红外增透膜湿热雨林气候环境适应性分析

杨玉萍，刘 剑，周晓瑜，赵宏坤，刘艳芳，王冲文，赵远荣，戈 帆，肖建军，罗 瑞，杨品杰

红外增透膜湿热雨林气候环境适应性分析

杨玉萍，刘 剑，周晓瑜，赵宏坤，刘艳芳，王冲文，赵远荣，戈 帆，肖建军，罗 瑞，杨品杰

（云南北方光电仪器有限公司，云南 昆明 650114）

随着军用红外光学仪器的发展，对红外光学镀膜元件耐环境性能的要求越来越高。以波段在8～12mm的Ge、ZnS、ZnSe镀增透膜样品为对象进行红外增透膜湿热雨林气候环境适应性研究。以外观质量、重量、光谱透射比等为评价指标进行环境适应性评价，得出以下结果：经过3年湿热雨林气候环境试验，红外增透膜出现了不同程度损伤，损伤模式主要为变色和脱膜；随着试验时间的延长，变色越来越严重，变色区域越来越大；重量出现先减少后增加的现象，光谱透射比出现少量下降；经过3年的湿热雨林气候环境试验后，红外增透膜均已失效。

红外增透膜；湿热雨林；环境适应性

0 引言

红外技术最初主要用于军事领域，后来随着科技的发展，红外在大气探测、航天、甚至很多民用领域也逐渐扮演重要角色[1-2]。在红外光学系统中，红外光能量的透过率决定了该系统性能的好坏。减少光学元件表面的反射，从而增加光学系统在工作波段内的透过率对生产实践有着重大意义[3]。

镀增透膜对于透射式红外光学元器件是不可缺少的工艺，它不但提高了光学元件的透过率，排除了杂光，还对镜片本身起到了保护作用，避免了光学材料的潮解损伤。但增透膜也有自身的缺陷，如在潮热环境条件下易脱落，这对光学镀膜是一种严酷的考验，一旦镀膜脱落不但对镜片起不到保护作用，使透过率下降，而且会造成散射，使能量下降，直接影响观察效果[4-6]。

随着军用红外光学仪器的发展，对红外光学镀膜元件耐环境性能的要求越来越高，如机载、舰载以及坦克红外成像系统中的前置窗口或整流罩。一方面要求其镀膜元件能经受恶劣环境的考验，另一方面还要保持其光学性能不变[7]，因此有必要开展红外光学镀膜元件的环境适应性研究。美国从20世纪20年代就开展了在自然环境的暴露试验和人工加速试验，其制定的ASTM、SAE等标准都立足于大量试验数据，而环境试验的基准点，设在佛罗里达州的迈阿密（湿热带）和亚利桑那州的凤凰城（干热沙漠），其他气候，如高原、寒冷、暖湿等都与基准点做比较，找出不同材料的相关系数进行修正。国外对环境适应性越来越重视，且更加专业化，都委托ATLAS这样的专业机构进行研究，做试验和协助共同制定标准，向材料-产品-装备一条龙研究发展[8]。而国内环境适应性研究起步较晚，针对光学膜层的环境适应性研究较少。光学膜层质量主要依据GJB 2485[9]进行检验，环境适应性方面主要通过室内湿热、盐雾、特殊高温加速试验等进行验证。

文中以波段在8～12mm的Ge、ZnS、ZnSe镀增透膜样品为对象，通过湿热雨林大气环境下的棚下暴露试验，研究该类材料在湿热雨林气候环境下的性能变化规律，获得该类材料在湿热雨林气候环境下的环境适应性，为光学系统的环境适应性设计和使用维护提供技术支持。

1 表征参数的确定

在GJB 4239[10]中给出的环境适应性定义是产品在其寿命期预计可能遇到的各种环境作用下能实现其所有预定功能和性能和（或）不被破坏的能力。针对红外增透膜样品，其湿热雨林气候环境适应性主要从性能的变化是否满足预定使用要求或不被破坏进行评价[11]。依据GJB 2485[9]，光学膜层主要的性能参数有镀膜面积、膜层外观质量、膜层牢固性、光学性能等。对以上性能参数进行分析，首先镀膜面积是指应在光学零件的整个有效口径面上镀膜，对于直径或最大对角线尺寸≤50mm的零件，未镀膜区最大宽度为1mm，该性能参数主要在零件镀膜完成后进行的初始检测，一般不会随试验时间延长出现较大变化，因此不考虑将镀膜面积作为环境适应性评价的主要参数；其次，膜层牢固性属于破坏性试验，且检测结果为定性结果，因此也不考虑将膜层牢固性作为环境适应性评价的主要参数，通过以上分析最终选择膜层外观质量、光学性能、样品重量等性能参数作为评估红外增透膜湿热雨林气候环境适应性好坏的表征参数。

2 试验设计

2.1 样品制备

红外增透膜样品按实际产品加工过程中的检验陪片规格来制备，样品规格为25.4－0.100mm，基底材料选择产品上常用的Ge、ZnS、ZnSe，采用物理气相沉积方法（physical vapor deposition，PVD）进行增透膜的镀制（见表1）。

对样品的初始状态性能进行检测，检测结果为：膜层基本光洁平整（见图1），无起皮、脱膜、裂纹、起泡等缺陷；Ge、ZnS、ZnSe镀增透膜样品10mm波长处的光谱透射比分别为99.5%、97.2%、98.8%。

表1 样品信息

图1 样品的显微形貌

2.2 试验方法与测试

西双版纳试验站试验棚的平均温度为23.3℃，平均相对湿度为72%，属于典型的高温高湿气候环境，因此选择在西双版纳试验站开展红外增透膜样品的棚下暴露试验（见图2），试验周期为3年，分别在试验0.5年、1年、2年、3年时取回3件平行样品，在实验室进行外观质量、光谱透射比、面形和重量的检测。

图2 样品棚下暴露试验

3 环境适应性分析

3.1 样品外观质量分析

经过3年的湿热雨林气候环境试验后，红外增透膜样品表面均出现了霉菌生长现象；将表面的霉菌清洁以后，Ge镀增透膜样品出现了脱膜和大量零散分布的变色区（见图3），ZnS镀增透膜样品出现少量的变色区（见图4），ZnSe镀增透膜样品出现集中分布的变色区（见图5）。由外观质量检测结果可以看出，经过3年的湿热雨林气候环境试验，红外增透膜的外观出现了损伤，损伤模式主要是变色和脱膜，已不能满足使用要求，其中Ge镀增透膜的损伤较ZnS、ZnSe镀增透膜严重。从外观质量说明，ZnS、ZnSe镀增透膜湿热雨林环境下的环境适应性优于Ge镀增透膜。

图3 Ge镀增透膜试验3年显微形貌

3.2 样品重量数据分析

每个试验周期结束以后，用酒精乙醚溶液进行样品表面清洁，用精度为0.0001g的电子天平进行称重，然后与试验前的重量进行比较，得到重量变化比例，对重量变化比例数据处理后得到平均值（见表2）。

图4 ZnS镀增透膜试验3年显微形貌

图5 ZnSe镀增透膜试验3年显微形貌

表2 重量变化比例平均值

Ge、ZnS、ZnSe镀增透膜在湿热雨林气候环境下试验3年后，重量变化规律基本一致，均在试验2年时重量出现了微量下降，试验3年时重量基本与试验前保持一致。从重量变化数据看，Ge、ZnS、ZnSe镀增透膜在湿热雨林气候环境下试验3年后未产生明显的腐蚀产物。

3.3 样品光谱透射比分析

对光谱透射比检测结果进行分析，经过3年的湿热雨林气候环境试验，红外增透膜的光谱透射比出现了不同程度下降，其中Ge镀增透膜的下降比率大于ZnS、ZnSe镀增透膜，从表3中的光谱透射比说明，ZnS、ZnSe镀增透膜的环境适应性优于Ge镀增透膜。

表3 光谱透射比变化平均值

3.4 膜层成分分析

利用扫描电镜对红外增透膜成分进行了分析，分析结果见表4～表6。

表4 Ge镀增透膜化学成分重量百分比

表5 ZnS镀增透膜化学成分重量百分比

由化学成分分析结果可以看出，膜层发生了明显变化。未进行自然环境试验前，膜层最外层是ZnS，中间层是YF3、内层是Ge，检测出的化学成分主要是Zn、S、Y和F，随着自然环境试验时间的延长，外层ZnS受到不同程度的损伤，膜层出现分层脱落，因此在后续的检测结果出现了Ge含量增加，Zn和Y的含量减少。由化学成分结果也可以看出，自然环境试验后，并未出现新的元素，所含元素来源于膜层，说明膜层与大气环境中的有害介质未发生化学反应，也未出现腐蚀产物。

表6 ZnSe镀增透膜化学成分重量百分比

4 结论

以外观质量、重量、光谱透射比为指标，对红外增透膜在湿热雨林气候环境下的环境适应性进行了分析，得出以下结论：

1）红外增透膜经过3年的湿热雨林气候环境棚下暴露试验后，外观出现了损伤，损伤模式主要是变色和脱膜，Ge镀增透膜的损伤较ZnS、ZnSe镀增透膜严重。

2）红外增透膜在湿热雨林气候环境棚下暴露试验后，均在试验2年时重量出现了微量下降，试验3年时重量基本与试验前保持一致。从重量变化数据看，红外增透膜在湿热雨林气候环境下试验3年后未产生明显的腐蚀产物。

3）红外增透膜经过3年的湿热雨林气候环境棚下暴露试验后，光谱透射比出现了下降，其中Ge镀增透膜的下降比率大于ZnS、ZnSe镀增透膜。

4）红外增透膜经过3年的湿热雨林气候环境棚下暴露试验后，均出现了霉菌生长现象。

5）基于以上研究结论，可以看出增透膜在湿热雨林环境棚下暴露试验3年后已基本失效，由于膜层成分不同，不同类型膜层的环境适应性不一定与增透膜一致，如反射镜上的反射膜、分光镜上的分光膜的环境适应性有待深入研究。

6）对增透膜样品的表面进行观察，发现其表面随试验时间的延长发生了肉眼可见的变色，由此推测样品的面型有可能随试验时间的延长发生了变化，建议在进行光学薄膜环境适应性研究时增加面型的研究。

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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.

杨玉萍（1982-），女，云南通海人，学士，本科，主要从事环境试验研究工作。E-mail:qiluhu@163.com。

国防技术基础科研项目。