SmCrO3粉末的制备及光学特性研究

李磊伟,吕 勇,牛春晖

(北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院,北京 100192)

1 引 言

光谱选择性吸收材料是一类对特定激光(主要考虑1.06 μm、1.55 μm 、10.6 μm等)具有强吸收作用,而对其他波段光不产生影响的功能性材料。它被广泛地应用到军事隐身材料中。由于稀土元素4f层上电子在多种能级间跃迁而产生多种特殊吸收谱,它们的化合物常常被制成光谱选择性吸收材料[1-3]。南京工业大学的韩鹏德[4]等发现Sm3+离子的6H5/2基态向6F9/2激发态的跃迁使得Sm类化合物在1050～1150 nm波段范围内,形成一个较强吸收峰。

三氧化二铬(Cr2O3)颜料具有着色力强,耐候性好等优点,是一种常用的绿色颜料[5]。正因如此,也常常被应用到军事可见光迷彩上面。但是由于Cr2O3自身对近红外激光有较强的反射作用,不能直接用作军事上的隐身材料。

本文在前人研究基础上,利用固相法制备出一种在1.06 μm和1.55 μm处具有强吸收作用,同时外观呈绿色的光谱选择性吸收材料。可以很好地兼容可见和近红外隐身。

2 实 验

2.1 样品制备

采用固相法制备SmCrO3粉体,按照一定的质量比称取Sm2O3、Cr2O3,将两者混合物置于尼龙罐中,加入一定量的去离子水,以二氧化锆球作为研磨介质,球料比控制为3∶1,以转速为300 r/min在球磨机上研磨2 h,让原料充分混合。

然后将混合物置于烧杯,放到电热恒温鼓风干燥箱内,在120 ℃温度下干燥15 h。将烘干后的混合粉体置于陶瓷坩埚中,在马弗炉中分别以1100 ℃、1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃温度进行高温煅烧,分别标记为1#、2#、3#和4#样品,四个样品煅烧时间均为2 h。最后,将烧制好的材料放入研钵进行研磨,装袋制成待测样品。

2.2 物相结构分析

实验中采用日立DMAX-3A型X-射线衍射仪,CoKα靶(λ=0.1789 nm)进行材料样品的物相分析,扫描范围为20°～80°。

图1是不同煅烧温度下材料样品的XRD图。标号1#、2#、3#、4#和SmCrO3标准PDF卡片(PDF No.39-0262)进行比较,可以看到:1#和2#样品的XRD特征峰值与SmCrO3特征峰值相差较大,经过分析,确定在1#、2#中的杂峰(图中已标出,约在32°和35°附近)分别对应于Sm2O3与Cr2O3,说明在1100 ℃、1200 ℃温度下,反应未完全。而3#样品与SmCrO3标准PDF卡片特征峰值基本对应,但是仍然有许多杂峰。而4#样品的XRD峰值与SmCrO3标准PDF卡片特征峰值非常一致,各个峰值之间的相对强度也基本一致。说明在1400 ℃下,Sm2O3与Cr2O3反应完全,生成SmCrO3。此时对应化学反应是:

Sm2O3+Cr2O3→SmCrO3

(1)

图1 不同煅烧温度下样品的XRD图

3 结果及分析

为了对制备的SmCrO3材料在近红外激光和可见光隐身效果方面综合评估,以下将从漫反射光谱、色坐标和激光雷达截面比进行分析。

3.1 漫反射光谱测量

为粗略探测制备的SmCrO3材料在1.06 μm和1.55 μm近红外光的吸收效果,对各样品进行了漫反射光谱测试。采用Acantes公司的AVASPHERE-LS-1509013型积分球(积分球内部自带卤钨灯光源)和AvaSpec-ULS2048-USB2型光纤光谱仪对各样品的漫反射率进行测试。测试装置结构如图2所示。

图2 漫反射测量光谱装置图

如图2所示,将压实的待测样品放在标准漫反射板上。实验中,首先保存暗背景和标准参考背景。计算出来的样品反射率按照下面方程计算:

(2)

式中,Samplen为放入样品时光谱强度;Darkn为暗背景光谱强度;Refn为标准漫反射板光谱强度。其中在测试样品时,漫反射光在积分球内多次漫反射,混合均匀后通过顶端的光纤连接头传送到光纤光谱仪内,经过计算机处理后得到样品的漫反射率图,用1减去漫反射率就得到样品的吸收率。我们假设标准漫反射板的反射率为100%,那么所得到漫反射率就可以认为是准确的。

不同煅烧温度对应的材料样品,漫反射率如图3所示,图中1#、2#、3#、4#样品分别对应温度1100 ℃、1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃。从图中可以看到,在1.06 μm和1.55 μm处,制备的4个样品均有较强的吸收作用,而且随着煅烧温度的增加,漫反射率不断减弱,即吸收率在增强,说明主要是SmCrO3在起吸收作用。当煅烧温度为1400 ℃时,材料厚度约为0.2 mm时,1.06 μm和1.55 μm出现较强的吸收峰,其吸收率分别为54%和53%。表明SmCrO3是一种良好的近红外激光隐身材料。

图3 不同样品对应漫反射率图

3.2 色坐标

外观上,1#～4#样品均为浅绿色。为准确区分各样品颜色,本实验中采用光谱仪对各个样品的可见波段漫反射谱进行测量,求出各个样品的色坐标值。

在XYZ系统中[6-7],色坐标和三刺激值关系可以表示如下:

(4)

实验中,同样按照图2装置所示,将压实的待测样品放置在标准漫反射板上。打开光源对样品进行(380～780 nm)漫反射谱测量,将得到的数据归一化后,按照公式(5)计算出4个样品的色坐标值：

(5)

其中,x′(λ)、y′(λ)和z′(λ)是标准光谱的三刺激值。计算结果如表1所示。

表1 4个样品和Cr2O3的色坐标值

从表1中可以看出4个样品和Cr2O3的色坐标值相差很小,总体变化范围是(0.3588±0.0007,0.3792±0.0081)。这表明,本次实验中说明制备的SmCrO3可以代替Cr2O3,作为可见迷彩材料。

3.3 激光雷达截面比

激光隐身的评价方法有很多种[8-10],但是大多评价方法依据激光测距机工作原理制定的,未曾考虑激光制导系统的评价方法。与激光测距机不同:激光制导系统的接收端和发射端有较大夹角。按照巨养锋等人[11]的观点:目标激光雷达截面(LRCS)是从微波引入的综合描述目标对激光散射能力的物理量,LRCS越小,表明对激光的吸收效果越好。其定义如下式:

(6)

式中,Pi是目标处的入射激光功率密度;Ps是来自目标散射的激光照射到观测点处的功率密度;R是目标到观测点的距离。由于实验室中的功率计探头面积一定,且在保证探头全部被照射的前提下,入射激光功率密度和目标散射功率密度比值可以改为两者功率比值；即:

(7)

式中,PS是目标处入射激光功率;PI是观测点处来自目标散射的激光功率。

由于实验室条件限制,难以直接准确测量材料的激光雷达截面。故而转为求激光雷达截面比。即将标准漫反射板的激光雷达截面和制备材料的激光雷达截面作比(本文记为K值),K值越大表明样品的隐身效果越好。K值定义式如下:

(8)

图5 实验原理图

图6 K值与角度之间关系

从图5中可以看到,在空间中0°～90°范围内,1#、2#、3#、4#、样品的K值基本保持在1.8以上,并且随着温度的升高,K值不断变大,这表明随着煅烧温度的升高,材料样品对1064 nm激光的吸收能力不断增强。

4 结 论

采用固相法在1400 ℃下合成了单一晶相的SmCrO3粉体。厚度为0.2 mm的SmCrO3材料在1.06 μm和1.55 μm将出现强的吸收峰,其吸收率分别为54%和53%。计算了不同煅烧温度下材料的色坐标值,与常见的可见迷彩材料Cr2O3作比较,发现色坐标保持在(0.3588±0.0007,0.3792±0.0081)范围内,变化很小,表明SmCrO3可以代替Cr2O3,作为可见迷彩材料。同时利用激光雷达截面比(K值)评价样品近红外激光吸收效果,测得K值基本保持在1.8以上,并且随着温度的升高,K值不断变大。综上所述,SmCrO3是一种兼容可见、近红外激光的多功能隐身材料。

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