紅外增透膜濕熱雨林氣候環(huán)境適應(yīng)性分析

楊玉萍，劉 劍，周曉瑜，趙宏坤，劉艷芳，王沖文，趙遠(yuǎn)榮，戈 帆，肖建軍，羅 瑞，楊品杰

紅外增透膜濕熱雨林氣候環(huán)境適應(yīng)性分析

楊玉萍，劉 劍，周曉瑜，趙宏坤，劉艷芳，王沖文，趙遠(yuǎn)榮，戈 帆，肖建軍，羅 瑞，楊品杰

（云南北方光電儀器有限公司，云南 昆明 650114）

隨著軍用紅外光學(xué)儀器的發(fā)展，對(duì)紅外光學(xué)鍍膜元件耐環(huán)境性能的要求越來(lái)越高。以波段在8～12mm的Ge、ZnS、ZnSe鍍?cè)鐾改悠窞閷?duì)象進(jìn)行紅外增透膜濕熱雨林氣候環(huán)境適應(yīng)性研究。以外觀質(zhì)量、重量、光譜透射比等為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)果：經(jīng)過3年濕熱雨林氣候環(huán)境試驗(yàn)，紅外增透膜出現(xiàn)了不同程度損傷，損傷模式主要為變色和脫膜；隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，變色越來(lái)越嚴(yán)重，變色區(qū)域越來(lái)越大；重量出現(xiàn)先減少后增加的現(xiàn)象，光譜透射比出現(xiàn)少量下降；經(jīng)過3年的濕熱雨林氣候環(huán)境試驗(yàn)后，紅外增透膜均已失效。

紅外增透膜；濕熱雨林；環(huán)境適應(yīng)性

0 引言

紅外技術(shù)最初主要用于軍事領(lǐng)域，后來(lái)隨著科技的發(fā)展，紅外在大氣探測(cè)、航天、甚至很多民用領(lǐng)域也逐漸扮演重要角色[1-2]。在紅外光學(xué)系統(tǒng)中，紅外光能量的透過率決定了該系統(tǒng)性能的好壞。減少光學(xué)元件表面的反射，從而增加光學(xué)系統(tǒng)在工作波段內(nèi)的透過率對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有著重大意義[3]。

鍍?cè)鐾改?duì)于透射式紅外光學(xué)元器件是不可缺少的工藝，它不但提高了光學(xué)元件的透過率，排除了雜光，還對(duì)鏡片本身起到了保護(hù)作用，避免了光學(xué)材料的潮解損傷。但增透膜也有自身的缺陷，如在潮熱環(huán)境條件下易脫落，這對(duì)光學(xué)鍍膜是一種嚴(yán)酷的考驗(yàn)，一旦鍍膜脫落不但對(duì)鏡片起不到保護(hù)作用，使透過率下降，而且會(huì)造成散射，使能量下降，直接影響觀察效果[4-6]。

隨著軍用紅外光學(xué)儀器的發(fā)展，對(duì)紅外光學(xué)鍍膜元件耐環(huán)境性能的要求越來(lái)越高，如機(jī)載、艦載以及坦克紅外成像系統(tǒng)中的前置窗口或整流罩。一方面要求其鍍膜元件能經(jīng)受惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，另一方面還要保持其光學(xué)性能不變[7]，因此有必要開展紅外光學(xué)鍍膜元件的環(huán)境適應(yīng)性研究。美國(guó)從20世紀(jì)20年代就開展了在自然環(huán)境的暴露試驗(yàn)和人工加速試驗(yàn)，其制定的ASTM、SAE等標(biāo)準(zhǔn)都立足于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而環(huán)境試驗(yàn)的基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)在佛羅里達(dá)州的邁阿密（濕熱帶）和亞利桑那州的鳳凰城（干熱沙漠），其他氣候，如高原、寒冷、暖濕等都與基準(zhǔn)點(diǎn)做比較，找出不同材料的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行修正。國(guó)外對(duì)環(huán)境適應(yīng)性越來(lái)越重視，且更加專業(yè)化，都委托ATLAS這樣的專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，做試驗(yàn)和協(xié)助共同制定標(biāo)準(zhǔn)，向材料-產(chǎn)品-裝備一條龍研究發(fā)展[8]。而國(guó)內(nèi)環(huán)境適應(yīng)性研究起步較晚，針對(duì)光學(xué)膜層的環(huán)境適應(yīng)性研究較少。光學(xué)膜層質(zhì)量主要依據(jù)GJB 2485[9]進(jìn)行檢驗(yàn)，環(huán)境適應(yīng)性方面主要通過室內(nèi)濕熱、鹽霧、特殊高溫加速試驗(yàn)等進(jìn)行驗(yàn)證。

文中以波段在8～12mm的Ge、ZnS、ZnSe鍍?cè)鐾改悠窞閷?duì)象，通過濕熱雨林大氣環(huán)境下的棚下暴露試驗(yàn)，研究該類材料在濕熱雨林氣候環(huán)境下的性能變化規(guī)律，獲得該類材料在濕熱雨林氣候環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性，為光學(xué)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和使用維護(hù)提供技術(shù)支持。

1 表征參數(shù)的確定

在GJB 4239[10]中給出的環(huán)境適應(yīng)性定義是產(chǎn)品在其壽命期預(yù)計(jì)可能遇到的各種環(huán)境作用下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能和（或）不被破壞的能力。針對(duì)紅外增透膜樣品，其濕熱雨林氣候環(huán)境適應(yīng)性主要從性能的變化是否滿足預(yù)定使用要求或不被破壞進(jìn)行評(píng)價(jià)[11]。依據(jù)GJB 2485[9]，光學(xué)膜層主要的性能參數(shù)有鍍膜面積、膜層外觀質(zhì)量、膜層牢固性、光學(xué)性能等。對(duì)以上性能參數(shù)進(jìn)行分析，首先鍍膜面積是指應(yīng)在光學(xué)零件的整個(gè)有效口徑面上鍍膜，對(duì)于直徑或最大對(duì)角線尺寸≤50mm的零件，未鍍膜區(qū)最大寬度為1mm，該性能參數(shù)主要在零件鍍膜完成后進(jìn)行的初始檢測(cè)，一般不會(huì)隨試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)較大變化，因此不考慮將鍍膜面積作為環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的主要參數(shù)；其次，膜層牢固性屬于破壞性試驗(yàn)，且檢測(cè)結(jié)果為定性結(jié)果，因此也不考慮將膜層牢固性作為環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的主要參數(shù)，通過以上分析最終選擇膜層外觀質(zhì)量、光學(xué)性能、樣品重量等性能參數(shù)作為評(píng)估紅外增透膜濕熱雨林氣候環(huán)境適應(yīng)性好壞的表征參數(shù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 樣品制備

紅外增透膜樣品按實(shí)際產(chǎn)品加工過程中的檢驗(yàn)陪片規(guī)格來(lái)制備，樣品規(guī)格為25.4－0.100mm，基底材料選擇產(chǎn)品上常用的Ge、ZnS、ZnSe，采用物理氣相沉積方法（physical vapor deposition，PVD）進(jìn)行增透膜的鍍制（見表1）。

對(duì)樣品的初始狀態(tài)性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為：膜層基本光潔平整（見圖1），無(wú)起皮、脫膜、裂紋、起泡等缺陷；Ge、ZnS、ZnSe鍍?cè)鐾改悠?0mm波長(zhǎng)處的光譜透射比分別為99.5%、97.2%、98.8%。

表1 樣品信息

圖1 樣品的顯微形貌

2.2 試驗(yàn)方法與測(cè)試

西雙版納試驗(yàn)站試驗(yàn)棚的平均溫度為23.3℃，平均相對(duì)濕度為72%，屬于典型的高溫高濕氣候環(huán)境，因此選擇在西雙版納試驗(yàn)站開展紅外增透膜樣品的棚下暴露試驗(yàn)（見圖2），試驗(yàn)周期為3年，分別在試驗(yàn)0.5年、1年、2年、3年時(shí)取回3件平行樣品，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行外觀質(zhì)量、光譜透射比、面形和重量的檢測(cè)。

圖2 樣品棚下暴露試驗(yàn)

3 環(huán)境適應(yīng)性分析

3.1 樣品外觀質(zhì)量分析

經(jīng)過3年的濕熱雨林氣候環(huán)境試驗(yàn)后，紅外增透膜樣品表面均出現(xiàn)了霉菌生長(zhǎng)現(xiàn)象；將表面的霉菌清潔以后，Ge鍍?cè)鐾改悠烦霈F(xiàn)了脫膜和大量零散分布的變色區(qū)（見圖3），ZnS鍍?cè)鐾改悠烦霈F(xiàn)少量的變色區(qū)（見圖4），ZnSe鍍?cè)鐾改悠烦霈F(xiàn)集中分布的變色區(qū)（見圖5）。由外觀質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果可以看出，經(jīng)過3年的濕熱雨林氣候環(huán)境試驗(yàn)，紅外增透膜的外觀出現(xiàn)了損傷，損傷模式主要是變色和脫膜，已不能滿足使用要求，其中Ge鍍?cè)鐾改さ膿p傷較ZnS、ZnSe鍍?cè)鐾改?yán)重。從外觀質(zhì)量說(shuō)明，ZnS、ZnSe鍍?cè)鐾改駸嵊炅汁h(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于Ge鍍?cè)鐾改ぁ?/p>

圖3 Ge鍍?cè)鐾改ぴ囼?yàn)3年顯微形貌

3.2 樣品重量數(shù)據(jù)分析

每個(gè)試驗(yàn)周期結(jié)束以后，用酒精乙醚溶液進(jìn)行樣品表面清潔，用精度為0.0001g的電子天平進(jìn)行稱重，然后與試驗(yàn)前的重量進(jìn)行比較，得到重量變化比例，對(duì)重量變化比例數(shù)據(jù)處理后得到平均值（見表2）。

圖4 ZnS鍍?cè)鐾改ぴ囼?yàn)3年顯微形貌

圖5 ZnSe鍍?cè)鐾改ぴ囼?yàn)3年顯微形貌

表2 重量變化比例平均值

Ge、ZnS、ZnSe鍍?cè)鐾改ぴ跐駸嵊炅謿夂颦h(huán)境下試驗(yàn)3年后，重量變化規(guī)律基本一致，均在試驗(yàn)2年時(shí)重量出現(xiàn)了微量下降，試驗(yàn)3年時(shí)重量基本與試驗(yàn)前保持一致。從重量變化數(shù)據(jù)看，Ge、ZnS、ZnSe鍍?cè)鐾改ぴ跐駸嵊炅謿夂颦h(huán)境下試驗(yàn)3年后未產(chǎn)生明顯的腐蝕產(chǎn)物。

3.3 樣品光譜透射比分析

對(duì)光譜透射比檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，經(jīng)過3年的濕熱雨林氣候環(huán)境試驗(yàn)，紅外增透膜的光譜透射比出現(xiàn)了不同程度下降，其中Ge鍍?cè)鐾改さ南陆当嚷蚀笥赯nS、ZnSe鍍?cè)鐾改ぃ瑥谋?中的光譜透射比說(shuō)明，ZnS、ZnSe鍍?cè)鐾改さ沫h(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于Ge鍍?cè)鐾改ぁ?/p>

表3 光譜透射比變化平均值

3.4 膜層成分分析

利用掃描電鏡對(duì)紅外增透膜成分進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見表4～表6。

表4 Ge鍍?cè)鐾改せ瘜W(xué)成分重量百分比

表5 ZnS鍍?cè)鐾改せ瘜W(xué)成分重量百分比

由化學(xué)成分分析結(jié)果可以看出，膜層發(fā)生了明顯變化。未進(jìn)行自然環(huán)境試驗(yàn)前，膜層最外層是ZnS，中間層是YF3、內(nèi)層是Ge，檢測(cè)出的化學(xué)成分主要是Zn、S、Y和F，隨著自然環(huán)境試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，外層ZnS受到不同程度的損傷，膜層出現(xiàn)分層脫落，因此在后續(xù)的檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)了Ge含量增加，Zn和Y的含量減少。由化學(xué)成分結(jié)果也可以看出，自然環(huán)境試驗(yàn)后，并未出現(xiàn)新的元素，所含元素來(lái)源于膜層，說(shuō)明膜層與大氣環(huán)境中的有害介質(zhì)未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也未出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物。

表6 ZnSe鍍?cè)鐾改せ瘜W(xué)成分重量百分比

4 結(jié)論

以外觀質(zhì)量、重量、光譜透射比為指標(biāo)，對(duì)紅外增透膜在濕熱雨林氣候環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1）紅外增透膜經(jīng)過3年的濕熱雨林氣候環(huán)境棚下暴露試驗(yàn)后，外觀出現(xiàn)了損傷，損傷模式主要是變色和脫膜，Ge鍍?cè)鐾改さ膿p傷較ZnS、ZnSe鍍?cè)鐾改?yán)重。

2）紅外增透膜在濕熱雨林氣候環(huán)境棚下暴露試驗(yàn)后，均在試驗(yàn)2年時(shí)重量出現(xiàn)了微量下降，試驗(yàn)3年時(shí)重量基本與試驗(yàn)前保持一致。從重量變化數(shù)據(jù)看，紅外增透膜在濕熱雨林氣候環(huán)境下試驗(yàn)3年后未產(chǎn)生明顯的腐蝕產(chǎn)物。

3）紅外增透膜經(jīng)過3年的濕熱雨林氣候環(huán)境棚下暴露試驗(yàn)后，光譜透射比出現(xiàn)了下降，其中Ge鍍?cè)鐾改さ南陆当嚷蚀笥赯nS、ZnSe鍍?cè)鐾改ぁ?/p>

4）紅外增透膜經(jīng)過3年的濕熱雨林氣候環(huán)境棚下暴露試驗(yàn)后，均出現(xiàn)了霉菌生長(zhǎng)現(xiàn)象。

5）基于以上研究結(jié)論，可以看出增透膜在濕熱雨林環(huán)境棚下暴露試驗(yàn)3年后已基本失效，由于膜層成分不同，不同類型膜層的環(huán)境適應(yīng)性不一定與增透膜一致，如反射鏡上的反射膜、分光鏡上的分光膜的環(huán)境適應(yīng)性有待深入研究。

6）對(duì)增透膜樣品的表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其表面隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生了肉眼可見的變色，由此推測(cè)樣品的面型有可能隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生了變化，建議在進(jìn)行光學(xué)薄膜環(huán)境適應(yīng)性研究時(shí)增加面型的研究。

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Environmental Adaptability of Infrared Antireflection Films in Humid Hot Rain Forest

YANG Yuping，LIU Jian，ZHOU Xiaoyu，ZHAO Hongkun，LIU Yanfang，WANG Chongwen，ZHAO Yuanrong，GE Fan，XIAO Jianjun，LUO Rui，YANG Pinjie

(.,650114,)

With the development of military infrared optical instruments, the requirements for the environmental performance of infrared optical coating elements are increasing. Antireflection films coated on Ge, ZnS, and ZnSe in the band of 8 to 12mm are considered as the objects to study the environmental adaptability of infrared antireflection films to humid hot rain forest climate. The environmental adaptability is evaluated based on appearance, quality, and spectral transmittance, and the results are as follows: after three years of climate and environmental tests in hot and humid rain forest terrain, the infrared antireflection films are damaged, primarily through discoloration and delamination. With the extension of the test time, the discoloration becomes increasingly serious, and the discoloration area increases gradually. Initially, the mass decreases before increasing, and the spectral transmittance decreases slightly. The infrared antireflection films are invalid after three years of climate and environmental tests in hot and humid rain forests.

infrared antireflection films, humid hot rain forest, environmental adaptability

A

1001-8891(2021)12-1197-05

2020-10-11；

2021-04-18.

楊玉萍（1982-），女，云南通海人，學(xué)士，本科，主要從事環(huán)境試驗(yàn)研究工作。E-mail:qiluhu@163.com。

國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目。