常用中波紅外窗口材料高溫透過與熱輻射性能比較

范金太，許楊陽(yáng),2，覃顯鵬,3，毛小建，張 龍

常用中波紅外窗口材料高溫透過與熱輻射性能比較

范金太1，許楊陽(yáng)1,2，覃顯鵬1,3，毛小建1，張 龍1

（1. 中國(guó)科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201800；2. 上海大學(xué) 上海 200444；3. 中國(guó)科學(xué)院 上海硅酸鹽研究所，上海 200050）

在高超音速飛行下，飛行器的中波紅外窗口面臨著氣動(dòng)加熱導(dǎo)致的高溫透過率下降和高溫輻射增強(qiáng)的挑戰(zhàn)，在高馬赫應(yīng)用中，選擇窗口材料時(shí)必須對(duì)材料的高溫透過率與高溫?zé)彷椛溥@兩個(gè)性能進(jìn)行考察。本文采用傅里葉紅外光譜儀測(cè)試了藍(lán)寶石單晶、釔鋁石榴石單晶、鎂鋁尖晶石陶瓷、氟化鎂陶瓷和氧化釔陶瓷5種常見中波紅外窗口材料在50℃～400℃的高溫透過性能和高溫輻射性能?？疾炝诉@幾種窗口材料的高溫透過率下降趨勢(shì)和高溫輻射增強(qiáng)。結(jié)果表明，相對(duì)于其他3種材料，氟化鎂和氧化釔材料在3～5mm應(yīng)用波段的高溫透過率下降很小，同樣高溫輻射也較小。此外，氧化釔表現(xiàn)出非常優(yōu)異的超低紅外輻射性能，是一種非常有應(yīng)用前景的中波紅外窗口材料。

高超音速；中波紅外；窗口材料；傅里葉變換；紅外光譜；發(fā)射率

0 引言

紅外光電系統(tǒng)是現(xiàn)代高精尖武器的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)精確打擊和有效攻擊的關(guān)鍵，目前已被廣泛應(yīng)用于超音速戰(zhàn)機(jī)、制導(dǎo)導(dǎo)彈等先進(jìn)武器中[1-2]。在紅外光電系統(tǒng)中，紅外窗口是傳遞發(fā)射信號(hào)與接受目標(biāo)信號(hào)的唯一通道，它的光學(xué)性質(zhì)直接影響到光電系統(tǒng)的探測(cè)結(jié)果。此外紅外窗口裸露于外部環(huán)境之中，還承擔(dān)著保護(hù)內(nèi)部光電元器件的使命。因此紅外窗口是紅外光電系統(tǒng)的重要部件之一[3]。

為面對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的極端環(huán)境，飛行器的飛行速度不斷提高，朝著更高馬赫數(shù)發(fā)展。這給暴露在外部環(huán)境中的紅外窗口帶來一系列新的挑戰(zhàn)。其中最大的挑戰(zhàn)來自于紅外窗口的熱輻射和透過率下降。因?yàn)殡S著飛行速度大幅提高，飛行器與大氣摩擦加劇，紅外窗口產(chǎn)生大量的熱量即氣動(dòng)加熱，窗口溫度急劇上升，進(jìn)而造成窗口材料的紅外輻射顯著增強(qiáng)。此外，紅外窗口溫度的大幅度升高，會(huì)增加材料的紅外吸收，導(dǎo)致窗口材料的紅外透過率下降。光學(xué)窗口的高溫紅外輻射會(huì)使紅外成像系統(tǒng)的紅外圖像背景亮度增加，甚至造成紅外探測(cè)器飽和，淹沒目標(biāo)信號(hào)，產(chǎn)生窗口熱障問題[4]。而透過率減小造成紅外信號(hào)損耗，進(jìn)一步降低紅外光電系統(tǒng)的探測(cè)能力。因此，紅外窗口材料的高溫透過性能和高溫?zé)彷椛湫阅苁瞧鋺?yīng)用于面向高超音速高精度打擊武器必須要考察的性質(zhì)之一[5]。

然而，目前紅外窗口材料的性能研究還集中在材料的常溫光學(xué)性能和力學(xué)性能上，對(duì)材料高溫下的紅外光透過性能和熱輻射性能不足。本文使用傅里葉紅外光譜儀（FTIR）搭建的高靈敏度紅外輻射測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試并計(jì)算了釔鋁石榴石陶瓷（YAG）、鎂鋁尖晶石陶瓷（MgAlO4）、藍(lán)寶石單晶（Sapphire）、氟化鎂（MgF2）陶瓷和氧化釔（Y2O3）陶瓷5種紅外窗口材料的高溫紅外透過率和高溫紅外熱輻射參數(shù)。對(duì)其紅外熱性能進(jìn)行了詳細(xì)研究并對(duì)他們進(jìn)行了分析比較。

1 實(shí)驗(yàn)

材料的高溫透過率測(cè)試使用裝備有高溫加熱附件的傅里葉紅外光譜儀（VERTEX 70，Bruke）進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試溫度從50℃～400℃。材料的高溫輻射性能使用實(shí)驗(yàn)室基于FTIR紅外光譜儀搭建的高溫輻射測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。高溫輻射測(cè)試系統(tǒng)示意圖及實(shí)物照片如圖1所示。其中標(biāo)準(zhǔn)黑體采用深圳歐邁特科技儀器儀表有限公司生產(chǎn)的OMT-200A，傅里葉變換紅外光譜儀為Bruker公司的VERTEX 70。二氧化碳激光器采用南京來創(chuàng)激光科技有限公司生產(chǎn)的CWQ800。實(shí)驗(yàn)中，首先使用溫度控制器，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度，在不同溫度下，測(cè)試黑體相應(yīng)的輻射數(shù)據(jù)用于對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校正。對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行高溫輻射測(cè)量時(shí)，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)黑體，使用半導(dǎo)體激光器校準(zhǔn)整個(gè)光路系統(tǒng)，然后打開二氧化碳激光器，加熱被測(cè)樣品，使用紅外測(cè)溫儀測(cè)試樣品的溫度，并測(cè)試樣品在不同溫度下的光譜輻射。樣品的溫度通過改變二氧化碳激光器功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。待測(cè)樣品分別為釔鋁石榴石陶瓷、鎂鋁尖晶石陶瓷、藍(lán)寶石單晶、氟化鎂陶瓷和氧化釔陶瓷。其中釔鋁石榴石和氧化釔陶瓷為自制產(chǎn)品，鎂鋁尖晶石和氟化鎂陶瓷購(gòu)自人工晶體院，藍(lán)寶石購(gòu)買自元亮科技有限公司。所有待測(cè)樣品均統(tǒng)一加工成3mm厚、直徑為20mm的薄片。

2 結(jié)果與討論

2.1 常見紅外窗口材料的高溫透過性能

窗口材料的紅外透過率受材料的溫度影響很大。紅外吸收系數(shù)是聲子能量和溫度的函數(shù)[6]。溫度升高，紅外吸收增強(qiáng)，材料的紅外透過率降低。圖2所示為上述5種材料在50℃～400℃溫度區(qū)間不同溫度下的高溫透過率?？梢悦黠@看出這5種材料紅外截止邊附近的透過率隨溫度升高均有大幅度下降，而較短波長(zhǎng)處的紅外透過率受溫度影響不大。紅外截止邊的出現(xiàn)意味著材料對(duì)此波段附近紅外光出現(xiàn)部分吸收。該部分紅外吸收屬于多聲子吸收，跟材料的最大聲子能量相關(guān)。溫度升高，聲子振動(dòng)加劇，使最大能量的聲子的密度增加，從而造成材料在紅外截止邊附近的紅外吸收增強(qiáng)，表現(xiàn)出高溫透過率的下降以及紅外吸收邊的藍(lán)移。

最大聲子能量取決于材料的化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)，不同材料具有不同的最大聲子能量。上述這5種材料的最大聲子能量[7-10]如表1所示。結(jié)合透過率曲線可以看出，材料的最大聲子能量越大，它的紅外截止邊越短。

藍(lán)寶石、釔鋁石榴石和鎂鋁尖晶石的紅外截止邊都在5mm附近。從50℃～400℃，對(duì)于材料在5mm波段處的透過率，藍(lán)寶石從68%下降到48%，釔鋁石榴石從73%下降到61%，鎂鋁尖晶石從75%下降到61%。這種在紅外工作波段透過率的大幅度下降使得紅外探測(cè)器接收到的信號(hào)強(qiáng)度大幅減弱，使它們應(yīng)用于高馬赫數(shù)下面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。相比之下，氧化釔和氟化鎂的紅外截止邊在6～7mm。從50℃～400℃，雖然兩者的透過率在截止邊附近同樣有著明顯下降，但在5mm波段處，氟化鎂的透過率從89%下降到88%，而氧化釔從83%下降到82%。兩者的高溫透過率下降非常小。此外從它們400℃的歸一化（扣除反射）的高溫透過率可以看出，Y2O3材料具有最長(zhǎng)的紅外截止邊，表明Y2O3材料具有更好的高溫紅外性能。

圖1 FTIR紅外輻射測(cè)量平臺(tái)示意圖（左）和實(shí)物照片（右），右圖左下插圖為高溫樣品室內(nèi)部

2.2 常見紅外窗口材料紅外輻射性能

2.2.1 測(cè)試系統(tǒng)校正

材料高溫透過率的下降意味著材料對(duì)此紅外波長(zhǎng)處吸收的增強(qiáng)。吸收增強(qiáng)必然導(dǎo)致紅外輻射增強(qiáng)。材料的紅外輻射可由傅里葉紅外光譜儀測(cè)得。然而FTIR測(cè)量的是物體輻射量的相對(duì)值，這要求在儀器使用前和使用過程中進(jìn)行輻射定標(biāo)與校正，計(jì)算出儀器響應(yīng)函數(shù)和輻射偏置量。FTIR測(cè)試熱輻射過程中的標(biāo)定與校準(zhǔn)已有大量研究。本實(shí)驗(yàn)中采用被廣泛接受的兩點(diǎn)標(biāo)定法[11]。

表1 常用中波紅外窗口材料的最大聲子能量

圖2 藍(lán)寶石(a)、釔鋁石榴石(b)、鎂鋁尖晶石(c)、氟化鎂(d)和氧化釔(e) 中波紅外窗口材料在50℃～400℃的紅外透過率以及它們?cè)?00℃下的歸一化透過率

兩點(diǎn)標(biāo)定法是基于下面的事實(shí)：FTIR的輸入與輸出信號(hào)之間的響應(yīng)關(guān)系是線性的。因此光譜儀的輻射輸出信號(hào)測(cè)量表達(dá)式可以寫為：

(,)＝()(,)＋0() (1)

式中：(,)是測(cè)試物體的輻射亮度；()是測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)；0()是測(cè)試系統(tǒng)的背景補(bǔ)償函數(shù)；(,)是(,)經(jīng)光譜儀后直接測(cè)得的初始輻射光譜數(shù)據(jù)。由此可以看出，要得到物體的光譜輻射亮度(,)，必須知道()和0()。這兩個(gè)參數(shù)只與波長(zhǎng)有關(guān)而不受溫度的影響。因此通過測(cè)量不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)黑體，可以得到下式：

b1(,1)＝()b1(,1)＋0() (2)

b2(,2)＝()b2(,2)＋0() (3)

式中：b1(,1)和b2(,2)分別是1和2溫度下儀器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)黑體的初始光譜輻射測(cè)試結(jié)果；b1(,1)和b2(,2)分別是1和2溫度下標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻射亮度，可以通過普朗克公式計(jì)算得到。由以上兩式可以計(jì)算()和0()：

使用130℃和503℃下標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻射測(cè)試數(shù)據(jù)，其結(jié)果顯示在圖3中。根據(jù)普朗克公式計(jì)算出這兩個(gè)溫度下標(biāo)準(zhǔn)黑體的理論值，通過公式(4)和公式(5)計(jì)算出測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)()以及背景補(bǔ)償函數(shù)0()，如圖4所示。為了檢驗(yàn)計(jì)算所得()和0()的有效性，利用公式(1)，計(jì)算了200℃下標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射亮度并與利用普朗克公式計(jì)算的理論值進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。可以看出，兩者符合得很好。

圖3 130℃和350℃下標(biāo)準(zhǔn)黑體的測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)(a)與背景補(bǔ)償函數(shù)(b)

圖5 校正后黑體輻射測(cè)試結(jié)果（S）與理論黑體輻射比較（Lb）

根據(jù)計(jì)算得到的響應(yīng)函數(shù)()以及背景補(bǔ)償函數(shù)0()，結(jié)合不同溫度下標(biāo)準(zhǔn)黑體的儀器測(cè)試結(jié)果，得到了從75℃～340℃不同溫度下的黑體輻射，如圖6所示。圖6（左）顯示的是校準(zhǔn)前標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻射測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出曲線非常不平滑，測(cè)試曲線中很大量環(huán)境中水氣、二氧化碳的吸收峰。經(jīng)校準(zhǔn)后，背景噪聲得到很大程度的抑制，如圖6（右）所示。

2.2.2 常見中波紅外窗口材料的光譜輻射亮度

利用該測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了5種目前使用較多的紅外窗口材料：釔鋁石榴石、藍(lán)寶石、尖晶石、氟化鎂和氧化釔。采用標(biāo)準(zhǔn)黑體校準(zhǔn)參數(shù)和0，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了校正處理。圖7（(a)～(e)）分別顯示了這5類材料在不同溫度下經(jīng)校正后的紅外輻射亮度?？梢钥闯?，這5種材料的紅外輻射主要集中在5～20mm波段，在5mm波段處，藍(lán)寶石、釔鋁石榴石、鎂鋁尖晶石具有可觀的熱輻射（＞2×108W×sr－1·m3），且隨著溫度升高，輻射顯著增強(qiáng)。這種輻射增強(qiáng)會(huì)使紅外成像系統(tǒng)的紅外圖像背景亮度增加，降低探測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤能力，甚至造成紅外探測(cè)器飽和，是造成所謂的窗口熱障問題的主要原因。相比之下，氟化鎂和氧化釔的熱輻射相對(duì)于其他3種材料非常小。這是因?yàn)椴牧系募t外熱輻射正比于其紅外吸收系數(shù)。而材料的紅外吸收受材料的最大聲子能量的影響。氧化釔和氟化鎂的最大聲子能量較小，它們?cè)诩t外具有較寬的光譜透過范圍，遠(yuǎn)離5mm波段。因此其高溫下紅外吸收的增強(qiáng)，對(duì)此波段處的影響很小。

為了比較氟化鎂和氧化釔這兩種材料，將230℃與340℃下氟化鎂和氧化釔的輻射亮度進(jìn)行對(duì)比（圖7(f)），可以看出在3～5mm波段，氧化釔的輻射明顯低于同溫度下的氟化鎂。350℃下氧化釔的紅外輻射甚至與氟化鎂在200℃下的紅外輻射相當(dāng)，顯示出氧化釔無與倫比的超低紅外輻射優(yōu)勢(shì)。

材料的熱輻射能力還可以用光譜發(fā)射率表征。材料的光譜發(fā)射率為物體的光譜輻射亮度與同溫度下的黑體的光譜輻射亮度之比：

Fig.6 不同溫度下標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻射測(cè)試結(jié)果（左）與校正后黑體輻射數(shù)據(jù)（右）

圖7 藍(lán)寶石、釔鋁石榴石、鎂鋁尖晶石、氟化鎂和氧化釔中波紅外窗口材料在不同溫度下的光譜輻射亮度

式中：S(,)是測(cè)試物體的光譜輻射亮度；b(,)是標(biāo)準(zhǔn)黑體的光譜輻射亮度。采用同在340℃氧化釔的光譜輻射亮度數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻射數(shù)據(jù)，計(jì)算了該溫度下氧化釔材料的光譜發(fā)射率，并顯示在圖8中。圖8同樣顯示了340℃下，氧化釔材料的高溫透過率?？梢钥闯霾牧显诟鞑ㄩL(zhǎng)的發(fā)射率和透過率應(yīng)呈現(xiàn)相反和互補(bǔ)的關(guān)系。這與基爾霍夫定律的理論預(yù)測(cè)一致。

3 結(jié)論

綜上，使用傅里葉紅外光譜儀搭建了紅外輻射測(cè)試平臺(tái)。通過在不同溫度下分別測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)黑體和紅外窗口材料，獲得紅外窗口在高溫下的透過率和光譜輻射度曲線并計(jì)算了發(fā)射率。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試比較了常用的5種紅外窗口材料：釔鋁石榴石、鎂鋁尖晶石、藍(lán)寶石、氟化鎂和氧化釔。結(jié)果顯示，在這5種材料中，氧化釔顯示出超低的紅外輻射。在3～5mm紅外窗口，氧化釔的輻射最低。氧化釔在340℃的輻射度與氟化鎂230℃相當(dāng)。據(jù)此，可以預(yù)測(cè)，氧化釔的使用溫度可以比氟化鎂高100℃左右。此外，氧化釔材料具有立方結(jié)構(gòu)，不存在雙折射，利用近年發(fā)展起來的陶瓷制備技術(shù)，高質(zhì)量的氧化釔透明陶瓷已經(jīng)獲得成功制備。因此，氧化釔是一種理想的面向高超音速應(yīng)用的紅外窗口材料。

圖8 氧化釔在340℃下的透過率和發(fā)射率

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Comparative Study on Transmittance and Radiance of Sapphire, YAG, Spinel, MgF2and Y2O3at High Temperatures

FAN Jintai1，XU Yangyang1,2，QIN Xianpeng1,3，MAO Xiaojian1，ZHANG Long1

(1.,,,201800,; 2.,200444,; 3.,,200050,)

The transmittance and radiance of mid-infrared window materials at elevated temperature require investigation.Due to their reduced transmittance and higher radiance, these materials are applied to hypersonic aircraft windows where aerodynamic heating is a large challenge. Five types of mid-infrared widow materials are widely used and selected for this study: sapphire, YAG, spinel, MgF2, and Y2O3. Their transmittance reduction and radiance increase in the temperature range from 50℃ to 400℃ were studied by an FTIR spectrometer. The results show thatMgF2and Y2O3exhibit better properties at high temperature and far less reduction in transmittance andthe increase in radiance wasobserved in the range of 3-5mmcompared with other three kinds of materials.Particularly, Y2O3has an extremely low radiance and thus is a very promising mid-infrared window material.

hypersonic，mid-wave infrared，window material，F(xiàn)TIR，infrared spectrum radiance

TQ174.75

A

1001-8891(2017)10-0951-07

2016-11-01；

2016-12-08.

范金太（1985-），男，河南汝南人，副研究員，博士，主要從事紅外窗口材料與激光材料的研究。E-mail：jtfan@siom.ac.cn。

國(guó)家留學(xué)基金資助（2015049392）。