光学薄膜-红外膜

光学薄膜——红外膜4红外膜相关介绍123红外膜制备技术常见红外膜及其应用国内外研究现状及发展方向目录1.红外膜的相关介绍红外膜是指对红外辐射是透明的固体薄膜，它主要的透明区是在中波范围（0.9um~5um）和长波范围8um~12um。大多数中波范围的材料在可见光范围（0.3um~0.7um）也是透明的。①定义1、基片的类型中波红外光学材料包括氧化物陶瓷，如A120,蓝宝石单晶、Zr02,Mg0,MgA120(尖晶石)、AION(氮氧化铝)、石英晶体和熔融石英;氟化物晶体如CaF2,MgFz,Si3N4,SiC等。长波材料大多是半导体材料，如W族半导体材料Ge,Si和金刚石;②红外膜类型2020/6/152、膜料类型红外膜系材料中，低折射率材料A1F3,MgF2,SiO2,A1203,ThF4，高折射率材料有ZnS,ZnSe,Zr02,HfO2,TiO2,Ta207,Si,Ge等。20世纪30年代80年代初近年来军事新型红外膜隐身材料20世纪90年代中期提出红外膜概念成为研究的热点③硬膜的发展历程红外膜研究取得了很多成果红外膜硫化锌ZnS硒化锌ZnSe氟化镁MgF2二氧化硅SiO2硅Si锗Ge氧化铝Al2O3④常见的红外膜材料化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition,CVD）是一种热化学反应过程，是在特定的温度和经过特别处理的基体（包括硬质合金和工具钢材质）表面所进行的气态化学反应。CVD技术常常通过反应类型或者压力来分类，包括低压CVD(LPCVD)、常压CVD(APCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)以及Hot-FilamentCVD和LaserInducedCVD等。2.红外膜制备技术①化学气相沉积技术等离子体辅助化学气相沉积是制备超硬薄膜的主要方法之一，它结合了物理气相沉积和传统化学气相沉积的优点，既可以在较低的温度下沉积薄膜，又可以用于复杂形状工件内表面镀膜，是改善工件表面磨损性能和抗高温氧化性能的有效途径。①化学气相沉积技术物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition,PVD）是利用某种真空物理过程，例如蒸发或者溅射实现物质的转移，即原子或分子由源转移到基体表面上，并沉积成薄膜。它是一种能真正获得纳米至微米级薄膜且无污染的环保型表面处理方法，在不影响基体尺寸的情况下，提高表面强度、增强耐腐性和摩擦磨损等性能。②物理气相沉积技术11采用物理气相沉积（PVD）镀膜技术制备的膜层具有高硬度、高耐磨性（低摩擦系数）、很好的耐腐蚀性和化学稳定性等特点，同时膜层还能够提高工件的外观装饰性。它能够制备各种单一金属膜（如铝、钛、锆铬等），也可以制备氮化物膜TiN（钛金）、ZrN（锆金）、CrN,TiAlN和碳化物膜（TiN,TiCN）以及氧化物膜（TiO）等陶瓷薄膜。②物理气相沉积技术阴极电弧技术利用真空环境下的弧光放电，使固体阴极靶材蒸发、离化并通过等离子体的强化作用，飞向阳极基体表面沉积成膜。阴极电弧是一种典型的高电流（可高达数百安培）电弧正因为如此，阴极电弧技术具有极高的沉积速率，从而也可大幅度改善膜的组织结构和力学性能。由于阴极电弧蒸发的过程非常激烈，阴极电弧蒸发过程中会产生较多的有害颗粒，这限制了阴极电弧技术在需要优质表面场合的应用。③阴极电弧技术磁控溅射技术是一项较为成熟且被广泛应用于功能性和装饰性镀膜领域的技术。在真空磁控溅射过程中，离子与阴极碰撞使得靶材被溅射出带有4~6eV的颗粒，其离化率在10%左右。④磁控溅射技术3.常见红外膜材料及其应用锗的优点是机械性能好和折射率极高，在多层增透膜设计中，用单层〔半波)锗膜常常明显地减少反射损失。锗随着温度升高则透过率下降，在300℃条件下，8~12um几乎完全失透，3~5um透过率仅为25℃时的20%左右。故锗不宜在高温和高功率的环境下使用。①锗Si的熔点约为1414摄氏度，在1.1um~8um范围内具有较好的光谱透过性能，在近红外区域折射率也能达到3.4左右。由于硅具有熔点高、热传导性能好、硬度高、化学稳定性强等特性，因而是一种非常重要的半导体材料，其优越的理化特性和光学特性使其在光学薄膜的红外波段的应用前景非常广阔。②硅氟化镁（MgF2）是目前用途较广的材料，具有很高的机械强度及抗热冲击性。MgF2是一种广泛采用的、性能优良的光学镀膜材料，它具有透明波段宽(120nm~8000nm)、折射率低(n=1.38)、热稳定性好、膜层机械强度大和激光损伤闽值高等优异性能，是制备增透膜、高反膜、高损伤闽值膜的首选膜料，因此，MgF2被广泛地应用于制备各种光学膜层。③氟化镁热压氟化镁在3~5um中波红外波段时其红外透过率可达90%以上，是现有红外材料中自身透过率最高的。热压氟化镁还具有机械强度高、抗热冲击性强、耐化学腐蚀以及各向同性等诸多特点，而且其介电常数和介电损耗较小，是良好的中波红外窗口、整流罩材料和中波红外毫米波微波厦合天线罩材料，广泛用于红外制导、红外成像制导、红外毫米波微波厦合制导以及飞机红外吊舱、光电雷达等红外跟踪、探测、制导系统中。③热压氟化镁大部分氧化物材料都有很多相似的性质，一般常用的氧化物材料Al2O3，SiO2等氧化物材料的特点为:具有耐高温、抗热冲击、机械强度高、坚硬等的特点，很适合作窗口材料。Al2O3材料作为一种很常用的高折射率材料广泛应用于多层膜介质膜中。其薄膜的光学特性强烈依赖于镀膜工艺条件和杂质污染等其他因素。其在镀膜工艺中常常因为它自身的稳定性，作为最后一层膜做保护层。④氧化物薄膜材料SiO2薄膜是一种重要的纳米薄膜材料，具有宽透明区(0.15~8um)、低折射率、高硬度、低热膨胀。系数、耐摩擦、耐酸碱、抗腐蚀等优点，被广泛应用于光学薄膜元件、半导体集成电路、电子器件、传感器、激光器件、化学催化、生物医学、表而改性和医药包装等领域。④氧化物薄膜材料⑤硫化锌和硒化锌ZnS是一种II-VI族化合物半导体，在可见光范围内具有高透明度。它是一种优良的光电功能晶体材料，其光学均匀性及多波段透过性能好，化学稳定性好。硒化锌的性质和硫化锌的性质基本相同，不同的是机械强度较低，熔点也没有硫化锌高，在较低温度是吸收很小。根据制备工艺的不同，ZnS通常分为热压ZnS,CVDZnS和多光谱ZnS。⑤硫化锌热压ZnS是五六十年代发展并完善起来的一种红外材料，借用了粉末冶金中的热压工艺制备而成，但其脱模较困难，易造成产品破裂，而且达不到理论的密度，含有大量的微气孔，形成散射中心。CVD硫化锌的光学性能明显优于热压硫化锌。但是CVD硫化锌在可见光波段是不透明的，其外观呈橘黄色。这是由于ZnS中夹杂的氢原子与S空位、Zn结合成复杂的络合物成为散射中心导致呈现橘黄色，透过率下降。⑤硫化锌CVD硫化锌经过一次热等静压(HIP)处理后称为多光谱硫化锌;其透射短波起始在0.35um。和CVD硫化锌相比，在整个透射波段透过率都有改善。4.国内外研究现状及发展方向1、研究现状红外膜因为其波长范围宽使得其应用的范围特别广泛，随着今年来科技的发展，各种镀膜材料和镀膜工艺逐渐完善，当然红外膜的发展也有了很大的提高。现在红外膜已经逐渐在国防军事、生物科技、教学研究、生活应用等各个领域发展起来，并且日趋成熟。但是确实还有很多问题没有得到很好的解决：1、研究现状首先，膜层强度差。虽然红外膜在8~12um波段，平均透射率能达到98%，但膜层强度差，很多公司在制作红外模时，只能应用于仪器的内部，这在很大程度上局限了红外膜的发展。此外，多数红外材料像是NaCl、KCl、CsI等玻璃都怕潮湿，这些材料至今尚未找到满意的“三防膜”料。国内采用ThF4作为三防膜料，波段只到15um，而且有放射性，膜层很不理想。1、研究现状还有就是红外膜料的种类不是很多，特别是在远红外波段，至今没有一种让人满意的低折射率的硬膜料。2、发展状况近年来，硬碳膜因为其出色的特点得到了各国科学工作者的极大重视。它的特点如下：硬度特别坚硬、化学性能稳定，耐腐蚀性高、折射率可变、透射波长范围宽（可见光到50um）、电阻率高、热导率好、密度大、禁带宽度0.8~1.8eV、不吸水、压应力高，具有负温度系数、原材料便宜等特点。在发展的过程中，科学工作者也实验性的做出了硬碳膜的两种制备方法：低能碳离子沉积法和射频分离碳氢气体两种沉积方法。3、红外膜应用二战后，隐身技术作为重大军事技术得到迅猛发展，美、俄、口、英、法等世界军事强国都投入了巨额的经费进行研究，并取得丰硕的成果。现代化的国家需要现代化的国防，隐身和反隐身技术的高低越来越可以表明一个国家的军事力量的强弱和国防能力的大小。因此，研究和发展隐身和反隐身技术，对于未来的反侵略战争具有极其重要意义。隐身技术(又称为目标特征信号控制技术)是通过控制飞机、坦克、舰艇等武器的信号特征，使其难以被发现、识别和跟踪打击的技术。它是针对探测技术而言的。其主要包括可见光(视频)隐身、红外隐身、雷达隐身、激光隐身和声隐身等。实现隐身的技术途径主要包括外形设计、隐身材料以及等离子体隐身技术等等。其中，采用隐身材料是一项适用范围广，并且对武器性能影响很小的重要技术。红外隐身膜3、红外膜应用常用的涂层红外隐身技术，是在高发射率衬底表面涂覆一层低红外发射率涂料，与其它高发射率表面构成一种红外迷彩，从而尽量打破目标红外图像的几何轮廓，降低目标与周围环境的热辐射对比度，实现红外隐身的目的。低红外发射率的涂料通常铝粉、着色颜料和有机粘合剂粘合而成，或由掺杂的半导体材料构成。低红外发射率薄膜是另一类有潜力的红外隐身材料，与涂层相比，薄膜的制备工艺比较复杂，成本也较昂贵。目前，低发射率薄膜按结构成分的不同，可分为金属薄膜、半导体薄膜、电介质薄膜等几种基本类型。红外隐身膜3、红外膜应用金属薄膜可以实现较低的红外发射率，但是对雷达波和可见光的反射率较高，不容易实现与其它波段的隐身技术兼容。半导体薄膜可以通过调整其掺杂浓度，改变其等离子频率，调整薄膜的反射率谱，实现可见光低反射、1.06um激光低反射、红外高反射(低发射)，实现多波段兼容隐身电介质薄膜可以利用离子晶体的剩余射线区域，实现红外波段的高反射(低发射)，而在其它波段，由于电介质自由载流子少，很难与其它波段的电磁辐射祸合，可以实现其它波段电磁波的透明，从而不影响其它波段的隐身。红外隐身膜谢谢！！