红外透波材料的研究发展

红外透波材料的研究发展摘要：红外透波材料是指对红外线透过率高的材料，是红外技术的应用基础之一。本文介绍了几类常用红外透过材料的基本性质，简述了其制备技术及发展现状，并讨论了各自存在问题，并对红外透波材料未来发展进行了展望。关键词：红外透波材料；玻璃；晶体；陶瓷；制备技术1引言目前，红外技术与激光技术并驾齐驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段。在二十世纪70年代以后，军事红外技术又逐步向民用部门转化。标志红外技术最新成就的红外热成像技术，与雷达、电视一起构成当代三大传感系统，尤其是焦平面列阵技术的采用，将使发展成可与眼睛相媲美的凝视系统。而红外透波材料是红外热成像系统的光学元件的重要材料。红外透波材料不但要求具有高性能、小体积，还要造价低。高性能主要包括：结构完整、组分均匀以免发生散射，在测量波段内具有高红外透射率；热稳定性好，透射比和折射率不应随温度变化而变化；载流子寿命长，不宜潮解，耐酸碱腐蚀性好；力学性能优良，可以承受高运动的速压载荷等。2红外透波材料的特征值2.1透过率一般透过率要求在50%以上，同时要求透过率的频率范围要宽。红外透波材料的透射短波限，对于纯晶体，决定于其电子从价带跃迁到导带的吸收，即其禁带宽度。透射长波限决定于声子吸收，和晶格结构及平均原子量有关。2.2折射率和色散不同材料用途不同，对折射率的要求也不相同。对于窗口和整流罩的材料要求折射率低，以减少反射损失。对于透镜、棱镜、红外光学系统要求尽量高的折射率。2.3发射率对红外透波材料的发射率要求尽量低，以免增加红外系统的目标特征，特别是军用系统易暴露。2.4其他和选择其他光学材料一样，都要注意其力学、化学、物理性质，要求温度稳定性好，对水、气稳定，力学性质主要有弹性模量、扭转刚度、泊松比、拉伸强度和硬度。物理性质包括熔点、热导率、膨胀系数及可成型性。此外要强调的物性是材料的热导率要高，特别是用于高速飞行器的时候。3红外透波材料的种类3.1玻璃玻璃的光学均匀性好，易于加工成型，价格便宜。缺点是透过波长较短，使用温度低于500℃。目前研究的红外透波玻璃材料主要有：氧化物红外玻璃、硫系玻璃和氟化物玻璃。3.1.1氧化物玻璃普通的氧化物玻璃包括铝酸盐玻璃、锑酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、亚碲酸盐玻璃、镓酸盐玻璃和锗酸盐玻璃等。由于高温稳定性远不如其他晶体材料好，而且氧化物玻璃存在金属氧化物键的振动导致在3-6μm波段吸收中断，不能透过波长更长的红外辐射，因而应用受到限制。3.1.2硫系玻璃硫系玻璃在国际上属于另一种新型红外光学玻璃透波材料，这种材料是以S、Se、Te为主要元素同时加入一定量的Ge、As、Sb、Ca等元素高温熔化，快速冷却形成的非晶态物质。这种材料主要有几大优势：（1）具有较弱的键强，特殊的电子组态，良好的近红外至中红外（2-15μm）透过性能和化学稳定性，可以有力抵挡水和空气腐蚀；（2）对高纯度昂贵Ge原料用量少；（3）玻璃转变温度Tg大于300℃，易于在低温下成型。其不足之处在于：影响透过的氧和氢杂质官能团去除困难，并且容易析出亚微米晶粒。此外，陈国荣等人在硫系玻璃中加入氮化物和卤化物形成硫氮玻璃和硫卤玻璃，实验表明这些玻璃的转变温度、显微硬度、断裂韧性、断裂能有所提高，热膨胀系数有所降低。3.2晶体红外透波晶体材料包括：金刚石、Ge、Si、ZnSe、ZnS、GaAs、GaP、蓝宝石、MgF2、尖晶石等单晶或多晶体。人们很早就利用晶体作为红外区域的材料。与玻璃相比，其透过长波限较长，最大可达60μm，折射率和色散范围也比较大，而且许多晶体熔点高，硬度高，热稳定性好，具有独特的双折射性能。缺点是制备晶体生长缓慢，且不易长成大尺寸，价格也高，因此应用受到限制。3.2.1半导体晶体锗、硅单晶体是两种常用的红外光学材料，硅在力学性能和抗冲击性上比锗好很多，受温度影响也比较小，但硅的折射率高，使用时需镀增透膜，以减少反射损失。相对而言，发展多晶硅更有优势，因为多晶硅有以下四个优点：一是可作适当的形状；二是可做成大尺寸；三是成本低；四是具有各向异性。但是多晶体物理性能不够稳定，机械强度和抗震能力也较差。3.2.2离子晶体离子晶体即碱卤化合物和碱土化合物。碱卤化合物有LiF、NaF、NaCl、KCl、KBr、KI、RbCl、RbBr、RbI、CsBr、CsI、MgF2等。一般来说，这类材料的熔点不高，比较容易生长较大的单晶，其退火工艺也不十分复杂，同时也比较容易实现光学均匀性。其中MgF2在用于红外窗口或整流罩时往往采用热压多晶体，具有高于90%的红外透过率，是较为满意的红外材料。硫化物单晶体ZnS、ZnSe都是很好的红外透过材料（ZnSe的红外透射率如图1[5]和图2[5]），但是工程上常用的是多晶体ZnSe，采用热压或化学气相沉积方法生产。热压产品物理性能上的优势是硬度和强度高；而化学沉积的ZnS和ZnSe，由于吸收系数很小，折射率均匀度高，常用于要求高的窗口。3.2.3金刚石金刚石是理想的红外透过材料。不仅因为它的透射谱从紫外波段一直延伸到远红外波段，吸收小，而且它具有极高的硬度、弹性模量、热导率和电导率，如表1[2]所示。金刚石还有很宽的禁带和极好的耐腐蚀性。但是金刚石在4-6μm中红外区吸收和辐射都比较大，并且高硬度造成对其切削、研磨加工非常困难，不易加工成型，因而获得的光学零件表面粗糙，精度较差。目前红外系统和红外窗口使用的金刚石是用CVD法制备的多晶金刚石材料，其性质与单晶金刚石性质十分相似，经镀制红外增透膜透过率可达到98%以上。表1.几种红外透波材料的物理性能比较3.3透明陶瓷红外透明陶瓷是一种耐高温的红外透波材料，它由真空烧结、加压烧结、真空加压烧结等工艺技术获得。和热压技术相比，陶瓷工艺技术中消除微孔的物理机制不仅有塑性流变效应的作用，而且更主要的是有固相扩散效应的作用，从而最大限度地降低自由能，形成稳定的透明陶瓷。红外透明陶瓷的种类有氧化铝透明陶瓷、氧化镁透明陶瓷、氧化锆透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷、氧化钙透明陶瓷等。大都属于立方晶系，因而光学上各向同性，晶体散射较小。3.4透红外塑料图1.ZnSe单晶的可见-近红外透过率曲线图2.ZnSe单晶的中-远红外透过率曲线某些塑料在红外区有良好的透过率，因而称之为透红外塑料。透红外塑料的优点是价格低廉、不溶于水、耐酸碱腐蚀等。由于塑料是链状分子构成的高分子聚合物，其复杂的分子结构和各种官能团必然导致非常多的晶格振动吸收带和旋转吸收带，这就降低了塑料的红外透过率，尤其是中红外波段，其透过率较差。另外，塑料的熔点较低，不适宜在高温环境中使用。常见的透红外塑料有甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）、聚乙烯、高密度聚丙烯、聚四氟乙烯和聚异戊二烯等[2]。4红外透波材料的展望目前我国红外热成像技术的发展还处于起步阶段，仍然需要开发更加耐高温、耐腐蚀、能够覆盖整个中红外波段和远红外波段材料。大尺寸、低价格仍然是晶体类红外材料需要解决的问题。在晶体材料中，ZnSe是较为看好的中远红外透过材料，但还需要提高ZnSe等单晶制备技术和生产效率来满足应用要求，并且也迫切需要找出最佳耐磨防反射膜[2]。对于玻璃类红外材料，制备工艺简单，容易产业化，对我国的红外技术发展很有利，可以克服晶体红外材料的不足。而玻璃材料中硫系玻璃目前被看做最有可能代替单晶体用于热成像系统或红外窗口的红外材料，在国内外把这种材料当做红外透波材料的研究都刚刚起步，目前还迫切需要研究1-14μm具有高透过率、软化点高、对环境要求低，而且镀膜产品直接能够满足红外窗口、热成像仪所要求的硫系玻璃及相关技术。参考文献[1]许少华.透波莫来石材料的制备与研究[D].武汉理工大学,2008.[2]许军锋,坚增运,常芳娥,等.红外透波材料的发展现状与展望[J].中国材料科技与设备,2006,(5):28-32.[3]杨培志,刘黎明,张小文,等.长波红外光学材料的研究进展[J].无机材料学报,2008,23(04):641-646.[4]雷牧云,李祯,洪冬梅,等.宽波段窗口材料透明尖晶石的透过性能[J].红外与激光工程,2012,41(3):549-553.[5]么艳平,刘景和.ZnSe红外窗口材料的性能及其制备[J].人工晶体学报,2006,35(1):183-187.