常用中波红外窗口材料高温透过与热辐射性能比较

范金太，许杨阳,2，覃显鹏,3，毛小建，张 龙

常用中波红外窗口材料高温透过与热辐射性能比较

范金太1，许杨阳1,2，覃显鹏1,3，毛小建1，张 龙1

（1. 中国科学院 上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室，上海 201800；2. 上海大学 上海 200444；3. 中国科学院 上海硅酸盐研究所，上海 200050）

在高超音速飞行下，飞行器的中波红外窗口面临着气动加热导致的高温透过率下降和高温辐射增强的挑战，在高马赫应用中，选择窗口材料时必须对材料的高温透过率与高温热辐射这两个性能进行考察。本文采用傅里叶红外光谱仪测试了蓝宝石单晶、钇铝石榴石单晶、镁铝尖晶石陶瓷、氟化镁陶瓷和氧化钇陶瓷5种常见中波红外窗口材料在50℃～400℃的高温透过性能和高温辐射性能。考察了这几种窗口材料的高温透过率下降趋势和高温辐射增强。结果表明，相对于其他3种材料，氟化镁和氧化钇材料在3～5mm应用波段的高温透过率下降很小，同样高温辐射也较小。此外，氧化钇表现出非常优异的超低红外辐射性能，是一种非常有应用前景的中波红外窗口材料。

高超音速；中波红外；窗口材料；傅里叶变换；红外光谱；发射率

0 引言

红外光电系统是现代高精尖武器的重要组成部分，是实现精确打击和有效攻击的关键，目前已被广泛应用于超音速战机、制导导弹等先进武器中[1-2]。在红外光电系统中，红外窗口是传递发射信号与接受目标信号的唯一通道，它的光学性质直接影响到光电系统的探测结果。此外红外窗口裸露于外部环境之中，还承担着保护内部光电元器件的使命。因此红外窗口是红外光电系统的重要部件之一[3]。

为面对现代战场的极端环境，飞行器的飞行速度不断提高，朝着更高马赫数发展。这给暴露在外部环境中的红外窗口带来一系列新的挑战。其中最大的挑战来自于红外窗口的热辐射和透过率下降。因为随着飞行速度大幅提高，飞行器与大气摩擦加剧，红外窗口产生大量的热量即气动加热，窗口温度急剧上升，进而造成窗口材料的红外辐射显著增强。此外，红外窗口温度的大幅度升高，会增加材料的红外吸收，导致窗口材料的红外透过率下降。光学窗口的高温红外辐射会使红外成像系统的红外图像背景亮度增加，甚至造成红外探测器饱和，淹没目标信号，产生窗口热障问题[4]。而透过率减小造成红外信号损耗，进一步降低红外光电系统的探测能力。因此，红外窗口材料的高温透过性能和高温热辐射性能是其应用于面向高超音速高精度打击武器必须要考察的性质之一[5]。

然而，目前红外窗口材料的性能研究还集中在材料的常温光学性能和力学性能上，对材料高温下的红外光透过性能和热辐射性能不足。本文使用傅里叶红外光谱仪（FTIR）搭建的高灵敏度红外辐射测试平台，测试并计算了钇铝石榴石陶瓷（YAG）、镁铝尖晶石陶瓷（MgAlO4）、蓝宝石单晶（Sapphire）、氟化镁（MgF2）陶瓷和氧化钇（Y2O3）陶瓷5种红外窗口材料的高温红外透过率和高温红外热辐射参数。对其红外热性能进行了详细研究并对他们进行了分析比较。

1 实验

材料的高温透过率测试使用装备有高温加热附件的傅里叶红外光谱仪（VERTEX 70，Bruke）进行测试。测试温度从50℃～400℃。材料的高温辐射性能使用实验室基于FTIR红外光谱仪搭建的高温辐射测试系统进行测试。高温辐射测试系统示意图及实物照片如图1所示。其中标准黑体采用深圳欧迈特科技仪器仪表有限公司生产的OMT-200A，傅里叶变换红外光谱仪为Bruker公司的VERTEX 70。二氧化碳激光器采用南京来创激光科技有限公司生产的CWQ800。实验中，首先使用温度控制器，调节标准黑体温度，在不同温度下，测试黑体相应的辐射数据用于对测试系统进行校正。对待测样品进行高温辐射测量时，关闭标准黑体，使用半导体激光器校准整个光路系统，然后打开二氧化碳激光器，加热被测样品，使用红外测温仪测试样品的温度，并测试样品在不同温度下的光谱辐射。样品的温度通过改变二氧化碳激光器功率进行调节。待测样品分别为钇铝石榴石陶瓷、镁铝尖晶石陶瓷、蓝宝石单晶、氟化镁陶瓷和氧化钇陶瓷。其中钇铝石榴石和氧化钇陶瓷为自制产品，镁铝尖晶石和氟化镁陶瓷购自人工晶体院，蓝宝石购买自元亮科技有限公司。所有待测样品均统一加工成3mm厚、直径为20mm的薄片。

2 结果与讨论

2.1 常见红外窗口材料的高温透过性能

窗口材料的红外透过率受材料的温度影响很大。红外吸收系数是声子能量和温度的函数[6]。温度升高，红外吸收增强，材料的红外透过率降低。图2所示为上述5种材料在50℃～400℃温度区间不同温度下的高温透过率。可以明显看出这5种材料红外截止边附近的透过率随温度升高均有大幅度下降，而较短波长处的红外透过率受温度影响不大。红外截止边的出现意味着材料对此波段附近红外光出现部分吸收。该部分红外吸收属于多声子吸收，跟材料的最大声子能量相关。温度升高，声子振动加剧，使最大能量的声子的密度增加，从而造成材料在红外截止边附近的红外吸收增强，表现出高温透过率的下降以及红外吸收边的蓝移。

最大声子能量取决于材料的化学成分与结构，不同材料具有不同的最大声子能量。上述这5种材料的最大声子能量[7-10]如表1所示。结合透过率曲线可以看出，材料的最大声子能量越大，它的红外截止边越短。

蓝宝石、钇铝石榴石和镁铝尖晶石的红外截止边都在5mm附近。从50℃～400℃，对于材料在5mm波段处的透过率，蓝宝石从68%下降到48%，钇铝石榴石从73%下降到61%，镁铝尖晶石从75%下降到61%。这种在红外工作波段透过率的大幅度下降使得红外探测器接收到的信号强度大幅减弱，使它们应用于高马赫数下面临严峻挑战。相比之下，氧化钇和氟化镁的红外截止边在6～7mm。从50℃～400℃，虽然两者的透过率在截止边附近同样有着明显下降，但在5mm波段处，氟化镁的透过率从89%下降到88%，而氧化钇从83%下降到82%。两者的高温透过率下降非常小。此外从它们400℃的归一化（扣除反射）的高温透过率可以看出，Y2O3材料具有最长的红外截止边，表明Y2O3材料具有更好的高温红外性能。

图1 FTIR红外辐射测量平台示意图（左）和实物照片（右），右图左下插图为高温样品室内部

2.2 常见红外窗口材料红外辐射性能

2.2.1 测试系统校正

材料高温透过率的下降意味着材料对此红外波长处吸收的增强。吸收增强必然导致红外辐射增强。材料的红外辐射可由傅里叶红外光谱仪测得。然而FTIR测量的是物体辐射量的相对值，这要求在仪器使用前和使用过程中进行辐射定标与校正，计算出仪器响应函数和辐射偏置量。FTIR测试热辐射过程中的标定与校准已有大量研究。本实验中采用被广泛接受的两点标定法[11]。

表1 常用中波红外窗口材料的最大声子能量

图2 蓝宝石(a)、钇铝石榴石(b)、镁铝尖晶石(c)、氟化镁(d)和氧化钇(e) 中波红外窗口材料在50℃～400℃的红外透过率以及它们在400℃下的归一化透过率

两点标定法是基于下面的事实：FTIR的输入与输出信号之间的响应关系是线性的。因此光谱仪的辐射输出信号测量表达式可以写为：

(,)＝()(,)＋0() (1)

式中：(,)是测试物体的辐射亮度；()是测试系统响应函数；0()是测试系统的背景补偿函数；(,)是(,)经光谱仪后直接测得的初始辐射光谱数据。由此可以看出，要得到物体的光谱辐射亮度(,)，必须知道()和0()。这两个参数只与波长有关而不受温度的影响。因此通过测量不同温度下的标准黑体，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)分别是1和2温度下仪器对标准黑体的初始光谱辐射测试结果；b1(,1)和b2(,2)分别是1和2温度下标准黑体的辐射亮度，可以通过普朗克公式计算得到。由以上两式可以计算()和0()：

使用130℃和503℃下标准黑体的辐射测试数据，其结果显示在图3中。根据普朗克公式计算出这两个温度下标准黑体的理论值，通过公式(4)和公式(5)计算出测试系统的响应函数()以及背景补偿函数0()，如图4所示。为了检验计算所得()和0()的有效性，利用公式(1)，计算了200℃下标准黑体辐射亮度并与利用普朗克公式计算的理论值进行对比，如图5所示。可以看出，两者符合得很好。

图3 130℃和350℃下标准黑体的测试数据

图4 测试系统的响应函数(a)与背景补偿函数(b)

图5 校正后黑体辐射测试结果（S）与理论黑体辐射比较（Lb）

根据计算得到的响应函数()以及背景补偿函数0()，结合不同温度下标准黑体的仪器测试结果，得到了从75℃～340℃不同温度下的黑体辐射，如图6所示。图6（左）显示的是校准前标准黑体的辐射测试数据，可以看出曲线非常不平滑，测试曲线中很大量环境中水气、二氧化碳的吸收峰。经校准后，背景噪声得到很大程度的抑制，如图6（右）所示。

2.2.2 常见中波红外窗口材料的光谱辐射亮度

利用该测试系统，测试了5种目前使用较多的红外窗口材料：钇铝石榴石、蓝宝石、尖晶石、氟化镁和氧化钇。采用标准黑体校准参数和0，对测试结果进行了校正处理。图7（(a)～(e)）分别显示了这5类材料在不同温度下经校正后的红外辐射亮度。可以看出，这5种材料的红外辐射主要集中在5～20mm波段，在5mm波段处，蓝宝石、钇铝石榴石、镁铝尖晶石具有可观的热辐射（＞2×108W×sr－1·m3），且随着温度升高，辐射显著增强。这种辐射增强会使红外成像系统的红外图像背景亮度增加，降低探测系统对目标的检测和跟踪能力，甚至造成红外探测器饱和，是造成所谓的窗口热障问题的主要原因。相比之下，氟化镁和氧化钇的热辐射相对于其他3种材料非常小。这是因为材料的红外热辐射正比于其红外吸收系数。而材料的红外吸收受材料的最大声子能量的影响。氧化钇和氟化镁的最大声子能量较小，它们在红外具有较宽的光谱透过范围，远离5mm波段。因此其高温下红外吸收的增强，对此波段处的影响很小。

为了比较氟化镁和氧化钇这两种材料，将230℃与340℃下氟化镁和氧化钇的辐射亮度进行对比（图7(f)），可以看出在3～5mm波段，氧化钇的辐射明显低于同温度下的氟化镁。350℃下氧化钇的红外辐射甚至与氟化镁在200℃下的红外辐射相当，显示出氧化钇无与伦比的超低红外辐射优势。

材料的热辐射能力还可以用光谱发射率表征。材料的光谱发射率为物体的光谱辐射亮度与同温度下的黑体的光谱辐射亮度之比：

Fig.6 不同温度下标准黑体的辐射测试结果（左）与校正后黑体辐射数据（右）

图7 蓝宝石、钇铝石榴石、镁铝尖晶石、氟化镁和氧化钇中波红外窗口材料在不同温度下的光谱辐射亮度

式中：S(,)是测试物体的光谱辐射亮度；b(,)是标准黑体的光谱辐射亮度。采用同在340℃氧化钇的光谱辐射亮度数据和标准黑体的辐射数据，计算了该温度下氧化钇材料的光谱发射率，并显示在图8中。图8同样显示了340℃下，氧化钇材料的高温透过率。可以看出材料在各波长的发射率和透过率应呈现相反和互补的关系。这与基尔霍夫定律的理论预测一致。

3 结论

综上，使用傅里叶红外光谱仪搭建了红外辐射测试平台。通过在不同温度下分别测试标准黑体和红外窗口材料，获得红外窗口在高温下的透过率和光谱辐射度曲线并计算了发射率。实验中测试比较了常用的5种红外窗口材料：钇铝石榴石、镁铝尖晶石、蓝宝石、氟化镁和氧化钇。结果显示，在这5种材料中，氧化钇显示出超低的红外辐射。在3～5mm红外窗口，氧化钇的辐射最低。氧化钇在340℃的辐射度与氟化镁230℃相当。据此，可以预测，氧化钇的使用温度可以比氟化镁高100℃左右。此外，氧化钇材料具有立方结构，不存在双折射，利用近年发展起来的陶瓷制备技术，高质量的氧化钇透明陶瓷已经获得成功制备。因此，氧化钇是一种理想的面向高超音速应用的红外窗口材料。

图8 氧化钇在340℃下的透过率和发射率

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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，FTIR，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，副研究员，博士，主要从事红外窗口材料与激光材料的研究。E-mail：jtfan@siom.ac.cn。

国家留学基金资助（2015049392）。