本發明涉及一種硫系光學元件，特別是涉及一種具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件及其制備方法。
背景技術：
硫系玻璃是一類性能優良的紅外透過材料，在1.06μm、3-5μm、8-12μm三個主要紅外大氣窗口均具有較高的透過率和極低的折射率溫度熱系數。近年來，隨著被動無熱化設計在紅外光學系統中的普及，硫系玻璃窗口及光學元件在各類紅外成像、制導、探測系統中顯示出較高的應用價值和廣闊的應用前景。
在實際應用中，特別是在各類軍用武器的紅外光學系統中，為避免惡劣電磁環境對儀器設備的干擾，通常需在紅外窗口或光學元件表面制備電磁屏蔽膜，使其在保證工作波長紅外光波高透過率的前提下，對微波區電磁波具有一定的屏蔽作用。當前，可在紅外窗口或光學元件上制備，且在1.06-12μm波段之間均具有實用紅外透光率的電磁屏蔽膜僅有刻蝕金屬網柵一種，其工作原理是利用具有網格狀結構的金屬薄膜調和材料“高紅外透過”和“高電導率”間的矛盾。金屬網柵紅外電磁屏蔽膜目前已在zns、藍寶石、alon及mgf2等多種紅外窗口及光學器件上獲得了現實應用，但其本身仍具有制備工藝復雜、過程控制難度大、力學性能差、通光量低及莫爾干涉條紋等缺陷。同時，硫系玻璃本身屬于一種軟脆材料，其表面硬度低，機械強度相對較弱。因此，金屬網柵制作過程中的“高速旋轉涂膠”、“激光直寫刻蝕掩膜”、“真空鍍膜”及“有機溶劑去膠”等步驟極有可能對硫系玻璃的光學表面造成損傷，極大的增加了硫系玻璃窗口和光學元件實現電磁屏蔽功能的技術難度。
技術實現要素：
本發明的主要目的在于，提供一種新型具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件及其制備方法，所要解決的技術問題是使其1.06-12μm波段具有較高透光率和較強電磁屏蔽效能，從而更加適于實用。
本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的一種具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的制備方法，其包括以下步驟:
(1)在硫系光學元件表面鍍無機膜層；
(2)在所述的無機膜層表面噴涂有機涂層；
(3)將石墨烯透紅外電磁屏蔽膜轉移至所述的有機涂層的表面，得到具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件。
本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。
優選的，前述的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的制備方法，其中所述的無機膜層的鍍膜方式為電子束蒸發或射頻磁控濺射法；所述的無機膜層的鍍膜步驟包括：鍍膜時本底真空度小于8×10-4pa，鍍膜前打開烘烤燈將硫系玻璃鍍件的表面加熱至50-100℃并保溫20-30min，打開離子源用ar+離子對硫系光學元件表面清洗，打開電子槍在硫系玻璃鍍件的表面對無機膜層的材料進行蒸鍍；所述的有機涂層的噴涂步驟包括：將有機涂層的材料與固化劑混合，攪拌，真空排泡，然后噴涂于無機膜層表面上，其中有機涂層的材料與固化劑的質量比為體積25-35：1。
優選的，前述的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的制備方法，其中步驟(3)中利用濕法刻蝕工藝將石墨烯透紅外電磁屏蔽膜轉移至所述的有機涂層的表面。
優選的，前述的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的制備方法，其中所述的無機膜層的材料為sio2、al2o3或hfo2；所述的有機涂層的材料為聚酰亞胺樹脂或有機硅樹脂；所述的石墨烯透紅外電磁屏蔽膜為制備在銅箔上的低缺陷石墨烯薄膜。
優選的，前述的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的制備方法，其中所述的無機膜層的材料為sio2時，無機膜層的厚度為5-30nm；所述的無機膜層的材料為al2o3時，無機膜層的厚度為10-25nm；所述的無機膜層的材料為hfo2時，無機膜層的厚度為10-30nm；所述的有機涂層為聚酰亞胺樹脂時，有機涂層的厚度為6-12μm；所述的有機涂層為有機硅樹脂時，有機涂層的厚度為8-12μm。
優選的，前述的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的制備方法，其中轉移的所述石墨烯透紅外電磁屏蔽膜的層數為3-10層。
本發明的目的及解決其技術問題還采用以下的技術方案來實現。依據本發明提出的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件，其包括：
硫系光學元件基層；
無機膜層，附著在所述的基層上；
有機涂層，附著在所述的無機膜層上；
石墨烯透紅外電磁屏蔽膜，附著在所述的有機涂層。
本發明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現。
優選的，前述的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件，其中所述的無機膜層的材料為sio2、al2o3或hfo2；所述的有機涂層的材料為聚酰亞胺樹脂或有機硅樹脂；所述的石墨烯透紅外電磁屏蔽膜為制備在銅箔上的低缺陷石墨烯薄膜。
優選的，前述的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件，其中所述的無機膜層的材料為sio2時，無機膜層的厚度為5-30nm；所述的無機膜層的材料為al2o3時，無機膜層的厚度為10-25nm；所述的無機膜層的材料為hfo2時，無機膜層的厚度為10-30nm；所述的有機涂層為聚酰亞胺樹脂時，有機涂層的厚度為6-12μm；所述的有機涂層為有機硅樹脂時，有機涂層的厚度為8-12μm。
優選的，前述的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件，其中所述的石墨烯透紅外電磁屏蔽膜的層數為3-10層。
借由上述技術方案，本發明具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件及其制備方法至少具有下列優點：
1、本發明的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件相比于以金屬網柵為屏蔽體的光學元件，其可實現性強，且本發明的制作方法簡單、制作成本低。
2、本發明的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件在1.06-12μm的工作波段光吸收系數小，透光率高，電磁屏蔽效果強；其方塊電阻小于35ω/□，電磁屏蔽效能大于15db，紅外透過損耗小于3％。
3、本發明的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的復合過渡層包括無機膜層和有機涂層，本發明的復合過渡層與石墨烯透紅外電磁屏蔽膜和硫系光學元件基層粘接良好，且增加了本發明的光學元件的紅外透光率。
4、本發明的石墨烯透紅外電磁屏蔽膜無莫爾干涉條紋現象，采用其制備的光學元件能夠降低應用于紅外成像系統時的裝配復雜度，且制備的光學元件電導率高，電磁屏蔽效能良好。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。
附圖說明
圖1是本發明具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的結構示意圖。
具體實施方式
為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效,以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件及其制備方法其具體實施方式、結構、特征及其功效，詳細說明如后。在下述說明中，不同的“一實施例”或“實施例”指的不一定是同一實施例。此外，一或多個實施例中的特定特征、結構、或特點可由任何合適形式組合。
本發明的一個實施例提出的一種具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的制備方法，其包括以下步驟:
(1)在硫系光學元件基層表面鍍無機膜層；
較佳的，本發明的實施例所述的無機膜層的鍍膜方式為電子束蒸發或射頻磁控濺射法；所述的無機膜層的鍍膜步驟包括：鍍膜時本底真空度小于8×10-4pa，鍍膜前打開烘烤燈將硫系玻璃鍍件基層表面加熱至50-100℃并保溫20-30min，打開離子源用ar+離子對硫系光學元件表面清洗，清洗時間為15-20min，清洗后打開電子槍在硫系玻璃鍍件基層表面對無機膜層的材料進行蒸鍍；
較佳的，本發明的實施例所述的無機膜層的材料為sio2、al2o3或hfo2；采用界面活性基團和化學鍵極性與之相近的無機材料為第一過渡層，以增強復合過渡層與硫系玻光學元件的粘接強度；無機膜層材料選取sio2、al2o3或hfo2能夠兼顧膜層粘接強度和紅外透光率。
較佳的，本發明的實施例所述的無機膜層的材料為sio2時，無機膜層的厚度為5-30nm；所述的無機膜層的材料為al2o3時，無機膜層的厚度為10-25nm；所述的無機膜層的材料為hfo2時，無機膜層的厚度為10-30nm。
(2)在所述的無機膜層表面噴涂有機涂層；
較佳的，本發明的實施例所述的有機涂層的噴涂步驟包括：將有機涂層的材料與固化劑混合，快速充分攪拌，真空排泡，然后噴涂于無機膜層表面上，其中有機涂層的材料與固化劑的體積比為25-35：1。加入固化劑可以使有機涂層很快固化，且增加有機涂層硬度，使后面轉移墨烯透紅外電磁屏蔽膜時不破壞有機涂層。
較佳的，本發明的實施例所述的有機涂層的材料為聚酰亞胺樹脂或有機硅樹脂；有機涂層選用與上述無機膜層及石墨烯薄膜均具有較強粘接強度的有機材料，聚酰亞胺樹脂和有機硅樹脂不易溶于后續處理用的有機溶劑且紅外透過性能較高。
較佳的，本發明的實施例利用噴嘴可進行平面運動的涂膠機進行有機涂層的噴涂，對有機涂層均勻噴涂。
較佳的，本發明的實施例所述的有機涂層為聚酰亞胺樹脂時，有機涂層的厚度為6-12μm；所述的有機涂層為有機硅樹脂時，有機涂層的厚度為8-12μm。
無機膜層和有機涂層為具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的復合過渡層。
(3)將石墨烯透紅外電磁屏蔽膜轉移至所述的有機涂層的表面，得到具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件。
較佳的，本發明的實施例所述的石墨烯透紅外電磁屏蔽膜為制備在銅箔上的低缺陷石墨烯薄膜。本實施例石墨烯透紅外電磁屏蔽膜是由高純石墨烯透明導電薄膜制成。
較佳的，本實施例中利用濕法刻蝕工藝將石墨烯透紅外電磁屏蔽膜轉移至所述的有機涂層的表面。
較佳的，本實施例轉移的所述石墨烯透紅外電磁屏蔽膜的層數為3-10層。
本發明中對硫系光學元件基層鍍膜前進行清洗，首先使用乙醇-乙醚混合液對其去油，然后用無水乙醇將硫系玻璃光學元件基層表面擦拭至可鍍膜潔凈度。
與金屬網柵相比，石墨烯薄膜具有更為優異的綜合物理性能。獨特的原子結構使石墨烯薄膜具有“超高載流子遷移率”、“極低光吸收率”以及“極強力學性能”等物理特性。理論計算結果表明，石墨烯的超高載流子遷移率使其在較低載流子濃度下即可獲得優于金屬網柵的電導率。根據“drude-自由電子”理論，降低載流子濃度可以使導電薄膜的等離子波長紅移，有效提高導電薄膜材料在紅外波段的光學透過性能。因此，本專利的發明內容既是一類以石墨烯薄膜為屏蔽體材料的具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件。同時，針對濕法刻蝕轉移的石墨烯薄膜與基底之間附著力較差的問題，本專利中專門提出了一種復合過渡層，以提高石墨烯透紅外電磁屏蔽膜在硫系玻璃表面的黏附強度。本專利所述的制作方法也同時適用于硫系玻璃以外的其他紅外光學材料。
如圖1所示，本發明的另一個實施例提出的一種具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件，其包括：
硫系光學元件基層1；
無機膜層2，附著在所述的基層上；
有機涂層3，附著在所述的無機膜層上；
石墨烯透紅外電磁屏蔽膜4，附著在所述的有機涂層。
無機膜層2和有機涂層3為具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的復合過渡層。
較佳的，本發明實施例所述的無機膜層的材料為sio2、al2o3或hfo2；所述的有機涂層的材料為聚酰亞胺樹脂或有機硅樹脂；所述的石墨烯透紅外電磁屏蔽膜為制備在銅箔上的低缺陷石墨烯薄膜。
較佳的，本發明實施例所述的無機膜層的材料為sio2時，無機膜層的厚度為5-30nm；所述的無機膜層的材料為al2o3時，無機膜層的厚度為10-25nm；所述的無機膜層的材料為hfo2時，無機膜層的厚度為10-30nm；所述的有機涂層為聚酰亞胺樹脂時，有機涂層的厚度為6-12μm；所述的有機涂層為有機硅樹脂時，有機涂層的厚度為8-12μm。
較佳的，本發明實施例所述的石墨烯透紅外電磁屏蔽膜的層數為3-10層。
實施例1
使用乙醇-乙醚混合液和無水乙醇將平板硫系光學元件基層表面擦拭至能夠鍍膜潔凈度；采用電子束蒸發法進行鍍膜，本底真空度為5×10-4pa，鍍膜前打開烘烤燈將平板硫系玻璃窗口鍍件的表面加熱至80℃并保溫20min，打開離子源用ar+離子對鍍件表面進行離子清洗15min，最后打開電子槍對高純sio2膜料進行蒸鍍，制備sio2膜層的厚度為15nm；將有機硅樹脂與固化劑按體積比30：1的比例進行混合，充分攪拌2min，并在5×10-2pa的真空度下排泡15min，得到有機膠體，利用涂膠機將獲得的有機膠體均勻噴涂于sio2薄膜表面，待其固化后形成有機涂層，有機硅樹脂厚度為10μm；利用濕法刻蝕工藝將已經制備在銅箔上的低缺陷石墨烯薄膜轉移至上述有機涂層表面，轉移4層石墨烯透紅外電磁屏蔽膜，得到具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件。
該具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的方塊電阻為30ω/□，電磁屏蔽效能為16db，紅外透過損耗僅為2.9％。
實施例2
使用乙醇-乙醚混合液和無水乙醇將平板硫系光學元件基層表面擦拭至能夠鍍膜潔凈度；采用射頻磁控濺射法進行鍍膜，本底真空度為4×10-4pa，鍍膜前打開烘烤燈將平板硫系玻璃窗口鍍件的表面加熱至50℃并保溫30min，打開離子源用ar+離子對該鍍件表面進行離子清洗20min，最后打開電子槍對高純al2o3膜料進行蒸鍍，制備al2o3膜層的厚度為10nm；將聚酰亞胺樹脂與固化劑按體積比25：1的比例進行混合，充分攪拌2min，并在5×10-2pa的真空度下排泡15min，得到有機膠體，利用涂膠機將獲得的有機膠體均勻噴涂于al2o3薄膜表面，待其固化后形成有機涂層，聚酰亞胺樹脂厚度為8μm；利用濕法刻蝕工藝將已經制備在銅箔上的低缺陷石墨烯薄膜轉移至上述有機涂層表面，轉移3層石墨烯透紅外電磁屏蔽膜，得到具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件。
該具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的方塊電阻為29ω/□，電磁屏蔽效能為18db，紅外透過損耗僅為2.8％。
實施例3
使用乙醇-乙醚混合液和無水乙醇將平板硫系光學元件基層表面擦拭至能夠鍍膜潔凈度；采用射頻磁控濺射法進行鍍膜，本底真空度為7×10-4pa，鍍膜前打開烘烤燈將平板硫系玻璃窗口鍍件的表面加熱至100℃并保溫20min，打開離子源用ar+離子對該鍍件表面進行離子清洗15min，最后打開電子槍對高純hfo2膜料進行蒸鍍，制備hfo2膜層的厚度為30nm；將聚酰亞胺樹脂與固化劑按體積比35：1的比例進行混合，充分攪拌2min，并在5×10-2pa的真空度下排泡15min，得到有機膠體，利用涂膠機將獲得的有機膠體均勻噴涂于hfo2薄膜表面，待其固化后形成有機涂層，聚酰亞胺樹脂厚度為12μm；利用濕法刻蝕工藝將已經制備在銅箔上的低缺陷石墨烯薄膜轉移至上述有機涂層表面，轉移10層石墨烯透紅外電磁屏蔽膜，得到具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件。
該具有電磁屏蔽性能的硫系光學元件的方塊電阻為33ω/□，電磁屏蔽效能為20db，紅外透過損耗僅為2.5％。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。