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摘 要：本文针对导引头光学整流罩外表面因沙粒撞击受损，分析了其损伤机理与影响因素，并介绍其保护膜，最后指出了导引头光学整流罩沙蚀行为研究方向。
关键词：导引头光学整流罩；沙蚀；保护膜
光电制导是现代导弹常用的制导方式，而导引头光学整流罩（以下简称光学整流罩）是其关键部件之一。由于导弹飞行环境的恶劣，在其高速飞行时光学整流罩会遭受沙粒、灰尘等固体粒子的冲击，这样会使光学整流罩外表面受到损伤，严重的损伤会使光学透过率下降，从而影响导弹探测和制导性能。因此，研究光学整流罩的沙蚀损伤，将有助于提高其抗沙蚀的能力。
1.光学整流罩沙蚀损伤行为及影响因素
光学整流罩的沙蚀是指高速气体携带大量固体颗粒如沙粒和灰尘以一定速度和角度对光学整流罩外表面进行冲击，造成损伤的现象，属于冲蚀磨损。
1.1光学整流罩沙蚀损伤行为
光学整流罩外表面受到高速运动的沙粒和灰尘冲击时，在光学整流罩外表面会发生塑性渗透，形成一个近似半球形的塑性区。其周围仍是弹性区。在塑性区边界存在着残留张力应力，残留应力场向外扩展，会形成两种形式的微裂纹。径向裂纹和横向裂纹，横向裂纹平行于表面。对光学整流罩的外表面损伤及透过率降低影响最大的是横向裂纹。横向裂纹的大小依赖于残留张力应力场，和表面原有的微裂纹相互作用，如果入射沙粒速度足够大，由横向裂纹包围的体积将发生碎破和脱落，从而在光学整流罩外表面形成小坑和划痕，这就形成了对光学整流罩表面的损伤。
1.2影响因素[1～5]
1.2.1沙粒特性
（1）沙粒形状。多角状沙粒比球状圆滑沙粒对光学整流罩造成更大的损伤，一般认为，这是由于球状圆滑沙粒对光学整流罩的破坏是以犁削变形方式为主，而多角形磨粒则以切削方式为主。
（2）沙粒粒度。沙粒对光学整流罩的冲蚀率随粒度的增大而不断增大，但当粒度增加到某一临界值时，冲蚀率几乎不变或变化很缓慢。对此较为合理的解释是：当沙粒粒度小于一定尺寸时，由于空气动力学效应，使沙粒绕光学整流罩偏转而不冲击，冲击功很小，也没有沙粒破碎。随着沙粒粒尺寸的增大，冲蚀率相应增加，达到临界值时，沙粒破碎产生二次冲蚀的影响达到饱和，冲蚀率保持不变。
1.2.2冲击角
冲击角是指材料表面与入射粒子轨迹之间的夹角，冲击角的影响与材料类型有关。光学整流罩属于脆性材料，当垂直冲击时对光学整流罩的破坏最大。
1.2.3冲击速度
光学整流罩的冲蚀存在一个冲击速度的临界值（取决于沙粒性能和材料类型），低于这个速度则只发生弹性碰撞，不会对其造成损伤。
1.2.4光学整流罩材料特性
对光学整流罩材料而言，一般认为，硬度的增加有利于提高其抗冲蚀能力，但韧性的影响大于硬度的影响，在一定范围内，即使硬度相对较低，韧性好的光学整流罩材料抗冲蚀能力仍然较高。但从另一方面来说，低角冲蚀条件下也存在沙粒对其的犁削作用，因此，在保证足够的韧性的前提下，硬度高有利于提高材料的抗冲蚀能力。
2.光学整流罩沙蚀保护膜
目前，防止沙蚀造成的损伤所采取的措施是在光学整流罩外表面镀制一层保护膜，保护膜应具备以下条件：（1）在导弹光学系统所使用的波段内必须是透明的；（2）和光学整流罩材料有很强的黏附性，不易从其外表面脱落；（3）有很强的抗沙蚀能力。现在常用的保护膜有以下几类。
2.1DLC（类金刚石）膜
DLC膜具有极高的硬度和抗磨损性能，光学透过率良好（红外波段到紫外波段），生产工艺简单，并具有易于大面积沉积、沉积速度快和沉积温度低等优点。
自1971年Aisenberg首先制备出DLC膜后，其优良的性能，立即引起人们极大的兴趣。其中，研究最富有成效的是DLC膜对硅和锗材料的保护，现在已达到实用化水平，这是因为DLC膜与其具有良好的黏附性[6～7]
ZnS(硫化锌)和ZnSe(硒化锌)作为常用的光学整流罩材料，由于自身硬度低，不能有效抵御沙蚀，需要镀制保护膜。但由于其与DLC膜黏附性差，导致镀制难度大。Mirtich等人把硅和锗作为镀制的过渡层，从而取得良好效果。西北大学工业大学张贵峰采用RF等离子体ＣＶＤ法在ZnS上直接镀DLC膜.起到保护和增透双重效果[8]。
作为新一代导弹光学整流罩保护膜，DLC膜已不能满足要求，这是因为，随着导弹速度的增大，这就需要增加DLC膜的厚度，但因为其本征内应力大，膜厚超过2um，膜就会开裂或脱落。因此，目前研究热点是把DLC膜是作为多层膜系保护膜的最外层膜的应用。
2.2GexC1-x（碳化锗）膜
GexC1-x膜是一种高耐久性的新型保护膜，具有低应力，与大多数衬底材料黏附性良好。GexC1-x膜的折射率可随Ge的含量和膜厚的不同而变化。这些特性使其适合多层膜系的设计。
GexC1-x膜制备有两种方法：射频等离子体增强化学汽相沉积和射频等离子体磁控溅射。有研究表明，射频等离子体磁控溅射的GexC1-x膜比射频等离子体增强化学汽相沉积GexC1-x膜更加抗摩擦。
目前，英国Barr-Stroud公司研制的ARG4和ARG6涂层与ARZ5涂层分别用于锗窗口外表面与飞机、导弹上，实践表明其具有极好的耐摩擦性，起到了保护的作用。这几种涂层都是GexC1-x、Ge和DLC的多层膜系，DLC膜一般为最外层。膜层的技术由于涉及军事用途，至今尚未公开。国内，西北工业大学刘正堂等人利用射频等离子体磁控溅射沉积出GexC1-x膜，探讨了工艺参数对薄膜性质的影响规律[9]。西北工业大学李阳平把GexC1-x/GaP双层膜用作ZnS衬底的增透保护膜系，并得出GaP膜厚较大时，由于吸收增大膜系增透效果较差，当其较小时，膜系有较好增透效果[10]。华中光电技术研究所李钱陶等人在ZnS、GaAs(砷化镓）和Ge等常用光学整流罩材料表面镀制GexC1-x/DLC、BP/DLC和a-Si/DLC系列多层保护膜，结果表明，GexC1-x/DLC多层红外保护膜具有最佳的光学性能[11]。哈尔滨工业大学朱嘉琪等人研究了非晶金刚石与非晶GexC1-x的复合膜，并获得其光学参数[12]。 2.3BP（磷化硼）膜
BP膜有优良的性质，具有宽波段（0.8um～12um）透光率，且内应力小，膜厚不受限制。其硬度仅次于金刚石，因此有很好的抗摩擦性能，但这也带来制备工艺上的困难。目前，制备BP膜比较成功的方法是化学气相沉积。但是制备过程中900℃～1100℃的高温对需要保护的光学整流罩材料会破坏抛光表面，因此降低沉积温度成为研制BP膜的一个主要方向。
BP膜可应用于高速飞行导弹光学整流罩上，需要注意的是ZnS衬底镀制BP膜，在12.5um波段有弱的吸收峰，可以通过优化工艺条件降低吸收峰。BP膜同样可以和DLC膜组成复合保护膜。
3.结束语
光学整流罩沙蚀造成的损伤是导弹设计时必须考虑的问题，且光学整流罩保护膜由于涉及军事用途，因此国内外具体的研究细节和膜系结构报道很少。本文对此进行了简要的介绍，今后的研究重点应在：（1）高精度沙蚀模拟装置的研制，以准确模拟实际沙蚀情形；（2）沙粒冲击条件对光学整流罩的行为影响，以探明其损伤机理；（3）光学整流罩保护膜耐沙蚀性能评价及膜层保护机制。
参考文献：
[1]余怀之.红外光学材料[M].北京:国防工业出版社,2007.
[2]董刚.材料冲蚀行为及机理研究[D].浙江:浙江工业大学,2004.
[3]马颖,任峻,李元东,等.冲蚀磨损研究的进展[J].兰州理工大学学报,2005,31(1):21–25.
[4]刘炳,李新梅,刘湘,等.冲蚀角对A1203颗粒增强铝锰合金复合材料冲蚀磨损性能的影响[J].材料热处理技术,2011,40(2):82–84.
[5]董刚,张九渊.固体粒子冲蚀磨损研究进展[J].材料科学与工程学报,2003,21(2):307–312.
[6]常同钦.类金刚石膜的物理特性及应用[J].表面技术,2006,35(5):76–78.
[7]张碧云,曲燕青,谢红梅,等.类金刚石膜的制备技术及应用领域概况[J].表面技术,2007,36(3):70–73.
[8] 张贵锋.新型红外增透膜与保护膜[J].红外技术,1995,17(5):23–28.
[9]朱嘉琦,韩杰才,胡超权,等.非晶金刚石与非晶碳化锗复合增透保护膜系的设计与实现[J].红外与毫米波学报,2006,25(4):451–454.
[10]刘正堂,朱景之.反应溅射GexC1-x薄膜的沉积速率[J].材料工程,1998, (2):6–8.
[11]李阳平,刘正堂,赵海龙,等.ZnS衬底上GeC/GaP增透保护膜系的制备及红外光学性质[J].光学学报,2006, 26(10):1589–1593.
[12]李钱陶,熊长新,杨长城,等.红外光学窗口多层保护膜性能研究[J].舰船光学,2010,46(3):24–27.
关键词：导引头光学整流罩；沙蚀；保护膜
光电制导是现代导弹常用的制导方式，而导引头光学整流罩（以下简称光学整流罩）是其关键部件之一。由于导弹飞行环境的恶劣，在其高速飞行时光学整流罩会遭受沙粒、灰尘等固体粒子的冲击，这样会使光学整流罩外表面受到损伤，严重的损伤会使光学透过率下降，从而影响导弹探测和制导性能。因此，研究光学整流罩的沙蚀损伤，将有助于提高其抗沙蚀的能力。
1.光学整流罩沙蚀损伤行为及影响因素
光学整流罩的沙蚀是指高速气体携带大量固体颗粒如沙粒和灰尘以一定速度和角度对光学整流罩外表面进行冲击，造成损伤的现象，属于冲蚀磨损。
1.1光学整流罩沙蚀损伤行为
光学整流罩外表面受到高速运动的沙粒和灰尘冲击时，在光学整流罩外表面会发生塑性渗透，形成一个近似半球形的塑性区。其周围仍是弹性区。在塑性区边界存在着残留张力应力，残留应力场向外扩展，会形成两种形式的微裂纹。径向裂纹和横向裂纹，横向裂纹平行于表面。对光学整流罩的外表面损伤及透过率降低影响最大的是横向裂纹。横向裂纹的大小依赖于残留张力应力场，和表面原有的微裂纹相互作用，如果入射沙粒速度足够大，由横向裂纹包围的体积将发生碎破和脱落，从而在光学整流罩外表面形成小坑和划痕，这就形成了对光学整流罩表面的损伤。
1.2影响因素[1～5]
1.2.1沙粒特性
（1）沙粒形状。多角状沙粒比球状圆滑沙粒对光学整流罩造成更大的损伤，一般认为，这是由于球状圆滑沙粒对光学整流罩的破坏是以犁削变形方式为主，而多角形磨粒则以切削方式为主。
（2）沙粒粒度。沙粒对光学整流罩的冲蚀率随粒度的增大而不断增大，但当粒度增加到某一临界值时，冲蚀率几乎不变或变化很缓慢。对此较为合理的解释是：当沙粒粒度小于一定尺寸时，由于空气动力学效应，使沙粒绕光学整流罩偏转而不冲击，冲击功很小，也没有沙粒破碎。随着沙粒粒尺寸的增大，冲蚀率相应增加，达到临界值时，沙粒破碎产生二次冲蚀的影响达到饱和，冲蚀率保持不变。
1.2.2冲击角
冲击角是指材料表面与入射粒子轨迹之间的夹角，冲击角的影响与材料类型有关。光学整流罩属于脆性材料，当垂直冲击时对光学整流罩的破坏最大。
1.2.3冲击速度
光学整流罩的冲蚀存在一个冲击速度的临界值（取决于沙粒性能和材料类型），低于这个速度则只发生弹性碰撞，不会对其造成损伤。
1.2.4光学整流罩材料特性
对光学整流罩材料而言，一般认为，硬度的增加有利于提高其抗冲蚀能力，但韧性的影响大于硬度的影响，在一定范围内，即使硬度相对较低，韧性好的光学整流罩材料抗冲蚀能力仍然较高。但从另一方面来说，低角冲蚀条件下也存在沙粒对其的犁削作用，因此，在保证足够的韧性的前提下，硬度高有利于提高材料的抗冲蚀能力。
2.光学整流罩沙蚀保护膜
目前，防止沙蚀造成的损伤所采取的措施是在光学整流罩外表面镀制一层保护膜，保护膜应具备以下条件：（1）在导弹光学系统所使用的波段内必须是透明的；（2）和光学整流罩材料有很强的黏附性，不易从其外表面脱落；（3）有很强的抗沙蚀能力。现在常用的保护膜有以下几类。
2.1DLC（类金刚石）膜
DLC膜具有极高的硬度和抗磨损性能，光学透过率良好（红外波段到紫外波段），生产工艺简单，并具有易于大面积沉积、沉积速度快和沉积温度低等优点。
自1971年Aisenberg首先制备出DLC膜后，其优良的性能，立即引起人们极大的兴趣。其中，研究最富有成效的是DLC膜对硅和锗材料的保护，现在已达到实用化水平，这是因为DLC膜与其具有良好的黏附性[6～7]
ZnS(硫化锌)和ZnSe(硒化锌)作为常用的光学整流罩材料，由于自身硬度低，不能有效抵御沙蚀，需要镀制保护膜。但由于其与DLC膜黏附性差，导致镀制难度大。Mirtich等人把硅和锗作为镀制的过渡层，从而取得良好效果。西北大学工业大学张贵峰采用RF等离子体ＣＶＤ法在ZnS上直接镀DLC膜.起到保护和增透双重效果[8]。
作为新一代导弹光学整流罩保护膜，DLC膜已不能满足要求，这是因为，随着导弹速度的增大，这就需要增加DLC膜的厚度，但因为其本征内应力大，膜厚超过2um，膜就会开裂或脱落。因此，目前研究热点是把DLC膜是作为多层膜系保护膜的最外层膜的应用。
2.2GexC1-x（碳化锗）膜
GexC1-x膜是一种高耐久性的新型保护膜，具有低应力，与大多数衬底材料黏附性良好。GexC1-x膜的折射率可随Ge的含量和膜厚的不同而变化。这些特性使其适合多层膜系的设计。
GexC1-x膜制备有两种方法：射频等离子体增强化学汽相沉积和射频等离子体磁控溅射。有研究表明，射频等离子体磁控溅射的GexC1-x膜比射频等离子体增强化学汽相沉积GexC1-x膜更加抗摩擦。
目前，英国Barr-Stroud公司研制的ARG4和ARG6涂层与ARZ5涂层分别用于锗窗口外表面与飞机、导弹上，实践表明其具有极好的耐摩擦性，起到了保护的作用。这几种涂层都是GexC1-x、Ge和DLC的多层膜系，DLC膜一般为最外层。膜层的技术由于涉及军事用途，至今尚未公开。国内，西北工业大学刘正堂等人利用射频等离子体磁控溅射沉积出GexC1-x膜，探讨了工艺参数对薄膜性质的影响规律[9]。西北工业大学李阳平把GexC1-x/GaP双层膜用作ZnS衬底的增透保护膜系，并得出GaP膜厚较大时，由于吸收增大膜系增透效果较差，当其较小时，膜系有较好增透效果[10]。华中光电技术研究所李钱陶等人在ZnS、GaAs(砷化镓）和Ge等常用光学整流罩材料表面镀制GexC1-x/DLC、BP/DLC和a-Si/DLC系列多层保护膜，结果表明，GexC1-x/DLC多层红外保护膜具有最佳的光学性能[11]。哈尔滨工业大学朱嘉琪等人研究了非晶金刚石与非晶GexC1-x的复合膜，并获得其光学参数[12]。 2.3BP（磷化硼）膜
BP膜有优良的性质，具有宽波段（0.8um～12um）透光率，且内应力小，膜厚不受限制。其硬度仅次于金刚石，因此有很好的抗摩擦性能，但这也带来制备工艺上的困难。目前，制备BP膜比较成功的方法是化学气相沉积。但是制备过程中900℃～1100℃的高温对需要保护的光学整流罩材料会破坏抛光表面，因此降低沉积温度成为研制BP膜的一个主要方向。
BP膜可应用于高速飞行导弹光学整流罩上，需要注意的是ZnS衬底镀制BP膜，在12.5um波段有弱的吸收峰，可以通过优化工艺条件降低吸收峰。BP膜同样可以和DLC膜组成复合保护膜。
3.结束语
光学整流罩沙蚀造成的损伤是导弹设计时必须考虑的问题，且光学整流罩保护膜由于涉及军事用途，因此国内外具体的研究细节和膜系结构报道很少。本文对此进行了简要的介绍，今后的研究重点应在：（1）高精度沙蚀模拟装置的研制，以准确模拟实际沙蚀情形；（2）沙粒冲击条件对光学整流罩的行为影响，以探明其损伤机理；（3）光学整流罩保护膜耐沙蚀性能评价及膜层保护机制。
参考文献：
[1]余怀之.红外光学材料[M].北京:国防工业出版社,2007.
[2]董刚.材料冲蚀行为及机理研究[D].浙江:浙江工业大学,2004.
[3]马颖,任峻,李元东,等.冲蚀磨损研究的进展[J].兰州理工大学学报,2005,31(1):21–25.
[4]刘炳,李新梅,刘湘,等.冲蚀角对A1203颗粒增强铝锰合金复合材料冲蚀磨损性能的影响[J].材料热处理技术,2011,40(2):82–84.
[5]董刚,张九渊.固体粒子冲蚀磨损研究进展[J].材料科学与工程学报,2003,21(2):307–312.
[6]常同钦.类金刚石膜的物理特性及应用[J].表面技术,2006,35(5):76–78.
[7]张碧云,曲燕青,谢红梅,等.类金刚石膜的制备技术及应用领域概况[J].表面技术,2007,36(3):70–73.
[8] 张贵锋.新型红外增透膜与保护膜[J].红外技术,1995,17(5):23–28.
[9]朱嘉琦,韩杰才,胡超权,等.非晶金刚石与非晶碳化锗复合增透保护膜系的设计与实现[J].红外与毫米波学报,2006,25(4):451–454.
[10]刘正堂,朱景之.反应溅射GexC1-x薄膜的沉积速率[J].材料工程,1998, (2):6–8.
[11]李阳平,刘正堂,赵海龙,等.ZnS衬底上GeC/GaP增透保护膜系的制备及红外光学性质[J].光学学报,2006, 26(10):1589–1593.
[12]李钱陶,熊长新,杨长城,等.红外光学窗口多层保护膜性能研究[J].舰船光学,2010,46(3):24–27.