述单晶Ge材料层的折射率为n_H＝3.97～4.02，所述MgF₂材料层的折射率为n_L＝1.35～1.39。在本发明的上述技术方案中，当光线垂直入射时，高低折射率之比n_H/n_L越大，则反射率越高，发射率越低；而前述使用的Ge材料层和MgF₂材料层均为红外波段的优选适用材料，且二者折射率之比在可选材料中较大，效果更好。