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现代光电武器装备提高战斗力的推进剂——金刚石材料

时间:2023-04-14浏览次数:1806

全天候作战,是军事行动者梦寐以求的,要实现拥有全天候作战能力的梦想,最关键是要拥有一双全天候的“眼睛”。在相当宽的波谱范围内,许多武器装备都对金刚石存在应用需求。以下将从金刚石整流罩、金刚石膜窗口等几大方面,对金刚石在光电武器装备的应用展开阐述。


1、超音速新一代拦截导弹的金刚石整流罩

更高、更快、更强,是现代战争对武器的要求,目前,世界范围内研制高速拦截导弹,整流罩作为导弹的“眼睛”,成为必须同步研制的关键部件,由于高速拦截导弹,要求在 1~3 km 的中低空飞行速度为 3~4马赫,导弹的表层温度达到 600 C,而在3~30 kn 的高空飞行,速度在6马赫以上,这样高的速度,使导弹表层温度迅速升高到 1500C以上,巨大的热震使传统的红外光学材料难以承受,金刚石几乎是唯一的选择;特别是超音速导弹高速度飞行时,雨滴、沙尘等在静止情况下微不足道的自然界环境,成了严重危害导弹整流罩的利器,镀制金刚石膜层或研制金刚石整流罩是增强红外制导战生存能力(抗雨滴、沙尘的冲刷等) 的需要

目前,被开发和广泛使用的精确制导技术还有:微波制导、红外制导、电视制导、毫米波制导等等,而利用这些制导技术“组合”而成的多波导引导的是当前军事发展的方向,以 CVD 方法制备的金刚石薄膜是唯一可能实现这一目标的窗口材料。


2、金刚石膜(平板)窗口

除了在红外光学材料表面镀金刚石薄膜外,也可以直接以金刚石厚膜作为红外武器装备如红外夜视仪的平板窗口金刚石窗口的主要作用是提高或增强各种红外武器系统的战场生存能力,即抵抗雨滴、灰尘(风沙)、盐、雾以及核、化学、生物等等环境破坏的能力,对于低至中等飞行速度(3 马赫以下)的飞机或导弹,利用金刚石良好的导热性能,减小温度升高对红外窗口透过性能的影响也是一个重要的考虑因素


3、金刚石高功率 CO2激光窗口

高功率 CO2激光是高能激光武器的重要组成部分,有着重要的军事应用。目前,高功率 CO2激光的瓶颈是其输出窗口的“热透镜效应”,采用砷化(GaAs)、ZnSe 作为 CO2激光窗口和透镜材料,都存在制备工艺复杂、价格昂贵的问题,而且GaAs 在制造过程中会造成环境污染,给高功率CO2激光应用带来了极大的不便。由于 KCL 晶体对波长为 10.6 μm 的CO2激光吸收系数非常低(约为2x10-4~4x10-4cm-1),而且没有热透镜效应,是作为 CO2大功率激光窗口和透镜的理想材料,近年来备受国内外瞩目。但是 KCL 晶体机械强度低,在大气环境下,极容易潮解失透,因此至今尚未获得工业应用。KCL 对 10.6 m的CO2激光的反射率为 7%,在中小功率下可以不考虑镀增透膜,但在高功率下应用则必须采用增透膜以使其反射率降低到可以接受的程度。因此研究抗潮解具有高抗激光损伤值的增透膜是 KCL用于高功率 CO2激光装置的关键,在这一方面,金刚石无疑是起保护增透膜层材料的最佳候选者

另一方面,利用 CVD 等方法制备的金刚石厚膜本身 (自支撑膜) 就可以作为高功率 CO2激光窗口,其优越性主要在于金刚石极佳的导热性能。有研究称,光学级金刚石窗口可以承受高达 200 kw 的 CO2激光输出水平表4 列出了光学级 CVD 金刚石和 ZnSe 作为 CO2激光输出窗口的特性比较。

图片2.png 


4、金刚石膜高功率微波窗口

由于光学级金刚石膜在微波波段的介电损耗(Tan6)非常之低,在72~145 GHZ 范围内仅为8x10-6~15x10-6,因此可以作为高功率微波管的窗口材料。目前正在开发研究的一个典型应用就是用于输出功率超过1MW,在70~70 GHZ 工作的回旋振荡管 (gyrotron tube) 的窗口最近的研究结果表明,这种应用需要Φ100 mm,厚1.6~2.3mm的光学级金刚石膜,其在1.2MW的微波功率下,窗口温升不超过 15C


5、金刚石膜作为光电对抗材料

光电对抗是决定现代战争胜负的关键因素之一。随着光电致盲武器的发展,对防空、机载光电制导系统的威胁日益加重,抗激光加固成为防空导弹武器系统光电对抗的重要环节。因此需要研究抗激光加固技术,即用增加防激光的光学装置、采用抗激光光学镀膜、研制光学探测器激光防护装置等措施对抗激光对导弹和制导站光学系统的破坏。

在光电对抗中,光学薄膜是各种侦察、观瞄、制导等光学武器系统中最先接收入射激光的部分,y是易损伤的薄弱环节,激光对光电设备的破坏,先损伤光学薄膜,然后才破坏光学元件及光学系统,因此提高薄膜的激光损伤阙值,对保护光学武器装备具有重要的意义,而金刚石膜抗激光损伤值高,加之其对红外光线的高透过率,镀膜后不影响红外武器装备的性能,使金刚石成为对抗激光损伤的理想的光电对抗材料。


6、金刚石膜的卫星用途

在卫星发射与应用方面,除了作为红外窗片材料外,金刚石薄膜还可以作为热沉使用。目前在宇航电子学中,卫星质量的 65% 是制冷系统,这笔耗费是相当昂贵的,使用金刚石芯片和大功率金刚石二极管等散热技术,制冷系统质量可减少 90%,发射费用大大降低(卫星及其发射费用将下降倍)。同时金刚石膜可以抵抗宇宙辐射,显著提高太阳能转换效率。

金刚石薄膜在军事电子技术中的一个重要应用是正在发展之中的多芯片组装技术(MCM-multichip modules),这一技术的目标是把许多超大规模集成电路芯片以三维的形式紧密排列结合成超小型的超高性能器件,而这些芯片的散热则是该项技术的关键。美军方 DARPA1992年招标对MCM 技术进行可行性研究,到 1995 年便取得了实质性的进展,在1995 年的 ADC 会议上即展示了利用CVD金刚石薄膜作为关键元件的演示性MCM 超级计算机,其中金刚石的膜片(10 cm x 10 cmx0.1 cm)的散热能力达到了 20 kw,除了散热外,在该计算机中,金刚石薄膜还作为绝缘和封装材料使用。


此外,一般军用白光仪器,由于使用环境恶劣,在多雨潮湿地区,温差变化大,极易生霉、雾;在高风沙地区,由于沙尘污染,极易产生刮伤,特别在某些特殊环境,如:水下潜望镜保护窗材料易受海水腐蚀,或在低温时易生水汽或水雾,影响观察。这些问题给军用光学仪器的使用与维护保养带来了困难,若在光学元件表面镀制一层金刚石保护膜,可以预见,其耐潮湿、耐摩擦、抗风沙、防腐蚀的特点是其他膜层无以比拟的,该保护膜在对可见光透过率无明显影响的情况下,减少风沙对光学元件的刮伤(有研究表明金刚石薄膜能够承受超过 600 英里 / 速度风沙的冲击),防止光学仪器生霉雾的现象发生。


作为一直专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售,致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料公司,化合积电采用MPCVD法制备高质量金刚石热沉片,并独特研发基于等离子体辅助研磨抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法,其产品热导率高达1000-2200W/m.k,是散热材料的天花板。此外,核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石热沉片、金刚石基氮化镓)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级)和氮化铝薄膜(金刚石基氮化铝、硅基氮化铝和蓝宝石基氮化铝)等,产品可应用于5G基站、激光器、医疗器械、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。


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