可用于红外隐身的光谱选择性发射材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种可用于红外隐身的光谱选择性发射材料，所述光谱选择性发射材料为层状结构，所述层状结构包括衬底及交替叠加涂覆于所述衬底表面的金属层和红外透明介质层。本发明还相应提供一种上述光谱选择性发射材料的制备方法。本发明的光谱选择性发射材料，通过金属层和红外透明介质层的设计与优化，经理论分析及计算得知：在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm红外窗口波段发射率分别可达0.20和0.25以下，在5.0μm～8.0μm非窗口波段发射率可达0.80以上，该光谱选择性发射材料实现了红外选择性发射，兼顾了低发射率与辐射散热的要求，对更好的实现红外隐身具有重要的意义。

权利要求

1.一种可用于红外隐身的光谱选择性发射材料，其特征在于，所述光谱选择性发射材料为层状结构，所述层状结构包括衬底及交替叠加涂覆于所述衬底表面的金属层和红外透明介质层；

其中，所述金属层在3 14μm波段的消光系数大于5，所述红外透明介质层在3 14μm波段~ ~的红外透过率大于30%；

所述层状结构中与衬底接触的为金属层，然后在金属层上面依次交替涂覆红外透明介质层、金属层；所述与衬底接触的金属层的厚度为50 300nm，其他金属层的厚度为1 50nm，~ ~所述红外透明介质层的厚度为100 900nm。

~

2.根据权利要求1所述的光谱选择性发射材料，其特征在于，所述衬底的材料为硅、玻璃、金属、高分子材料中的任一种，所述金属层为镍、铬、金、银、铜、钨、铝、铂、钯中的任一种，所述红外透明介质层为硅、锗、碲、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化锂、氟化钡、氟化钙中的任一种。

3.根据权利要求1或2所述的光谱选择性发射材料，其特征在于，所述光谱选择性发射材料的层数为3 8层。

~

4.根据权利要求1或2所述的光谱选择性发射材料，其特征在于，所述光谱选择性发射材料在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm的红外窗口波段实现低发射率，其发射率分别为

0.20和0.25以下；所述光谱选择性发射材料在5.0μm～8.0μm的非窗口波段实现高发射率，其发射率为0.80以上。

5.一种如权利要求1 4中任一项所述的光谱选择性发射材料的制备方法，其特征在于，~包括以下步骤：采用沉积法在衬底表面交替叠加涂覆金属层与红外透明介质层。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述金属层采用电子束蒸发或磁控溅射法沉积，所述红外透明介质层采用电子束蒸发、磁控溅射、化学气相沉积或原子层沉积法沉积。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述衬底在涂覆前进行清洗，所述清洗先使用去离子水清洗，再浸泡在无水乙醇中超声清洗。

说明书

可用于红外隐身的光谱选择性发射材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于功能材料技术领域，尤其涉及一种光谱选择性发射材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 作为尖端的军事技术之一，隐身技术受到了越来越多的关注，对于打赢现代战争具有极其重要的意义。在各种隐身技术中，红外隐身占据着十分重要的地位。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。

[0003] 目前，降低目标的红外辐射出射度是实现红外隐身最主要的方式。根据Stefan-Boltzmann定律：M＝εσT4，红外辐射出射度与温度T和发射率ε相关。因此降低红外辐射出射度，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。目前，在目标表面涂覆红外低发射率涂层实现红外隐身是最常见的手段。

[0004] 传统的红外低发射率涂层在整个红外波段都具有低发射率，覆盖了红外探测的3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm波段。但是，红外全波段的低发射率会降低热辐射的效率，导致热量集聚、温度上升。结合Stefan-Boltzmann定律，温度的升高同样会导致红外辐射出射度的增加，增加了可探测性。由此可见，传统的红外低发射率隐身涂层带来了隐身与散热的不兼容问题，未能有效避免由于温度升高导致的红外辐射出射度的增加。因此，理想的红外隐身材料应该具备的光谱选择性发射的性能特点。具体来说：在红外探测窗口波段，即
3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm波段，材料具有低发射率，避免被侦查探测；而在非窗口波段，材料具有高发射率，提高热辐射的效率使热量及时扩散，达到辐射降温的目的。即从降低发射率和降低温度两方面出发，实现探测波段红外辐射出射度的降低，进而实现红外隐身。因此，研制具有选择性发射特点的红外隐身材料，实现低发射率与辐射散热的兼容，是实现红外隐身的关键。

[0005] 近年来，研究人员针对光谱发射辐射进行调制的研究日益成熟，并在热光伏技术、辐射制冷技术等领域取得了突破。但是，将具有光谱选择性发射特点的材料应用至红外隐身技术领域的研究与应用尚不成熟。中国专利CN104865617A公开了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，该红外隐身薄膜包括硅衬底及交替涂覆于硅衬底表面的高折射率材料层(Ge)及低折射率材料层(MgF2)，此红外隐身薄膜结构复杂，厚度较厚，不便于大面积制备，且高温环境下使用易造成材料层脱落，影响了红外隐身材料的使用。研究开发出一种结构简单、具有光谱选择性发射特点、可用于红外隐身的材料具有广阔的市场前景。

发明内容

[0006] 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，提供一种结构简单、易于制备、可用于红外隐身的光谱选择性发射材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

[0007] 一种可用于红外隐身的光谱选择性发射材料，所述光谱选择性发射材料为层状结构，所述层状结构包括衬底及交替叠加涂覆于所述衬底表面的金属层和红外透明介质层。上述层状结构为可对红外光谱的发射辐射特征进行调控的材料，最终实现在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm波段均具有低发射率，而在5.0μm～8.0μm波段具有高发射率。

[0008] 上述光谱选择性发射材料中，优选的，所述金属层在3～14μm波段的消光系数大于5，所述红外透明介质层在3～14μm波段的红外透过率大于30％。消光系数和透过率在这个范围内，可以使结构具有更好的选择性发射的光谱特性。

[0009] 上述光谱选择性发射材料中，优选的，所述衬底的材料为硅、玻璃、金属、高分子材料中的任一种，所述金属层为镍、铬、金、银、铜、钨、铝、铂、钯中的任一种，所述红外透明介质层为硅、锗、碲、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化锂、氟化钡、氟化钙中的任一种。上述各层材料之间热匹配性较好，且各层间有良好的附着力，膜层不易脱落。

[0010] 上述光谱选择性发射材料中，优选的，所述光谱选择性发射材料的层数为3～8层。

[0011] 上述光谱选择性发射材料中，优选的，所述层状结构中与衬底接触的为金属层，然后在金属层上面依次交替涂覆红外透明介质层、金属层。

[0012] 上述光谱选择性发射材料中，优选的，所述与衬底接触的金属层的厚度为50-300nm，其他金属层的厚度为1～50nm，所述红外透明介质层的厚度为100～900nm。本发明中膜层厚度的改变或层数改变，均有可能使得本发明中得到的材料的光谱特性偏离本发明预设的目标，控制各层的厚度控制在上述范围内，可以得到效果更好的光谱选择性发射材料。

[0013] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述光谱选择性发射材料的制备方法，包括以下步骤：采用沉积法在衬底表面交替叠加涂覆金属层与红外透明介质层。

[0014] 上述制备方法中，优选的，所述金属层采用电子束蒸发或磁控溅射法沉积，所述红外透明介质层采用电子束蒸发、磁控溅射、化学气相沉积或原子层沉积法沉积。

[0015] 上述制备方法中，优选的，所述衬底在涂覆前进行清洗，所述清洗先使用去离子水清洗，再浸泡在无水乙醇中超声清洗。

[0016] 本发明中利用金属层的高反射、强吸收特性、红外透明介质层的高透明特性以及几何光学原理，使3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm的电磁波无法进入具有强吸收特性的金属层中，从而实现结构在这两个波段的低发射率；而在5.0μm～8.0μm波段，电磁波可以进入金属层，利用金属层的强吸收特性，实现该波段的高发射率。上述三者相结合后再通过结构设计即可得到一种可用于红外隐身的光谱选择性发射材料。

[0017] 上述光谱选择性发射材料中，所述光谱选择性发射材料在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm的红外窗口波段实现低发射率，其发射率分别为0.20和0.25以下；所述光谱选择性发射材料在5.0μm～8.0μm的非窗口波段实现高发射率，其发射率为0.80以上。

[0018] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0019] 1、本发明的光谱选择性发射材料，通过金属层和红外透明介质层的设计与优化，经理论分析及计算得知：在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm红外窗口波段发射率分别可达0.20和0.25以下，在5.0μm～8.0μm非窗口波段发射率可达0.80以上，该光谱选择性发射材料实现了红外选择性发射，兼顾了低发射率与辐射散热的要求，对更好的实现红外隐身具有重要的意义。

[0020] 2、本发明的光谱选择性发射材料的结构简单，便于大面积制备与应用。

[0021] 3、本发明的光谱选择性发射材料制备工艺简单可行、重复性好、设备要求低。

附图说明

[0022] 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。

[0023] 图1为实施例1中的光谱选择性发射材料结构示意图。

[0024] 图2为实施例1中的光谱选择性发射材料在3.0μm～14.0μm波段的发射率谱图(理论仿真值)。

[0025] 图3为实施例1中制备得到的光谱选择性发射材料在3.0μm～14.0μm波段的发射率谱图(实测值)。

具体实施方式

[0026] 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作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

[0027] 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的含义相同。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。

[0028] 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。

[0029] 实施例1：

[0030] 一种如图1所示可用于红外隐身的光谱选择性发射材料，该光谱选择性发射材料为可对红外光谱的发射辐射特征进行调控的层状结构，该层状结构以玻璃为衬底，玻璃表面交替涂覆有金属层和红外透明介质层。

[0031] 本实施例的光谱选择性发射材料中，金属层为Al层，红外透明介质层为Si。本实施例的材料由金属层和红外透明介质层交替叠加复合而成，共四层。自衬底层开始依次为90nm Al层、720nm Si层、20nm Al层、420nm Si层，整个层状结构的总厚度为1250.0nm。

[0032] 本实施例中，720nm和420nm红外透明介质层Si的红外透过率高于40％，20nm和90nm金属层Al的消光系数大于5，小于40。

[0033] 本实施例中的光谱选择性发射材料的制备方法，金属层Al的沉积方法为电子束蒸发，介质层Si的制备方法为磁控溅射。

[0034] 根据本实施例的材料结构及优化设计后的计算仿真结果，由图2可以看出，本实施例最终的光谱选择性发射材料，在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm的红外窗口波段发射率分别为0.10和0.21左右，而在非窗口波段5.0μm～8.0μm发射率平均值约为0.71。

[0035] 根据本实施例制备得到的光谱选择性发射材料，测试其在3.0μm～14.0μm红外发射率，由图3可以看出，本实施例最终制备得到的光谱选择性发射材料，在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm的红外窗口波段发射率分别为0.17和0.32左右，而在非窗口波段5.0μm～
8.0μm发射率平均值约为0.82。

[0036] 实施例2：

[0037] 一种可用于红外隐身的光谱选择性发射材料，该光谱选择性发射材料为可对红外光谱的发射辐射特征进行调控的层状结构，该层状结构以硅片为衬底，硅片表面涂覆有金属层和红外透明介质层。

[0038] 本实施例的光谱选择性发射材料中，金属层为W，红外透明介质层为ZnSe。本实施例的层状结构由W金属层和ZnSe介质层交替叠加复合而成，自硅片衬底依次为50.0nm W、800.0nm ZnSe、18nm W、500.0nm ZnSe，整个层状结构的总厚度为1368.0nm。

[0039] 本实施例中，500nm和800nm红外透明介质层ZnSe的红外透过率高于50％，18nm和50nm金属层W的消光系数大于5，小于20。

[0040] 本实施例的光谱选择性发射材料的制备方法，金属层W的沉积方法为磁控溅射，介质层ZnSe的制备方法为电子束蒸发。

[0041] 根据本实施例的层状结构及优化设计后的计算仿真结果，本实施例最终的光谱选择性发射材料，在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm的红外窗口波段发射率分别为0.15和0.17左右，而在非窗口波段5.0μm～8.0μm发射率平均值约为0.76。

[0042] 根据本实施例制备得到的光谱选择性发射材料，测试其在3.0μm～14.0μm红外发射率，本实施例最终制备得到的光谱选择性发射材料，在3.0μm～5.0μm和8.0μm～14.0μm的红外窗口波段发射率分别为0.16和0.29左右，而在非窗口波段5.0μm～8.0μm发射率平均值约为0.80。