阅读说明：本技术 一种多波段兼容散热功能性红外隐身材料 (Multi-band compatible heat dissipation functional infrared stealth material ) 是由 *** 朱桓正 仇旻 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多波段兼容散热功能性红外隐身材料,包括红外与可见光波段的光学薄膜结构和适用于微波的金属-损耗导电层-金属的超表面结构,其满足：3-5μm波段的反射率在0.8以上；8-14μm波段的反射率在0.8以上；10.6μm波段的吸收率在0.8以上；5-8μm波段的吸收率在0.5以上；微波X波段的吸收率在0.8以上。本发明利用红外DBR的高反射特性实现了红外大气窗口波段的隐身并利用表层减反膜实现了可变的颜色。实现了在X波段的高吸收。同时微波超表面结构具有较小的厚度与单位面积重量,可以有效的避免由于隐身材料带来的额外重量负担。(The invention discloses a multiband compatible heat dissipation functional infrared stealth material, which comprises an optical thin film structure of infrared and visible light bands and a metal-loss conducting layer-metal super surface structure suitable for microwaves, and meets the following requirements: the reflectivity of the wave band of 3-5 mu m is more than 0.8; the reflectivity of the wave band of 8-14 μm is above 0.8; the absorptivity of the 10.6 mu m wave band is more than 0.8; the absorptivity of the wave band of 5-8 μm is above 0.5; the absorptivity of microwave X wave band is above 0.8. The invention realizes the stealth of the infrared atmospheric window wave band by utilizing the high reflection characteristic of the infrared DBR and realizes variable color by utilizing the surface antireflection film. High absorption in the X band is achieved. Meanwhile, the microwave super-surface structure has smaller thickness and unit area weight, and can effectively avoid extra weight burden caused by stealth materials.)

一种多波段兼容散热功能性红外隐身材料

技术领域

本发明涉及一种具有散热功能的，兼容可见光、中红外、激光以及微波的多波段隐身材料，是一种基于光学薄膜结构以及微波超表面结构的新型隐身材料。

背景技术

在军事雷达探测技术日益成熟的前提下，针对不同探测雷达而采用的隐身技术成为了军事目标提高战场生存能力的重要手段。在传统的军事目标的隐身技术中，主要强调对于微波雷达，主要是X波段(8-12GHz)的微波辐射的高吸收性质。而探测手段的不断更新，收集红外大气窗口(3-5μm、8-14μm)物体热辐射的红外热像仪、红外追踪导弹，采用高功率二氧化碳激光器(波长为10.6μm)的主动式激光雷达，以及位于可见光波段的光学成像，都对于传统的微波隐身材料覆盖下的军事目标造成了新的威胁。

面对结合不同电磁波段的探测技术，现有的研究主要实现了红外热辐射和微波兼容的隐身材料，或者是可见光和红外热辐射兼容的隐身材料。实现覆盖微波、红外热辐射、激光以及可见光的多波段隐身材料则需要探索。

发明内容

本发明针对现有隐身材料和隐身技术中存在的的缺点与不足，提出了一种结合适用于红外与可见光波段的光学薄膜结构和适用于微波的金属-损耗导电层-金属的超表面结构的多波段隐身材料，实现了在红外大气窗口(3-5μm、8-14μm)的低辐射、二氧化碳激光器波长下的低反射、可见光波段用于光学伪装的颜色以及微波X波段(8-12GHz)的高效吸收。并且，在红外非大气窗口波段同时也是非探测波段(5-8μm)，实现高辐射以实现热辐射辅助散热的功能。

一种多波段兼容散热功能性红外隐身材料，包括红外与可见光波段的光学薄膜结构和适用于微波的金属-损耗导电层-金属的超表面结构，其满足：

对波长为3-5μm波段的光的反射率在0.8以上；

对波长为8-14μm波段的光的反射率在0.8以上；

对波长为10.6μm波段的光的吸收率在0.8以上；

对波长为5-8μm波段的光的吸收率在0.5以上；

对微波X波段的吸收率在0.8以上。

本发明结合适用于红外与可见光波段的光学薄膜结构和适用于微波的金属-损耗导电层-金属的超表面结构的多波段隐身材料，实现了在红外大气窗口(3-5μm、8-14μm)的低辐射、二氧化碳激光器波长下的低反射、可见光波段用于光学伪装的颜色以及微波X波段(8-12GHz)的高效吸收。

作为优选，所述红外与可见光波段的光学薄膜结构由衬底、红外光波段膜层和可见光波段膜层；所述红外光波段膜层由依次交替沉淀在衬底上的高、低折射率材料薄膜层组成，最内层和最外层均为高折射率材料膜层；所述可见光波段膜层为低折射率材料薄膜层，其厚度远小于λ₁/(4n₁)，其中n₁为该膜层材料的折射率，λ₁为中红外光波长，一般为3-14μm。作为优选，所述可见光波段膜层的厚度为1-30nm。

作为一种具体的优选方案，所述多波段兼容散热功能性红外隐身材料中的适用于红外与可见光波段的光学薄膜结构基于二氧化硅或其他红外吸收基底，在基底上沉积锗-硫化锌薄膜膜系，中红外波段功能基于分布式Bragg反射器，可见光基于表面单层硫化锌在锗上形成的减反膜结构。

作为优选，所述高折射率材料为锗；所述低折射率材料选自硫化锌、硒化锌，氟化钡、氟化钙氟化物中第一种或多种。

作为优选，所述高折射率材料为锗，所述低折射率材料为硫化锌。

作为优选，高、低折射率材料薄膜层的总层数为11～15，其中至少有一个高折射率材料薄膜层的层厚小于λ₂/(4n₂)，其中n₂为该膜层材料的折射率，λ₂为8-14微米μm。

作为优选，所述衬底选自二氧化硅、氧化铝等。厚度为需要远大于中红外(3–14μm)波长，如100μm以上，进一步优选为100～1000微米。

作为优选，所述锗-硫化锌多层光学膜系结构中，红外波段DBR高反射结构与10.6的窄带高吸收所对应的锗-硫化锌多层光学膜系中，即所述红外光波段膜层中，从光入射方向到衬底，各层依次厚度为：锗0.7～0.8μm，硫化锌0.95～1.5μm，锗0.7～0.8μm，硫化锌0.5～0.6μm，锗0.2～0.3μm，硫化锌0.4～0.5μm，锗0.15～0.25μm，硫化锌0.4～0.5μm，锗0.5～0.6μm，硫化锌1.2～1.3μm，锗0.65～0.75μm。其中锗0.15～0.25μm不满足DBR的四分之一波长条件，是引入10.6μm的窄带高吸收的条件。

作为优选，所述锗-硫化锌多层光学膜系结构中，红外波段DBR高反射结构与10.6的窄带高吸收所对应的锗-硫化锌多层光学膜系中，即所述红外光波段膜层中，从光入射方向到衬底，各层依次厚度为：锗0.728μm，硫化锌0.992μm，锗0.728μm，硫化锌0.567μm，锗0.236μm，硫化锌0.444μm，锗0.208μm，硫化锌0.444μm，锗0.558μm，硫化锌1.200μm，锗0.709μm。其中锗0.208μm不满足DBR的四分之一波长条件，是引入10.6μm的窄带高吸收的条件。

经过试验证明，本发明所述锗-硫化锌多层光学膜系结构能够实现在红外大气窗口3-5μm波段的0.135、8-14μm波段的0.101的低辐射率，与此同时在二氧化碳激光器的10.6μm处具有0.87的高吸收率。同时在红外大气窗口外，非红外探测波段5-8μm具有0.6的辐射率，在结构温度大于大气温度的条件下，可以实现辅助辐射散热功能。

以上述具体优选方案为例，所述锗-硫化锌多层光学膜系结构中，实现可见光不同颜色的原理是红外DBR最上层锗厚度为0.728μm，而且锗在可见光波段为高损耗电介质层，其折射率虚部较大，故该层锗在可见光波段可以视为光学厚度足够大，红外DBR其他部分不对其可见光反射谱造成影响；此时最上层单层薄层硫化锌厚度变化带来的是的可见光波段中某个特定波长下的干涉相消，引起该波长下的高吸收，而对于其他波长影响较小，即产生了可见光反射谱的调制，产生了不同的颜色。

本发明中，所述多波段兼容散热功能性红外隐身材料中的适用于微波的金属-损耗导电层-金属的超表面结构基于双层覆铜板以及中间的ITO导电损耗层三层结构。

作为优选，所述适用于微波的金属-损耗导电层-金属的超表面结构包括：

靠近光学薄膜结构设置的顶层覆铜板；

底层覆铜板；

位于顶层覆铜板、底层覆铜板之间的ITO导电损耗层。

作为优选，所述顶层覆铜板包括电路板I以及周期阵列布置于电路板I上的方形铜板I；所述ITO导电损耗层包括透明膜以及周期阵列布置于透明膜上的方形氧化铟锡层；所述底层覆铜板包括电路板II以及布置于电路板II上的铜板II。

作为优选，铜板I边长为3～4mm，氧化铟锡层的边长为8～12mm，一个方形氧化铟锡层正对3×3个方形铜板I，方形氧化铟锡层的阵列周期为10～12cm。

作为一种优选方案，作为优选，所述铜-FR4/ITO/FR4-铜的超表面结构中，上下层覆铜板中铜层的厚度均为18μm，电路板(FR4层)厚度均为1mm。中间层ITO厚度为175nm，镀在一层厚度为0.175mm的PET膜上。中间层ITO为正方形阵列，每个单元的周期为11cm，ITO正方形边长为8.1mm。上层覆铜板与ITO具有相同的周期，但一个周期中有3×3个铜正方形，每个正方形的边长为3.2mm。该结构的尺寸相对于应用的微波X波段波长(2.5–3.75cm)属于亚波长结构，故称为金属-损耗导电层-金属的超表面结构。在结构中形成的低阶磁谐振加强了在结构中的电场强度，导致该结构在8-12GHz波段高于90％的高吸收，即回波损耗大于10dB。

作为一种更为优选的方案，满足：

对波长为3-5μm波段的光的反射率在0.85以上；

对波长为8-14μm波段的光的反射率在0.85以上；

对波长为10.6μm波段的光的吸收率在0.85以上；

对波长为5-8μm波段的光的吸收率在0.5以上；

微波X波段的吸收率在0.9以上。

本发明的技术方案是一种结合适用于红外与可见光波段的光学薄膜结构和适用于微波的金属-损耗导电层-金属的超表面结构的复合结构。该复合结构包括两个部分，位于上层的锗-硫化锌多层光学膜系结构，以及位于下层的铜-FR4/ITO/FR4-铜的超表面结构。其中锗-硫化锌多层光学膜系结构是基于二氧化硅衬底，沉积锗和硫化锌交替的膜层，膜层的厚度满足3-5μm与8-14μm分别的分布式Bragg反射器(Distributed BraggReflector，DBR)增强反射的需求，并引入其中一层锗层的厚度特定变化，实现10.6μm的窄带高吸收。在红外波段的DBR结构的上表面(与空气的界面)再镀一层硫化锌，通过调节该层硫化锌的厚度实现可见光波段的反射光谱，进而产生不同的颜色。其中铜-FR4/ITO/FR4-铜的超表面结构是基于两层底对底的覆铜电路板(电路板材料为FR4)，中间夹一层镀在PET上的ITO层。上层的覆铜板上铜为周期性正方形阵列，下层的覆铜板上的铜为完整一层。

本发明的用于红外、微波、可见以及激光的多波段兼容，同时具有辐射辅助散热的隐身材料。红外、可见与激光隐身是基于锗-硫化锌多层光学膜系结构，利用红外DBR的高反射特性实现了红外大气窗口波段的隐身并利用表层减反膜实现了可变的颜色。而微波隐身则是基于金属-损耗导电层-金属微波超表面结构，实现了在X波段的高吸收。由于利用非大气窗口波段实现了辐射辅助散热，可有效避免器件为实现红外隐身而引起的热累积。同时微波超表面结构具有较小的厚度与单位面积重量，可以有效的避免由于隐身材料带来的额外重量负担。

本发明的优点是：(1)针对于不同波长的电磁波探测技术，利用波长的差距，优化光学材料和结构以实现多波段兼容的隐身材料；(2)合理利用非红外大气窗口波段进行辐射散热，避免由于红外隐身导致的热累积；(3)相比于传统微波隐身材料或是结构，利用超材料结构实现较小厚度、较小单位面积重量下的高效吸收。

附图说明

图1锗-硫化锌多层光学膜系结构示意图，以及在10.6μm光正入射情况下的电场强度分布。

图2锗-硫化锌多层光学膜系的表层硫化锌膜厚度从1-30nm变化时，红外反射率的变化，以及呈现的可见光颜色在CIE1931色坐标中的位置。

图3金属-损耗导电层-金属微波超表面结构示意图，以及在8-12GHz波段的吸收率和在8GHz、12GHz位置结构中磁场强度分布。

图4为多波段兼容散热功能性红外隐身材料的一种实施方案结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：本实施方式案例以本发明提出的为前提，但本发明的保护范围并不限于下述实施方式与案例。

如图4所示，为本发明的一种实施方案，包括顶部的红外与可见光波段的光学薄膜结构和适用于微波的金属-损耗导电层-金属微波超表面结构(金属-损耗导电层-金属的超表面结构)。

如图1所示，红外与可见光波段的光学薄膜结构由衬底、红外光波段膜层和可见光波段膜层组成。本实施例中，衬底选择二氧化硅(厚度为1mm)。在二氧化硅衬底上，通过电子束蒸镀的方式依次沉积锗和硫化锌薄膜，厚度从上到下(沿入射光的方向)分别是锗0.728μm，硫化锌0.992μm，锗0.728μm，硫化锌0.567μm，锗0.236μm，硫化锌0.444μm，锗0.208μm，硫化锌0.444μm，锗0.558μm，硫化锌1.200μm，锗0.709μm。在没有表层用于形成颜色的硫化锌薄膜的情况下，在10.6μm的二氧化碳激光器照射下，由于中间从下往上第6层(衬底为第一层)锗，其厚度为0.208μm不满足DBR的四分之一波长条件，导致了该处电场强度较大，从而产生了10.6μm的窄带高吸收。

如图2所示，本发明所述锗-硫化锌多层光学膜系结构能够实现在红外大气窗口3-5μm波段的0.135、8-14μm波段的0.101的低辐射率，与此同时在二氧化碳激光器的10.6μm处具有0.87的高吸收率。同时在红外大气窗口外，非红外探测波段5-8μm具有0.6的辐射率，在结构温度大于大气温度的条件下，可以实现辅助辐射散热功能(本结果对应的可见光波段膜层的厚度为1-30nm，具体厚度可以根据目标颜色需要来确定)。

如图2所示，可见光波段膜层为硫化锌薄膜。在表面用于形成颜色硫化锌薄膜厚度从1nm到30nm变化下，整个锗-硫化锌多层光学膜系结构对于中红外的响应(反射曲线)并不会受到较大影响。而表面用于形成颜色硫化锌薄膜厚度从1nm到30nm变化可以导致该光学膜系结构对于可见光的反射谱的变化，从而产生不同的颜色，可见颜色如CIE1931色度坐标系中的散点所描述。

如图3所示，金属-损耗导电层-金属微波超表面结构由三个部分组成，分别是上层铜面朝上的覆铜板I、中间层镀有ITO薄膜的PET膜以及下层的铜面朝下的覆铜板II。上层的覆铜板I由电路板FR4以及镀在其上表面的铜层I组成。铜面朝下的覆铜板II由电路板FR4以及镀在其下表面的铜层II组成。铜层I和铜层II的厚度均为18μm，电路板(FR4层)厚度均为1mm。中间层ITO厚度为175nm，镀在一层厚度为0.175mm的PET膜上。其中最上最下两层铜作为金属，而两层FR4和中间层ITO作为损耗导电层。中间层ITO为正方形阵列，每个单元的周期为11cm(x方向和y方向的阵列周期均为11cm)，ITO正方形边长为8.1mm。上层覆铜板上的铜层I与ITO具有相同的阵列周期，但一个周期中有3×3个铜正方形，每个正方形的边长为3.2mm，即一个中间层ITO对应3×3个铜正方形。该结构的尺寸相对于应用的微波X波段波长(2.5–3.75cm)属于亚波长结构，在8GHz和12GHz处分别形成了不同位置的磁谐振，其中8GHz的磁场强度在ITO和下层铜之间较高，而12GHz的磁场在上层铜与ITO之间分布较强。在结构中形成的低阶磁谐振加强了在结构中的电场强度，导致该结构在8-12GHz波段高于90％的高吸收，即回波损耗大于10dB。