- 相關推薦
小研藍寶石頭罩增透保護膜系的設計
引言
對于用作高速飛行器的前視紅外窗口、頭罩的材料,除了必須具有高紅外透過率、低吸收系數等優良的光學性能外,還必須具有高的機械強度、耐磨損、抗風沙雨蝕和抗化學腐蝕等性能。然而,在目前條件下試圖尋找一種理想的紅外材料以滿足各種技術所需的性能還難以實現。藍寶石具有一系列優異、獨特的性能,如具有較寬的透過波段包括從紫外光?可見光?近紅外到中波紅外,還具有優異的物理、化學、力學及熱性能如高強度、高硬度?高熔點和耐腐蝕。這些性能決定了它是目前作為中波紅外窗口與頭罩的最佳材料[1]。
但是,限于目前的材料制備和加工技術水平,藍寶石的高溫強度大幅度下降[2],紅外透過率隨溫度的升高也滿足不了設計使用要求。飛行器高速飛行過程中,由于空氣動力加熱,窗口或頭罩很容易就達到800℃以上,這意味著藍寶石要在高速、高溫中應用就必須改善其紅外透過性能。彌補藍寶石性能不足的最有效途徑是通過表面鍍膜。筆者在前期工作中發現,在藍寶石平面襯底上制備SiO2 單層薄膜或SiO2/Si3N4 多層復合膜系不僅可以提高藍寶石的高溫強度,而且可以改善藍寶石的紅外透過率[3-6]。研究還發現,采用磁控濺射法制備的SiO2薄膜或SiO2/Si3N4 薄膜與藍寶石平面襯底結合良好,耐高溫,非常適合用作改善藍寶石性能的增透保護涂層材料。在實際應用中,藍寶石材料常常被加工成曲面形狀用作紅外整流罩窗口(藍寶石頭罩)。為了能夠有效地改善藍寶石頭罩的性能要求,本文擬采用磁控濺射法在藍寶石頭罩上制備SiO2 增透保護膜系。
1 模擬方法及實驗測試
基于本課題組對濺射過程中粒子傳輸過程分析的基礎[7],綜合考慮靶面電流分布、濺射產額、出射粒子的角分布、空間角等各方面的因素,分析曲面襯底的膜厚分布規律。根據膜厚分布規律對曲面襯底的膜厚分布進行模擬計算。根據頭罩半球形形狀的特點,優化鍍膜過程的頭罩運動軌跡。根據模擬計算結果指導頭罩鍍膜工藝實驗,通過實驗驗證與分析改進,最終實現藍寶石頭罩的均勻鍍膜。
在BMS450 型磁控濺射系統上采用射頻磁控反應濺射法制備SiO2 薄膜。濺射氣體高純Ar 和反應氣體高純O2(99.995%)經質量流量計精確控制后通入真空室。濺射靶材為φ100mm×5 mm 的單晶Si 靶,襯底材料為拋光藍寶石和單晶Si 片。鍍膜前,先用純Ar 氣對Si靶預濺射15 min,目的是除去靶面的氧化層。通入O2 氣后,待靶的電流和電壓充分穩定后再轉開檔板進行濺射。
采用UVISEL ER 橢圓偏振光譜儀測量薄膜的厚度。利用紫外-可見-近紅外分光光度計和Nexus 670 智能型傅里葉紅外光譜儀測量鍍膜前后藍寶石的紅外透過率。采用國家空氣動力研究中心的旋轉臂雨蝕實驗裝置進行雨蝕測試,采用Olympus PMG3 型光學顯微鏡觀察試樣表面的損傷情況,通過比較雨蝕實驗前后試樣在3~5 μm 波段的平均紅外透過率下降來評價其抗雨蝕性能。
2 結果分析及討論
2.1 膜厚分布模擬
目前,人們利用各種計算機模擬計算方法對材料的性質進行模擬計算[8-9]。本文將針對磁控濺射鍍膜的特點,采用蒙特卡羅法對磁控濺射過程中膜厚分布進行模擬計算。由鍍膜基本原理可知,在每一個擺角處頭罩的自轉鍍膜所沉積的薄膜厚度是一個環帶分布。是環帶膜厚分布計算示意圖。在圖中,時,假設頭罩擺動一個角度后,磁控靶面中心正對著圖中的O1 點。如果鍍膜時頭罩靜止,頭罩上的薄膜厚度分布就是以O1 點為中心的半球形襯底膜厚分布,也就是膜厚分布是以O1 點為中心徑向對稱,膜厚分布范圍為球冠K1O1K2。假設頭罩上的某個傾角的圓環K3K4 與球冠K1O1K2 的交點為K0,如果鍍膜頭罩不自轉,K3K0 部分將不能鍍上薄膜,能鍍上薄膜的K0K4 部分膜厚也不相等;當頭罩轉動之后,K0K4部分膜厚將平均分配到K3K4部分上,也就是轉動之后圓環K3K4上的薄膜厚度是一致的。因此,當頭罩擺動到一個角度,在轉動狀態下鍍膜,頭罩上的薄膜仍然是徑向對稱的。
上式積分可以采用蒙特卡羅法進行。當φK 在0~80.0°范圍內變化時,就可以求出頭罩在擺角為(≠0°)時自轉膜厚分布L(φ);當?在0~80.0°范圍內變化時,就可以求出頭罩在任意擺角下自轉時的膜厚分布L(φ)。假設在0~80°范圍內某個擺角間隔下,每個擺角處頭罩自轉鍍膜的時間都不相同。每個擺角處單獨自轉鍍膜所得到的各環帶膜厚分布分別為L0(φ),L1(φ),…,Ln-1(φ),Ln(φ),各環帶膜厚分布乘以一個鍍膜時間比例因子,則頭罩的膜厚分布變為:
經計算機模擬優化后,不同擺角處的膜厚分布及疊加后的頭罩膜厚分布如所示。模擬結果顯示頭罩外表面制備的SiO2 薄膜其厚度不均勻性小于8.5%。此時疊加后的頭罩膜厚分布均勻性得到極大改善,可以滿足頭罩鍍膜膜系的設計要求。
2.2 頭罩鍍膜
根據模擬計算結果,在藍寶石頭罩上制備了SiO2 增透保護涂層,測量了鍍膜藍寶石在頂點、中心和邊緣處的紅外透過率。是鍍膜藍寶石頭罩的透過率曲線,其中a、b 和c曲線分別代表藍寶石頭罩在頂點、中心和邊緣處的紅外透過率。在3~5 μm 波段范圍內曲線a、b 和c 的平均透過率分別為 92.1%、91.2%和90.4%。測試結果表明,藍寶石外表面鍍膜后其平均透過率增量大于4.0%。 另外,鍍膜后藍寶石的紅外透過率不均勻性小于2.0%。
由此可見,藍寶石頭罩上單面鍍SiO2 膜后,其光學性能是滿足設計使用要求的。
2.3 雨蝕測試
高速紅外窗口/頭罩在惡劣的使用環境中經常會受到風沙、雨滴以及灰塵的侵蝕,其中雨滴撞擊侵蝕是最常見的一種損傷。雨滴對無機陶瓷類頭罩侵蝕的基本形式表現為使頭罩材料表層脫落,從而使光滑表面變成粗糙表面。因此需要對頭罩材料本身及涂層材料進行雨蝕實驗。是未鍍膜藍寶石襯底及該襯底上鍍SiO2 膜雨蝕前后的透過率曲線。該試樣的雨蝕測試時間為5 min。中曲線a、b 是未鍍膜藍寶石雨蝕前后的透過率曲線?梢钥闯鑫村兡に{寶石雨蝕后的透過率損失較小,說明藍寶石本身性能優良具有較好的抗雨蝕性能。中曲線c、d 是藍寶石鍍膜后雨蝕實驗前后的透過率曲線?梢钥闯,鍍SiO2 膜后曲線c的紅外透過率明顯高于未鍍膜藍寶石的紅外透過率曲線a。雨蝕測試后,鍍膜藍寶石的透過率沒有很大幅度的降低,藍寶石驗證片的平均透過率損失小于1.0%。說明SiO2 膜層與藍寶石襯底結合較好,具有良好的抗雨蝕性能,從而確保鍍膜藍寶石可以在一定的雨蝕環境條件下使用。
3 結論
通過計算機模擬,對藍寶石襯底上制備的增透保護薄膜的厚度均勻性進行了設計及優化。采用旋轉臂雨蝕測試方法對藍寶石驗證片的抗雨蝕性能進行了測試。模擬結果顯示:頭罩外表面制備的SiO2 薄膜其厚度不均勻性小于8.5%;雨蝕測試后,藍寶石驗證片的平均透過率損失小于1.0%。涂層通過雨蝕測試后,利用磁控反應濺射法成功地在藍寶石頭罩上鍍制出SiO2 增透保護膜系。單面鍍膜后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。
中國碩士論文網提供大量免費碩士畢業論文,如有業務需求請咨詢網站客服人員!
參考文獻
[1] Gurjiyants P A, Kurlov V N, Theodore F, et al. Effect of growth conditions on the strength of shaped sapphire[J]. J Cryst Growth, 1999, 198/199: 227-231.
[2] W. J. Tropf, M. E. Thomas, R. K. Frazer. Windows and domes: past, present, and future [C]// Tustison R Window and Dome Technologies VIII. Orlando: SPIE Press, 2003, 5078: 80-89.
[3] Feng Liping, Liu Zhengtang, Li Qiang. Strengthening sapphire at elevated temperatures by SiO2 films [J]. ApplSurf Sci, 2007, 253(12): 5363-5367.
[4] Feng Liping, Liu Zhengtang, Li Qiang, et al. Investigation of SiO2/Si3N4 films prepared on sapphire by r.f.magnetron reactive sputtering [J]. Appl Surf Sci, 2006, 252(12): 4064-4070.
[5] Feng Liping, Liu Zhengtang, Li Qiang, et al. Optical properties of SiO2/Si3N4 films prepared on sapphire[C]//Proc SPIE, 2006, 6149: 61491I-1 - 61491I-5.
[6] Feng Liping, Liu Zhengtang. Characteristics of silicon dioxide films prepared on sapphire [J]. Mater Sci Eng B,2005, 122(1): 7-11.
[7]李陽平, 劉正堂, 趙海龍, 等. GaP 薄膜的射頻磁控濺射沉積及其計算機模擬[J]. 物理學報, 2007, 56(5): 2937-2944.Li Yingping, Liu Zhengtang, Zhao Hailong, et al. RF magnetron sputtering of GaP thin film and computersimulation of its depositing process [J]. Acta Phys Sin, 2007, 56(5): 2937-2944.(in Chinese)
[8]楊文婧, 王運東, 陳建峰, 等. 旋轉填料床單相流場的三維數值模擬[J]. 中國科技論文在線, 2012, 4(3):188-192.Yang Wenjing , Wang Yundong , Chen Jianfeng, et al. 3D-computational fluid dynamic simulation of fluid flow ina rotating packed bed[J]. Sciencepaper Online,2012, 4(3): 188-192.(in Chinese)
[9] 劉春江, 成潔, 袁希鋼. 規整填料內鼓泡流動的二維CFD 模擬[J]. 中國科技論文在線, 2012, 3(12):933-940. Liu Chunjiang, Cheng Jie, Yuan Xigang .Tow-dimensional CFD simulation of bubbly flow in structuredpackings[J]. Sciencepaper Online, 2012, 3(12): 933-940.(in Chinese)
【小研藍寶石頭罩增透保護膜系的設計】相關文章:
談乳化瀝青透層試驗段的對比施工08-22
“可研”為啥不可行?05-12
尋釁滋事罪問題研初中數學教育研究05-31
淺析中學生心理障礙特征及成因探研06-01
數學小論文11-08
小課題開題報告11-04
畢業設計夾具設計開題報告09-02
設計企業設計人員考勤管理思考05-04
數學小課題開題報告02-16
英語小論文寫作格式02-23