一种含多尺度复合微孔结构的面源黑体靶面

技术领域

本发明属于红外探测设备定标技术领域，尤其涉及一种含多尺度复合微孔结构的面源黑体靶面。

背景技术

目前红外探测设备在我国军事领域处于快速提升的阶段，在武器制导、夜视侦察、卫星遥感测量、温度场态势感知等领域应用广泛，在民用领域应用在资源勘探、电力巡检、野外搜救等方面。红外探测在全温域、多场景的应用促使对红外探测设备精准度提出了更高的要求。随着红外技术的发展，黑体辐射源作为红外定标设备，从高温腔型黑体向中低温面源黑体发展，其有效发射率、温度均匀性、温度稳定性等性能指标也有了更高的要求。

在定标过程中，黑体辐射源效发射率越接近1，红外设备的校准精度就越高。为满足高发射率的指标，一般会增加面源黑体表面微腔结构的高度，会导致黑体辐射源的温度分布不均匀，影响黑体辐射性能，因此有效发射率和温度均匀性均为表征黑体辐射特性的指标，解决两者的矛盾是目前急需攻克的难关。

用于机载/弹载光电吊舱的黑体辐射源一般需要满足真空低温环境工作、集成化、小型化等特点，而国内目前的黑体辐射源尺寸较大、重量较重，且黑体靶面有效发射率较低，温度均匀性差，无法满足军用领域红外探测器定标设备轻小化、理想化的要求。

发明内容

本发明提供了一种含多尺度复合微孔结构的面源黑体靶面，解决了黑体有效发射率和温度均匀性的矛盾，可在中长红外光谱下有良好的辐射性能，满足机载/弹载嵌入式面源黑体轻小化、理想化的要求。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种含多尺度复合微孔结构的面源黑体靶面，所述靶面包括：基底、涂层，所述基底上设置多个复合尺寸微孔结构；所述微孔所在表面为黑体靶面，所述涂层喷涂在微孔结构表面，用于提高黑体靶面的有效发射率；所述复合尺寸微孔为mm级微孔和μm级微孔，所述mm级微孔和μm级微孔都成矩阵状排布，每四个mm级微孔包围一个μm级微孔形成的阵列；每个μm级微孔阵列之间的距离为mm量级微孔的表面孔径。

以上所述结构中，所述黑体靶面有效辐射面积为42mm×42mm；

所述基底材料为高导热金刚石/铝复合材料，所述材料导热系数大于600W/m·K；

每个微孔结构均为倒圆锥型；每个mm级微孔底面直径为1mm，倒圆锥的锥角为36°；每个μm级微孔底面直径为50μm，倒圆锥的锥角范围为15°~25°；

所述涂层为发射率高于0.95的超黑涂层；

所述面源黑体轴向温差采用有限元方法进行仿真，经计算得出在工作温度为230K~400K的情况下，所述面源黑体轴向温差小于0.05K；

所述面源黑体辐射性能采用Monte-Carlo逆向追迹法仿真计算，经计算所述黑体靶面有效发射率大于0.98。

有益效果：本发明提供了一种含多尺度复合微孔结构的面源黑体靶面，基底采用高导热金刚石/铝复合材料，替代传统铜或铝材料，提高了面源黑体的使用寿命，也极大的缓解了微孔结构带来的靶面温度不均匀性，并且多尺度复合微孔中μm量级微孔分布在mm量级微孔之间，填补了mm量级微孔之间的发射率较低的部分，有效提高了靶面发射率，此外微孔的多尺度使得该黑体对于较宽的中长红外波段仍有良好的辐射性能，满足机载/弹载中低温真空环境下红外探测器定标设备的轻小化、理想化需求。

附图说明

图1为本发明实施例中面源黑体靶面结构示意图；

图2为本发明实施例中面源黑体靶面俯视示意图及复合微孔局部放大图；

图3为本发明实施例中图2的A-A处剖面图；

图4为本发明实施例中图2的B-B处剖面图；

图5为本发明实施例中面源黑体靶面有效发射率仿真结果图；

图6为本发明实施例中面源黑体靶面轴向温差仿真结果图；

图中附图标记含义为：1-基底；2-mm级微孔；3-μm级微孔；4-涂层。

实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明：

如图1和2所示，一种含多尺度复合微孔结构的面源黑体靶面，包括基底1、mm级微孔2、μm级微孔3、涂层4，微孔所在表面为黑体靶面，靶面有效口径为42mm×42mm，所述涂层喷涂于微孔表面。

如图3和4所示，mm级微孔2成矩阵状分布在基底上，其微孔形状为倒圆锥型，微孔底面直径为1mm，且每个倒圆锥锥角为36°；每四个mm级微孔包围一个μm级微孔形成的阵列；每个μm级微孔阵列之间的距离为mm量级微孔的表面孔径，μm级微孔形状为倒圆锥型，微孔底面直径为50μm，且每个倒圆锥的锥角范围均为15°~25°。

基底1采用导热系数大于600W/m·K 的市售的金刚石/铝复合材料，替代传统的铜或铝材料，该材料的高导热性能提高了热传导率，极大的缓解了由于微孔结构导致的靶面温度不均匀性的问题；同时所述复合材料的线胀系数可通过配比进行改变，可契合半导体制冷器件的陶瓷盖板线胀系数。

为满足机载/弹载红外探测器嵌入式实时定标用的轻小化要求，面源黑体靶面整体尺寸为42mm×42mm×2mm，所述面源黑体厚度较薄且选择高导热材料，大大提升了黑体升降温时的效率和温度均匀性。

为了提高黑体靶面的有效发射率，在微孔结构表面需喷涂发射率大于0.95的超黑涂层4；此外为满足中低温真空定标环境，应选择可耐真空环境，附着力强的，且工作温度范围在230K~400K的涂层。

如图5所示，在本实施例中采用Monte-Carlo逆向追迹法仿真黑体靶面有效发射率，设置黑体表面涂层发射率为0.97，设置追迹光源辐射通量为1，选用mm量级微孔锥角为36°，μm量级微孔锥角范围为15°~25°的黑体靶面结构进行仿真计算反射率，计算表明黑体靶面反射率较低，即有效发射率较高，且发射率大于0.98。

如图6所示，在本实施例中，采用有限元分析法仿真面源黑体靶面的升降温时的轴向温差和靶面温度均匀性。设置黑体底部温度边界条件为黑体工作温度，即230K、400K，设置黑体靶面辐射边界条件为黑体有效发射率，即0.98，选用mm量级微孔锥角为36°，μm量级微孔锥角范围为15°~25°的黑体靶面结构进行仿真计算，计算表明该微孔结构在所述两种工作温度下轴向温差均小于0.05K。

在本实施例中，所述面源黑体靶面达到的技术指标具体如下：

面源黑体靶面有效口径：42mm×42mm；

靶面有效发射率：＞0.98；

面源黑体轴向温差：＜0.05K；

上述含多尺度复合微孔结构的面源黑体靶面，较好的削弱面源黑体靶面有效发射率和温度均匀性的矛盾，并且μm量级微孔可填补mm量级微孔阵列中发射率较低的部分，进一步提高有效发射率，此外mm级和μm级微孔尺寸仍大于中长红外波波长，红外光进入复合尺寸微孔能被多次反射增强吸收，根据基尔霍夫定律吸收率等于发射率，该结构对于发射率有明显提升作用，因此多尺寸复合微孔结构对于较宽的红外波段仍有良好的辐射性能。

以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。