引言 对于用作高速飞行器的前视红外窗口、头罩

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1、引言对于用作高速飞行器的前视红外窗口、头罩引言　　　　对于用作高速飞行器的前视红外窗口、头罩的材料，除了必须具有高红外透过率、低吸收系数等优良的光学性能外，还必须具有高的机械强度、耐磨损、抗风沙雨蚀和抗化学腐蚀等性能。然而，在目前条件下试图寻找一种理想的红外材料以满足各种技术所需的性能还难以实现。蓝宝石具有一系列优异、独特的性能，如具有较宽的透过波段包括从紫外光?可见光?近红外到中波红外，还具有优异的物理、化学、力学及热性能如高强度、高硬度?高熔点和耐腐蚀。这些性能决定了它是目前作为中波红外窗口与头罩的最佳材料[1]。　　但是，限于目前的

2、材料制备和加工技术水平，蓝宝石的高温强度大幅度下降[2]，红外透过率随温度的升高也满足不了设计使用要求。飞行器高速飞行过程中，由于空气动力加热，窗口或头罩很容易就达到800℃以上，这意味着蓝宝石要在高速、高温中应用就必须改善其红外透过性能。弥补蓝宝石性能不足的最有效途径是通过表面镀膜。笔者在前期工作中发现，在蓝宝石平面衬底上制备SiO2单层薄膜或SiO2/Si3N4多层复合膜系不仅可以提高蓝宝石的高温强度，而且可以改善蓝宝石的红外透过率[3-6]。研究还发现，采用磁控溅射法制备的SiO2薄膜或SiO2/Si3N4薄膜与蓝宝石平面衬底结合良

3、好，耐高温，非常适合用作改善蓝宝石性能的增透保护涂层材料。在实际应用中，蓝宝石材料常常被加工成曲面形状用作红外整流罩窗口(蓝宝石头罩)。为了能够有效地改善蓝宝石头罩的性能要求，本文拟采用磁控溅射法在蓝宝石头罩上制备SiO2增透保护膜系。（转载自zm5mm的单晶Si靶，衬底材料为抛光蓝宝石和单晶Si片。镀膜前，先用纯Ar气对Si靶预溅射15min，目的是除去靶面的氧化层。通入O2气后，待靶的电流和电压充分稳定后再转开档板进行溅射。　　采用UVISELER椭圆偏振光谱仪测量薄膜的厚度。利用紫外-可见-近红外分光光度计和Nexus670智能型傅

4、里叶红外光谱仪测量镀膜前后蓝宝石的红外透过率。采用空气动力研究中心的旋转臂雨蚀实验装置进行雨蚀测试，采用OlympusPMG3型光学显微镜观察试样表面的损伤情况，通过比较雨蚀实验前后试样在3~5μm波段的平均红外透过率下降来评价其抗雨蚀性能。　　　　2结果分析及讨论　　　　2.1膜厚分布模拟　　目前，人们利用各种计算机模拟计算方法对材料的性质进行模拟计算[8-9]。本文将针对磁控溅射镀膜的特点，采用蒙特卡罗法对磁控溅射过程中膜厚分布进行模拟计算。由镀膜基本原理可知，在每一个摆角处头罩的自转镀膜所沉积的薄膜厚度是一个环带分布。是环带膜

5、厚分布计算示意图。在图中，时，假设头罩摆动一个角度后，磁控靶面中心正对着图中的O1点。如果镀膜时头罩静止，头罩上的薄膜厚度分布就是以O1点为中心的半球形衬底膜厚分布，也就是膜厚分布是以O1点为中心径向对称，膜厚分布范围为球冠K1O1K2。假设头罩上的某个倾角的圆环K3K4与球冠K1O1K2的交点为K0，如果镀膜头罩不自转，K3K0部分将不能镀上薄膜，能镀上薄膜的K0K4部分膜厚也不相等；当头罩转动之后，K0K4部分膜厚将平均分配到K3K4部分上，也就是转动之后圆环K3K4上的薄膜厚度是一致的。因此，当头罩摆动到一个角度，在转动状态下镀膜，

6、头罩上的薄膜仍然是径向对称的。　　上式积分可以采用蒙特卡罗法进行。当φK在0~80.0°范围内变化时，就可以求出头罩在摆角为（≠0°）时自转膜厚分布L（φ）；当?在0~80.0°范围内变化时，就可以求出头罩在任意摆角下自转时的膜厚分布L（φ）。假设在0～80°范围内某个摆角间隔下，每个摆角处头罩自转镀膜的时间都不相同。每个摆角处单独自转镀膜所得到的各环带膜厚分布分别为L0(φ)，L1(φ)，…，Ln-1(φ)，Ln(φ)，各环带膜厚分布乘以一个镀

7、膜时间比例因子，则头罩的膜厚分布变为：　　经计算机模拟优化后，不同摆角处的膜厚分布及叠加后的头罩膜厚分布如所示。模拟结果显示头罩外表面制备的SiO2薄膜其厚度不均匀性小于8.5%。此时叠加后的头罩膜厚分布均匀性得到极大改善，可以满足头罩镀膜膜系的设计要求。　　　　2.2头罩镀膜　　根据模拟计算结果，在蓝宝石头罩上制备了SiO2增透保护涂层，测量了镀膜蓝宝石在顶点、中心和边缘处的红外透过率。是镀膜蓝宝石头罩的透过率曲线，其中a、b和c曲线分别代表蓝宝石头罩在顶点、中心和边缘处的红外透过率。在3~5μm波段范围内曲线a、b和c的平均透过

8、率分别为92.1%、91.2%和90.4%。测试结果表明，蓝宝石外表面镀膜后其平均透过率增量大于4.0%。另外，镀膜后蓝宝石的红外透过率不均匀性小于2.0%。　　由此可见，蓝宝石头罩上单面镀S