紅外透波材料的研究發(fā)展.doc

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1、紅外透波材料的研究發(fā)展摘要：紅外透波材料是指對紅外線透過率高的材料，是紅外技術的應用基礎之一。本文介紹了幾類常用紅外透過材料的基本性質，簡述了其制備技術及發(fā)展現(xiàn)狀，并討論了各自存在問題，并對紅外透波材料未來發(fā)展進行了展望。關鍵詞：紅外透波材料；玻璃；晶體；陶瓷；制備技術1引言目前，紅外技術與激光技術并駕齊驅，在軍事上占有舉足輕重的地位。紅外成像、紅外偵察、紅外跟蹤、紅外制導、紅外預警、紅外對抗等在現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭中都是很重要的戰(zhàn)術和戰(zhàn)略手段。在二十世紀70年代以后，軍事紅外技術又逐步向民用部門轉化。標志紅外技術最新

2、成就的紅外熱成像技術，與雷達、電視一起構成當代三大傳感系統(tǒng)，尤其是焦平面列陣技術的采用，將使發(fā)展成可與眼睛相媲美的凝視系統(tǒng)。而紅外透波材料是紅外熱成像系統(tǒng)的光學元件的重要材料。紅外透波材料不但要求具有高性能、小體積，還要造價低。高性能主要包括：結構完整、組分均勻以免發(fā)生散射，在測量波段內具有高紅外透射率；熱穩(wěn)定性好，透射比和折射率不應隨溫度變化而變化；載流子壽命長，不宜潮解，耐酸堿腐蝕性好；力學性能優(yōu)良，可以承受高運動的速壓載荷等。2紅外透波材料的特征值2.1透過率一般透過率要求在50%以上，同時要求透過率的頻率

3、范圍要寬。紅外透波材料的透射短波限，對于純晶體，決定于其電子從價帶躍遷到導帶的吸收，即其禁帶寬度。透射長波限決定于聲子吸收，和晶格結構及平均原子量有關。2.2折射率和色散不同材料用途不同，對折射率的要求也不相同。對于窗口和整流罩的材料要求折射率低，以減少反射損失。對于透鏡、棱鏡、紅外光學系統(tǒng)要求盡量高的折射率。2.3發(fā)射率對紅外透波材料的發(fā)射率要求盡量低，以免增加紅外系統(tǒng)的目標特征，特別是軍用系統(tǒng)易暴露。2.4其他和選擇其他光學材料一樣，都要注意其力學、化學、物理性質，要求溫度穩(wěn)定性好，對水、氣穩(wěn)定，力學性質主要

4、有彈性模量、扭轉剛度、泊松比、拉伸強度和硬度。物理性質包括熔點、熱導率、膨脹系數(shù)及可成型性。此外要強調的物性是材料的熱導率要高，特別是用于高速飛行器的時候。3紅外透波材料的種類3.1玻璃玻璃的光學均勻性好，易于加工成型，價格便宜。缺點是透過波長較短，使用溫度低于500℃。目前研究的紅外透波玻璃材料主要有：氧化物紅外玻璃、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鋁酸鹽玻璃、銻酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、亞碲酸鹽玻璃、鎵酸鹽玻璃和鍺酸鹽玻璃等。由于高溫穩(wěn)定性遠不如其他晶體材料好，而且氧化物玻璃存在金屬

5、氧化物鍵的振動導致在3-6μm波段吸收中斷，不能透過波長更長的紅外輻射，因而應用受到限制。3.1.2硫系玻璃硫系玻璃在國際上屬于另一種新型紅外光學玻璃透波材料，這種材料是以S、Se、Te為主要元素同時加入一定量的Ge、As、Sb、Ca等元素高溫熔化，快速冷卻形成的非晶態(tài)物質。這種材料主要有幾大優(yōu)勢：（1）具有較弱的鍵強，特殊的電子組態(tài)，良好的近紅外至中紅外（2-15μm）透過性能和化學穩(wěn)定性，可以有力抵擋水和空氣腐蝕；（2）對高純度昂貴Ge原料用量少；（3）玻璃轉變溫度Tg大于300℃，易于在低溫下成型。其不足之

6、處在于：影響透過的氧和氫雜質官能團去除困難，并且容易析出亞微米晶粒。此外，陳國榮等人在硫系玻璃中加入氮化物和鹵化物形成硫氮玻璃和硫鹵玻璃，實驗表明這些玻璃的轉變溫度、顯微硬度、斷裂韌性、斷裂能有所提高，熱膨脹系數(shù)有所降低。3.2晶體紅外透波晶體材料包括：金剛石、Ge、Si、ZnSe、ZnS、GaAs、GaP、藍寶石、MgF2、尖晶石等單晶或多晶體。人們很早就利用晶體作為紅外區(qū)域的材料。與玻璃相比，其透過長波限較長，最大可達60μm，折射率和色散范圍也比較大，而且許多晶體熔點高，硬度高，熱穩(wěn)定性好，具有獨特的雙折射

7、性能。缺點是制備晶體生長緩慢，且不易長成大尺寸，價格也高，因此應用受到限制。3.2.1半導體晶體鍺、硅單晶體是兩種常用的紅外光學材料，硅在力學性能和抗沖擊性上比鍺好很多，受溫度影響也比較小，但硅的折射率高，使用時需鍍增透膜，以減少反射損失。相對而言，發(fā)展多晶硅更有優(yōu)勢，因為多晶硅有以下四個優(yōu)點：一是可作適當?shù)男螤?；二是可做成大尺寸；三是成本低；四是具有各向異性。但是多晶體物理性能不夠穩(wěn)定，機械強度和抗震能力也較差。3.2.2離子晶體離子晶體即堿鹵化合物和堿土化合物。堿鹵化合物有LiF、NaF、NaCl、KCl、K

8、Br、KI、RbCl、RbBr、RbI、CsBr、CsI、MgF2等。一般來說，這類材料的熔點不高，比較容易生長較大的單晶，其退火工藝也不十分復雜，同時也比較容易實現(xiàn)光學均勻性。其中MgF2在用于紅外窗口或整流罩時往往采用熱壓多晶體，具有高于90%的紅外透過率，是較為滿意的紅外材料。硫化物單晶體ZnS、ZnSe都是很好的紅外透過材料（ZnSe的紅外透射率如圖1[5]和圖2