SmCrO3粉末的制備及光學特性研究

李磊偉,呂 勇,牛春暉

(北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院,北京 100192)

1 引 言

光譜選擇性吸收材料是一類對特定激光(主要考慮1.06 μm、1.55 μm 、10.6 μm等)具有強吸收作用,而對其他波段光不產生影響的功能性材料。它被廣泛地應用到軍事隱身材料中。由于稀土元素4f層上電子在多種能級間躍遷而產生多種特殊吸收譜,它們的化合物常常被制成光譜選擇性吸收材料[1-3]。南京工業大學的韓鵬德[4]等發現Sm3+離子的6H5/2基態向6F9/2激發態的躍遷使得Sm類化合物在1050～1150 nm波段范圍內,形成一個較強吸收峰。

三氧化二鉻(Cr2O3)顏料具有著色力強,耐候性好等優點,是一種常用的綠色顏料[5]。正因如此,也常常被應用到軍事可見光迷彩上面。但是由于Cr2O3自身對近紅外激光有較強的反射作用,不能直接用作軍事上的隱身材料。

本文在前人研究基礎上,利用固相法制備出一種在1.06 μm和1.55 μm處具有強吸收作用,同時外觀呈綠色的光譜選擇性吸收材料?？梢院芎玫丶嫒菘梢姾徒t外隱身。

2 實 驗

2.1 樣品制備

采用固相法制備SmCrO3粉體,按照一定的質量比稱取Sm2O3、Cr2O3,將兩者混合物置于尼龍罐中,加入一定量的去離子水,以二氧化鋯球作為研磨介質,球料比控制為3∶1,以轉速為300 r/min在球磨機上研磨2 h,讓原料充分混合。

然后將混合物置于燒杯,放到電熱恒溫鼓風干燥箱內,在120 ℃溫度下干燥15 h。將烘干后的混合粉體置于陶瓷坩堝中,在馬弗爐中分別以1100 ℃、1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃溫度進行高溫煅燒,分別標記為1#、2#、3#和4#樣品,四個樣品煅燒時間均為2 h。最后,將燒制好的材料放入研缽進行研磨,裝袋制成待測樣品。

2.2 物相結構分析

實驗中采用日立DMAX-3A型X-射線衍射儀,CoKα靶(λ=0.1789 nm)進行材料樣品的物相分析,掃描范圍為20°～80°。

圖1是不同煅燒溫度下材料樣品的XRD圖。標號1#、2#、3#、4#和SmCrO3標準PDF卡片(PDF No.39-0262)進行比較,可以看到:1#和2#樣品的XRD特征峰值與SmCrO3特征峰值相差較大,經過分析,確定在1#、2#中的雜峰(圖中已標出,約在32°和35°附近)分別對應于Sm2O3與Cr2O3,說明在1100 ℃、1200 ℃溫度下,反應未完全。而3#樣品與SmCrO3標準PDF卡片特征峰值基本對應,但是仍然有許多雜峰。而4#樣品的XRD峰值與SmCrO3標準PDF卡片特征峰值非常一致,各個峰值之間的相對強度也基本一致。說明在1400 ℃下,Sm2O3與Cr2O3反應完全,生成SmCrO3。此時對應化學反應是:

Sm2O3+Cr2O3→SmCrO3

(1)

圖1 不同煅燒溫度下樣品的XRD圖

3 結果及分析

為了對制備的SmCrO3材料在近紅外激光和可見光隱身效果方面綜合評估,以下將從漫反射光譜、色坐標和激光雷達截面比進行分析。

3.1 漫反射光譜測量

為粗略探測制備的SmCrO3材料在1.06 μm和1.55 μm近紅外光的吸收效果,對各樣品進行了漫反射光譜測試。采用Acantes公司的AVASPHERE-LS-1509013型積分球(積分球內部自帶鹵鎢燈光源)和AvaSpec-ULS2048-USB2型光纖光譜儀對各樣品的漫反射率進行測試。測試裝置結構如圖2所示。

圖2 漫反射測量光譜裝置圖

如圖2所示,將壓實的待測樣品放在標準漫反射板上。實驗中,首先保存暗背景和標準參考背景。計算出來的樣品反射率按照下面方程計算:

(2)

式中,Samplen為放入樣品時光譜強度;Darkn為暗背景光譜強度;Refn為標準漫反射板光譜強度。其中在測試樣品時,漫反射光在積分球內多次漫反射,混合均勻后通過頂端的光纖連接頭傳送到光纖光譜儀內,經過計算機處理后得到樣品的漫反射率圖,用1減去漫反射率就得到樣品的吸收率。我們假設標準漫反射板的反射率為100%,那么所得到漫反射率就可以認為是準確的。

不同煅燒溫度對應的材料樣品,漫反射率如圖3所示,圖中1#、2#、3#、4#樣品分別對應溫度1100 ℃、1200 ℃、1300 ℃、1400 ℃。從圖中可以看到,在1.06 μm和1.55 μm處,制備的4個樣品均有較強的吸收作用,而且隨著煅燒溫度的增加,漫反射率不斷減弱,即吸收率在增強,說明主要是SmCrO3在起吸收作用。當煅燒溫度為1400 ℃時,材料厚度約為0.2 mm時,1.06 μm和1.55 μm出現較強的吸收峰,其吸收率分別為54%和53%。表明SmCrO3是一種良好的近紅外激光隱身材料。

圖3 不同樣品對應漫反射率圖

3.2 色坐標

外觀上,1#～4#樣品均為淺綠色。為準確區分各樣品顏色,本實驗中采用光譜儀對各個樣品的可見波段漫反射譜進行測量,求出各個樣品的色坐標值。

在XYZ系統中[6-7],色坐標和三刺激值關系可以表示如下:

(4)

實驗中,同樣按照圖2裝置所示,將壓實的待測樣品放置在標準漫反射板上。打開光源對樣品進行(380～780 nm)漫反射譜測量,將得到的數據歸一化后,按照公式(5)計算出4個樣品的色坐標值：

(5)

其中,x′(λ)、y′(λ)和z′(λ)是標準光譜的三刺激值。計算結果如表1所示。

表1 4個樣品和Cr2O3的色坐標值

從表1中可以看出4個樣品和Cr2O3的色坐標值相差很小,總體變化范圍是(0.3588±0.0007,0.3792±0.0081)。這表明,本次實驗中說明制備的SmCrO3可以代替Cr2O3,作為可見迷彩材料。

3.3 激光雷達截面比

激光隱身的評價方法有很多種[8-10],但是大多評價方法依據激光測距機工作原理制定的,未曾考慮激光制導系統的評價方法。與激光測距機不同:激光制導系統的接收端和發射端有較大夾角。按照巨養鋒等人[11]的觀點:目標激光雷達截面(LRCS)是從微波引入的綜合描述目標對激光散射能力的物理量,LRCS越小,表明對激光的吸收效果越好。其定義如下式:

(6)

式中,Pi是目標處的入射激光功率密度;Ps是來自目標散射的激光照射到觀測點處的功率密度;R是目標到觀測點的距離。由于實驗室中的功率計探頭面積一定,且在保證探頭全部被照射的前提下,入射激光功率密度和目標散射功率密度比值可以改為兩者功率比值；即:

(7)

式中,PS是目標處入射激光功率;PI是觀測點處來自目標散射的激光功率。

由于實驗室條件限制,難以直接準確測量材料的激光雷達截面。故而轉為求激光雷達截面比。即將標準漫反射板的激光雷達截面和制備材料的激光雷達截面作比(本文記為K值),K值越大表明樣品的隱身效果越好。K值定義式如下:

(8)

圖5 實驗原理圖

圖6 K值與角度之間關系

從圖5中可以看到,在空間中0°～90°范圍內,1#、2#、3#、4#、樣品的K值基本保持在1.8以上,并且隨著溫度的升高,K值不斷變大,這表明隨著煅燒溫度的升高,材料樣品對1064 nm激光的吸收能力不斷增強。

4 結 論

采用固相法在1400 ℃下合成了單一晶相的SmCrO3粉體。厚度為0.2 mm的SmCrO3材料在1.06 μm和1.55 μm將出現強的吸收峰,其吸收率分別為54%和53%。計算了不同煅燒溫度下材料的色坐標值,與常見的可見迷彩材料Cr2O3作比較,發現色坐標保持在(0.3588±0.0007,0.3792±0.0081)范圍內,變化很小,表明SmCrO3可以代替Cr2O3,作為可見迷彩材料。同時利用激光雷達截面比(K值)評價樣品近紅外激光吸收效果,測得K值基本保持在1.8以上,并且隨著溫度的升高,K值不斷變大。綜上所述,SmCrO3是一種兼容可見、近紅外激光的多功能隱身材料。

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