Al/Cr2O3复合薄膜的设计、制备及可见光与红外特性研究

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针对军事目标对多波段兼容伪装材料的需求,选择Al/Cr2O3复合薄膜结构作为多波段兼容伪装材料。对Al/Cr2O3的膜系结构进行了设计,并对其制备工艺和可见光与红外特性进行了研究,制备出了性能优异的Al/Cr2O3多波段兼容伪装材料。通过TFCalc软件模拟不同厚度的Cr2O3薄膜在Al基底上的可见光反射光谱,然后计算出复合薄膜的颜色。根据计算结果,采用磁控溅射工艺制备出具有特定颜色的复合薄膜。利用下层Al薄膜的红外低发射率特性和上层Cr2O3薄膜的可见光着色特性,Al/Cr2O3复合薄膜同时具备红外波段的低发射率特性和可见光波段的颜色特性,实现可见光与红外兼容伪装。采用磁控溅射工艺分别制备了Al薄膜、Cr2O3薄膜以及Al/Cr2O3复合薄膜。研究了溅射温度对Al薄膜表面形貌的影响,随着溅射温度的升高,Al薄膜表面粗糙度逐渐增大。重点研究了Cr2O3薄膜的溅射制备工艺,如溅射温度、溅射时间、溅射功率和溅射气压对Cr2O3薄膜的物相结构、元素成分、表面和断面形貌的影响。实验表明,溅射温度为500℃时,可制备出晶态Cr2O3薄膜(c-Cr2O3);利用Cr2O3陶瓷靶可以制备出符合原子百分比的Cr2O3薄膜,薄膜无其他价态的Cr的氧化物;随着溅射温度和溅射功率的增大,Cr2O3薄膜的表面粗糙度均呈增大的变化趋势,当溅射气压为4 mTorr时,制备Cr2O3薄膜的速率最快,约为70 nm/h。通过优化制备工艺,分别在Al片和Si片上制备出具有可见光与红外兼容伪装特性的Al/Cr2O3复合薄膜。研究了基片种类、Cr2O3薄膜的结晶状态与厚度等对复合薄膜可见光着色特性和红外低发射率特性的影响,通过改变Cr2O3薄膜的厚度对复合薄膜的可见光着色特性和红外低发射率特性进行了优化。当晶态或非晶态Cr2O3薄膜厚度较小时,复合薄膜的颜色随着Cr2O3薄膜厚度的增大而改变;当Cr2O3薄膜厚度大于700 nm时,复合薄膜的颜色趋于稳定;在35μm波段,当晶态或非晶态Cr2O3薄膜厚度从200 nm变为300 nm时,复合薄膜的红外发射率均会出现突然增大的现象,之后发射率随厚度增加呈现出先减小后增大的周期性变化趋势;在814μm波段,随着Cr2O3薄膜厚度的增大,复合薄膜的红外发射率呈逐渐增大的变化趋势。在复合薄膜结构中,当c-Cr2O3薄膜的厚度大于700 nm后,复合薄膜的颜色显示绿色;当非晶态Cr2O3薄膜(α-Cr2O3)的厚度在100 nm300 nm之间时,复合薄膜结构显示绿色。同时薄膜结构具有适合的红外低发射率特性,在可见光与红外兼容伪装方面具有较大的应用前景。
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