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http://zw.nseac.coM科教作文网）
　　
　　1 模拟方法及实验测试
　　
　　基于本课题组对溅射过程中粒子传输过程分析的基础[7]，综合考虑靶面电流分布、溅射产额、出射粒子的角分布、空间角等各方面的因素，分析曲面衬底的膜厚分布规律。根据膜厚分布规律对曲面衬底的膜厚分布进行模拟计算。根据头罩半球形形状的特点，优化镀膜过程的头罩运动轨迹。根据模拟计算结果指导头罩镀膜工艺实验，通过实验验证与分析改进，最终实现蓝宝石头罩的均匀镀膜。
　　在BMS450 型磁控溅射系统上采用射频磁控反应溅射法制备SiO2 薄膜。溅射气体高纯Ar 和反应气体高纯O2（99.995%）经质量流量计精确控制后通入真空室。溅射靶材为φ100mm×5 mm 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15 min，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UVISEL ER 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Nexus 670 智能型傅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Olympus PMG3 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3~5 μm 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，头罩上的薄膜仍然是径向对称的。