藍寶石襯底上中波紅外增透保護膜系的設(shè)計、制備及性能.pdf

1、頭罩是紅外制導空．空導彈的重要部件，藍寶石具有的一系列優(yōu)異性能，決定了它是目前作為中波紅外窗口/頭罩的最佳材料。然而，限于目前的材料制備和加工技術(shù)水平，藍寶石的紅外透過率明顯低于理論值并且透過率隨著環(huán)境條件的惡化而降低。另外，藍寶石的高溫強度大幅度下降，大大限制了其抗熱震性等其它性能的發(fā)揮。因此藍寶石作為新一代窗口/頭罩材料是有待于改善和提高的。在藍寶石表面制備紅外增透保護膜是提高其透過性能、改善其高溫強度及提高其耐久性的有效方法。由于

2、SiO<,2>膜折射率低(1.41)、可寬波段透過、吸收小、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能，而被用作藍寶石的增透保護膜系。Si<,3>N<,4>膜的折射率稍大(1.99)，可與低折射率的SiO<,2>膜合用于紅外增透保護膜系中。 本論文把SiO<,2>、SiO<,2>/Si<,3>N<,4>用作藍寶石襯底的紅外增透保護膜系，采用射頻磁控反應濺射法在藍寶石襯底上設(shè)計并制備出SiO<,2>單層及SiO<,2>/Si<,3>N<,4>雙層膜系

3、，對薄膜的制備工藝及性能進行了系統(tǒng)研究。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 在藍寶石襯底上設(shè)計了SiO<,2>、SiO<,2>/Si<,3>N<,4>、SiO<,2>/Si<,3>N<,4>/SiO<,2>等單層及多層增透保護膜系。藍寶石襯底雙面鍍單層及多層膜系，可實現(xiàn)3～5μm波段的寬波段增透，滿足紅外窗口對透過性能的使用要求。 采用磁控反應濺射法在藍寶石襯底上制備了SiO<,2>薄膜和Si<,3>N<,4>薄膜。揭示了主

4、要工藝參數(shù)對SiO<,2>薄膜的沉積速率、附著性能、內(nèi)應力和紅外透過等性能的影響規(guī)律，優(yōu)化出制備SiO<,2>薄膜的工藝參數(shù)。研究了主要工藝參數(shù)對Si<,3>N<,4>薄膜中O含量及薄膜紅外光譜的影響規(guī)律，對Si<,3>N<,4>薄膜的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行分析，從而制備出低O含量、滿足化學計量比的Si<,3>N<,4>薄膜。 根據(jù)膜系設(shè)計的結(jié)果，在藍寶石襯底上雙面制備出SiO<,2>單層增透膜系和SiO<,2>/Si<,3>N<

5、,4>雙層增透膜系。鍍膜后藍寶石在3～5μm波段的平均透過率凈增加大于9.0％，均可滿足使用需求。 進行了藍寶石頭罩鍍膜的試驗研究。利用磁控反應濺射法成功地在藍寶石頭罩上鍍制出SiO<,2>增透保護膜系。單面鍍膜后頭罩在3～5μm波段的平均透過率凈增加大于4.0％，透過率的不均勻性小于2.0％，滿足了使用要求。采用旋轉(zhuǎn)臂雨蝕試驗裝置對SiO<,2>/Saphire試樣進行了雨蝕試驗，并對試樣表面的損傷情況進行了光學顯微觀察、對試

6、樣的紅外透過率進行了研究。旋轉(zhuǎn)臂雨蝕試驗結(jié)果表明，SiIO<,2>膜與藍寶石襯底結(jié)合牢固，鍍SiO<,2>膜藍寶石試樣在3～5μm波段的平均透過率下降量均小于1％，雨蝕測試后鍍膜藍寶石的平均透過率仍明顯高于未鍍膜藍寶石的平均透過率，SiO<,2>膜系具有一定的抗雨蝕性。 針對所制備的SiO<,2>薄膜及SiO<,2>/Si<,3>N<,4>雙層膜系，測試了不同溫度下鍍膜與未鍍膜藍寶石的三點彎曲強度。發(fā)現(xiàn)在相同的測試溫度下，鍍膜藍

7、寶石的平均抗彎強度要高于未鍍膜藍寶石的平均抗彎強度。在800℃時，鍍SiO<,2>/Si<,3>N<,4>膜藍寶石試樣的抗彎強度是未鍍膜藍寶石試樣的1.4倍：鍍SiO<,2>膜藍寶石試樣的抗彎強度為未鍍膜藍寶石試樣的1.5倍。 探討了鍍膜可以改善藍寶石強度的機理。分析認為，在室溫下鍍膜對藍寶石強度的改善主要有兩方面的原因，一是改善了藍寶石的表面質(zhì)量，二是改變了藍寶石的表面應力狀態(tài)。在高溫下鍍膜除改善了藍寶石的表面質(zhì)量外，有效地降