红外光谱选择性低发射率光子晶体的组成结构调控及性能研究

Infrared spectrally selective low emissivity materials have low emissivities in the atmospheric windows of 3~5 µm and 8~14 µm, but high emissivity in the non-atmospheric window of 5~8 µm. They can effectively solve the contradiction between the target with low emissivity and effective heat dissipation which the current low emissivity materials existed, and can significantly improve the effectiveness of infrared stealth for the targets.. It intends to adopt one-dimensional heterostructure photonic crystal to design and prepare the infrared spectrally selective low emissivity material. The effects of film-based material's infrared transparency, refractive index difference, dielectric layer thickness and the number of periods on the emissivity property of the photonic crystal will be investigated to obtain the relevant structural design and regulation methods. Then, the effects of thermal expansion coefficient and stress matching results between the film-based materials and the substrate, and the two film-based materials on the thermal shock resistance of the photonic crystal will be investigated to obtain the design rules and methods for the photonic crystal with good thermal shock resistance and infrared spectrally selective low emissivity.. Reveal the composition structural design rules and regulation methods for the photonic crystal with good thermal shock resistance and infrared spectrally selective low emissivity, and establish the structure-activity relationship structural models, lay a solid theoretical and technical foundation for the engineering applications of such materials.

红外光谱选择性低发射率材料在3~5 μm和8~14 μm大气窗口波段具有低发射率，而在5~8 μm等非大气窗口波段具有高发射率，可有效解决目前低发射率材料存在的实现目标低发射率与有效散热间的矛盾，并大幅提升目标的红外隐身效能。. 拟采用一维异质结光子晶体来设计并制备红外光谱选择性低发射率材料。通过深入研究膜系材料的红外透明性、折射率差、膜层厚度及周期数等对光子晶体发射率性能的影响规律，获得相关结构设计和调控方法；随后，重点研究膜系材料与基片、膜系材料间的热膨胀系数及应力匹配效果对光子晶体抗热震性能的影响规律，获得具有优异抗热震性能的红外光谱选择性低发射率光子晶体的设计规律与方法。. 揭示具有优异抗热震性能的红外光谱选择性低发射率光子晶体的组成结构设计规律及调控方法，建立构效关系结构模型，为此类材料的工程应用奠定坚实的理论与技术基础。

本项目针对目前低红外发射率材料均不具备光谱选择性低发射率特征而无法解决各类飞行器红外隐身及有效散热间的矛盾问题展开研究。基于一维光子晶体对入射光存在选择性强反射特性，借助一维光子晶体结构设计理念，深入研究了膜系材料的红外透明性、折射率差、膜层厚度及周期数等对光子晶体发射率性能的影响规律。优化了基片温度、电子束功率、靶材与基片间距离等关键技术参数。研究了膜系材料与基片、两种膜系材料之间的热膨胀系数及应力匹配效果对光子晶体抗热震性能的影响规律。以Ge、TiO2、Si、SiO2、ZnS等介质材料为膜系材料，获得了多种类型的具有良好红外光谱选择性低发射率性能的光子晶体材料，揭示了具有优异抗热震性能的红外光谱选择性低发射率光子晶体的组成结构设计规律及调控方法，建立了构效关系结构模型，为此类材料的工程应用奠定了坚实的理论与技术基础。. 具体而言，通过系统的光子结构设计及制备技术优化，获得了在8-14 μm具有低发射率特性，而在其它波段具有较高发射率特性的Ge/TiO2低红外发射率光子晶体；获得了在3-5 μm具有低发射率特性，而在其它波段具有较高发射率特性的Si/SiO2低红外发射率光子晶体；获得了在3-14 μm具有红外光谱选择性低发射率特性的Ge/TiO2//Si/SiO2一维异质结光子晶体。项目研究结果表明，无论所采用的介质材料是红外透明性的，或红外非透明性的，通过合理的一维光子结构设计，均可以获得同时具有低发射率和高发射率特性的红外光谱选择性低发射率材料。为有效解决各类飞行器发热部件红外隐身及有效散热的矛盾问题提供了可靠的解决方案。上述红外光谱选择性低发射率光子晶体材料在各类飞行器热端部件表面（如飞行器发动机中心锥）具有广阔的应用前景，可使各类飞行器在实现高效红外隐身的同时满足有效散热的需要，最终有望大幅提升各类飞行器的红外隐身效能及热端部件的使用寿命。相关研究成果发表学术论文19篇，其中SCI 5篇、EI 2篇、CSCD 4篇，申报国家发明专利2项。