CN110703369A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种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，包括衬底、设置在衬底表面的激光隐身层、设置在激光隐身层表面的红外宽谱损耗性介质膜层以及设置在最外层的可见光膜层，其满足：对10.6μm波段的激光波的吸收率在0.9以上；对3‑5μm以及8‑14μm波段的红外光吸收率低于0.3；对5‑8μm波段内的红外光的吸收率为0.7～0.9。本发明利用激光隐身层实现激光隐身的目的；利用红外宽谱损耗性介质膜层的干涉实现光谱选择性辐射和高效的散热窗口；利用可见光膜层的干涉实现可见光波段的选择性反射与吸收，通过设置不同厚度改变隐身材料的颜色从而实现可见光的迷彩隐身。
Description
技术领域
本发明涉及一种光波段多重隐身领域，特别涉及一种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。
背景技术
光波段的军事探测手段有可见光探测、红外探测和激光探测等。相应的也有迷彩伪装、低发射率涂层、激光吸收涂层等避免被探测到的隐身手段。武器装备等在战场上可能同时面临可见光、红外、激光等多个光波段的侦查，仅使用对抗单一频带的隐身材料是远远不够的。多功能隐身材料即多波段兼容型隐身材料的研究是今后军事隐身材料技术的发展方向之一。
全光波段的隐身需要综合可见光波段的颜色迷彩、中红外的低发射率还有针对激光波长的高吸收，实质上是对光谱的选择性反射、吸收、辐射等，纳米材料比如纳米膜系结构和表面纳米结构等是实现光谱选择性的重要手段。目前已有研究人员通过纳米膜系结构实现激光隐身和红外隐身的兼容(CN103293582A)，但可见光隐身并没有被兼顾在内。此外，膜系结构的隐身效果依赖于较多的膜层数量(至少大于5)且对每一层厚度的变化非常敏感，在工艺实施上还面临一些挑战。表面纳米结构方面，有研究人员提出一种选择性辐射红外隐身结构(CN106767168A)，利用复合尺寸结构单元的超材料，从大气窗口的低辐射率和非大气窗口波段高辐射制冷两方面降低红外探测频段的辐射强度。然而，此结构只考虑了针对红外相机探测的单一隐身手段。
目前还没有同时实现可见光迷彩、红外隐身和激光隐身的纳米材料被报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有光波段多重隐身纳米材料存在的缺点和不足，提出一种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，通过吸收和辐射频谱设计实现兼容可见光、红外和激光的隐身技术。
一种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，包括衬底、设置在衬底表面的激光隐身层、设置在激光隐身层表面的红外宽谱损耗性介质膜层以及设置在最外层的可见光膜层，其满足：
对10.6μm波段的激光波的吸收率在0.9以上；
对3-5μm以及8-14μm波段的红外光吸收率低于0.3；
对5-8μm波段内的红外光的吸收率为0.7～0.9。
对于衬底，其主要用于实现对膜层的支撑，可以选择撑性的物体，即固体材料。优选的，所述的衬底为硅片。
作为优选，所述激光隐身层为包含以金属圆盘为单元的二维矩形阵列的金属层。利用金属圆盘矩形阵列的光栅共振模式实现对正入射10.6μm激光波的高吸收(高于0.9)，达到激光隐身的目的。
作为优选，所述金属为金、银、铜、铝中的一种或多种。进一步优选为金。
作为优选，金属圆盘为直径为5～6μm，高度为0.5～1.5μm，阵列周期为9.5～10.5μm的圆柱体结构。
作为优选，所述激光隐身层(或者所述金属层)包括敷设在衬底一侧表面的金属基体以及设置在金属基体表面的所述金属圆盘。所述金属基体的厚度大于100nm，比如可以为200～1000nm。
作为优选，所述红外宽谱损耗性介质需要满足：在3-14μm红外波段存在吸收，即折射率虚部不为零，其中3-5μm和8-14μm的折射率虚部小于0.1。利用红外宽谱损耗性介质(比如红外宽谱损耗性的晶态锗锑碲合金)薄膜内的干涉实现光谱选择性辐射，两个中红外大气窗口(3-5μm，8-14μm)平均辐射率均低于0.3，而大气窗口之外的5-8μm波段内的辐射率约为0.8，满足红外隐身的同时给目标提供了高效的散热窗口。
作为优选，所述红外宽谱损耗性介质膜层为锗锑碲合金薄膜，厚度t1和折射率n1满足4n1 t1≈6.5。优选的，所述的锗锑碲合金薄膜为红外宽谱损耗性的晶态锗锑碲，厚度t1＝0.25μm。在6.5μm波长处，其折射率n1≈6.26+0.55i(i为虚数单位)，满足减反膜条件：4n1t1≈6.5μm。
本发明利用硅薄膜内的干涉实现可见光波段的选择性反射与吸收，通过设置不同厚度改变隐身材料的颜色从而实现可见光的迷彩隐身。作为优选，所述可见光膜层满足：
带隙Eg>0.41eV；
等离激元共振频率较高ωp＞1.65×1010Hz。
作为优选，所述可见光膜层选择的材料为Si、Ge、ZnSe、GaAs中的一种或多种，其厚度为5～40nm。优选的，所述的硅薄膜为无定形硅或晶态硅，硅纳米膜的厚度与颜色的对应关系如下：黄色：约8nm；蓝色：约20nm；绿色：30nm。
本发明采用圆柱形金属周期阵列，实现了对10.6μm的吸收的极性无关。利用红外宽谱损耗性介质膜层实现对5-8μm波段的吸收的极性无关。
作为一种具体的实施方案，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，自下而上包括衬底、以金属圆盘为单元的二维矩形阵列、锗锑碲合金薄膜和硅薄膜。
本发明中，主要是针对光波对正入射的情况，然而对于倾斜入射的情况下，10.6μm的激光虽然不被本发明的隐身材料吸收，但是被反射到完全背离激光探测器的方向，倾斜入射情况下对10.6μm激光的吸收是没有必要的，也就是说即使对于倾斜入射的情况下，本发明也能实现对光波的隐身。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用金属圆盘矩形阵列的光栅共振模式实现对正入射10.6μm激光波的高吸收(高于0.9)，达到激光隐身的目的；
(2)本发明利用宽谱损耗性的晶态锗锑碲合金薄膜内的干涉实现光谱选择性辐射，两个中红外大气窗口(3-5μm，8-14μm)平均辐射率均低于0.3，而大气窗口之外的5-8μm波段内的辐射率约为0.8，满足红外隐身的同时给目标提供了高效的散热窗口；
(3)本发明利用硅薄膜内的干涉实现可见光波段的选择性反射与吸收，通过不同厚度改变隐身材料的颜色从而实现可见光的迷彩隐身；
(4)本发明的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，极化角从0逐渐增加到90°，辐射峰的频率和高度基本保持不变，该结构的热辐射是极化无关的；
(5)本发明的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，入射角从0逐渐增加到90°，原本处于10.6μm的吸收峰产生红移。倾斜入射的情况下，10.6μm的激光虽然不被本发明的隐身材料吸收，但是被反射到完全背离激光探测器的方向，因此倾斜入射情况下对10.6μm激光的吸收是没有必要的。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的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结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的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结构光学显微镜图；
图3为本发明实施例1提供的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的可见光的红外吸收谱；
图4为本发明实施例1提供的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真实温度与伪装温度的定量关系；
图5为本发明实施例1提供的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的红外隐身效果图；
图6为本发明实施例1提供的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与传统低辐射率隐身涂层在同一加热功率下的温度对比。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1和图2所示，本发明实施例1提供一种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，自下而上包括衬底、敷设在衬底上包含有以金属圆盘为单元的二维矩形阵列结构的金属层、依次敷设在金属层上的锗锑碲合金薄膜和硅薄膜。金属层包括敷设在衬底上的金属基层，以及设置在基层顶面的金属圆盘二维矩形阵列结构。金属圆盘二维矩形阵列结构与基层可以为一体设置，当然也可以选择分体设置。
其中，衬底为硅片；金属圆盘为单元的二维矩形阵列结构以及基层部分均由金制成，圆盘直径D＝5.5μm，(凸出基层部分的高度)高度h＝1μm，(x方向和y方向)阵列周期p＝9.8μm；锗锑碲合金薄膜为红外宽谱损耗性的晶态锗锑碲，厚度t1＝0.25μm，在6.5μm波长处，其折射率n1≈6.26+0.55i，满足减反膜条件：4n1t1≈6.5μm；硅薄膜为无定形硅或晶态硅的硅纳米膜，硅纳米膜的厚度与颜色的对应关系如下：黄色：约8nm；蓝色：约20nm；绿色：30nm。
如图3所示，电磁波正入射(入射角为90度)时，结构(即本发明的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)在10.6um波长处有一个窄的吸收峰，在5-8um有一个宽谱的吸收(辐射)峰，在3-5um和8-14um两个红外大气窗口平均吸收(辐射)率低于0.3。两个红外大气窗口的低辐射率意味着所述结构在表面温度比背景高时，也可实现辐射强度与背景辐射强度一致，在红外成像中表现为伪装温度与背景一致，即实现红外隐身。同时，10.6μm处的高吸收率(>0.9)实现了激光隐身。此外，在5-8μm的宽谱辐射提供了一个辐射制冷通道(平均吸收率为0.8)，实现温度管理。
如图4所示，室内环境温度为Ta＝20℃，样品的实际温度由温控加热台控制并读取，红外相机(Fluke Ti10)默认辐射率参数∈IR＝1，距离样品1m处记录样品的伪装温度。图4中散点为实验测得的样品实际温度T(温控台示数)和伪装温度Tr(红外相机示数)之间的定量关系。理论上红外相机收集到样品表面的红外强度为
其中∈(λ)和∈a(λ)分别为样品和环境的辐射率，IBB为黑体辐射光谱，C为角度积分因子。根据强度可求出样品的理论伪装温度Tr＝P-1(∈IR,T)，如图4曲线所示。由于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在大气窗口的辐射率很低，其在红外相机中显示的温度远低于其实际温度，因此，可以根据背景温度调整武器装备表面的实际温度，使其伪装温度与背景温度一致，达到红外隐身效果。从图4检测结果也可以看出，采用本发明的多功能隐身材料，其得到的实际伪装温度与理论伪装温度具有较高的一致性，进一步证明了本发明的高精度。
如图5所示，背景(树叶)温度为35℃，利用温控加热台设置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的温度为65℃，用相机和红外相机记录此时的可见光图像(图5左图)和红外图像(图5右图)，红外图像中样品存在所设计纳米结构区域(黑色虚线框)的伪装温度与背景温度一致，达到红外隐身效果。
图6为基于选择性吸收与辐射纳米结构的光波段功能隐身材料的热管理特性演示。基于选择性吸收与辐射纳米结构的光波段功能隐身材料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金膜(200nm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金膜表面的热电偶。由低到高设置加热功率，分别记录样品和金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的温度低于传统低辐射表面材料。比如，当加热功率为19W时，样品表面的实际温度(155.3℃)比金膜(170.3℃)低达15℃。在高温时，所设计结构的辐射制冷热管理特性有更加优良的表现。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种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，其特征在于，包括衬底、设置在衬底表面的激光隐身层、设置在激光隐身层表面的红外宽谱损耗性介质膜层以及设置在最外层的可见光膜层，其满足：
对10.6μm波段的激光波的吸收率在0.9以上；
对3-5μm以及8-14μm波段的红外光吸收率低于0.3；
对5-8μm波段内的红外光的吸收率为0.7～0.9。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述激光隐身层为包含以金属圆盘为单元的二维矩形阵列的金属层。
3.根据权利要求2所述的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，其特征在于，所述金属为金、银、铜、铝中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的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，其特征在于，金属圆盘为直径为5～6μm，高度为0.5～1.5μm，阵列周期为9.5～10.5μm的圆柱体。
5.根据权利要求1～3任一项所述的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，其特征在于，所述激光隐身层包括敷设在衬底一侧表面的金属基体以及设置在金属基体表面的所述金属圆盘。
6.根据权利要求5所述的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，其特征在于，所述金属基体的厚度大于100nm。
7.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述红外宽谱损耗性介质需要满足：在3-14μm红外波段存在吸收，即折射率虚部不为零，其中3-5μm和8-14μm的折射率虚部小于0.1。
8.根据权利要求7所述的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，其特征在于，所述红外宽谱损耗性介质膜层为锗锑碲合金薄膜，厚度t1和折射率n1满足4n1t1≈6.5。
9.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述可见光膜层满足：
带隙Eg>0.41eV；
等离激元共振频率较高ωp＞1.65×1010Hz。
10.根据权利要求9述的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，其特征在于，所述可见光膜层选择的材料为Si、Ge、ZnSe、GaAs中的一种或多种，其厚度为5～40nm。
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| CN110703369B (zh) | 2020-07-31 |
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