Содержание материала

Селективность свойств двухслойной структуры, состоящей из поглощающего и отражающего слоев, обусловлена однократным прохождением излучения сквозь оптически активную среду или возвращением излучения, отраженного от зеркальной поверхности подслоя. В многослойном интерференционном покрытии селективность свойств обусловлена многократными прохождениями излучения сквозь слой диэлектрика в покрытии, расположенный между полупрозрачным слоем и абсолютно отражающей поверхностью. Четырехслойное интерференционное покрытие, изготовленное Серафином [83] (рис. 5.8.1), включает два диэлектрических слоя оптической толщиной, кратной четверти длины волны падающего излучения, разделенных тонкой полупрозрачной пленкой. Для эффективного поглощения излучения таким покрытием не требуется, чтобы диэлектрический слой был поглощающим. Оптические характеристики четырехслойного интерференционного покрытия показаны на рис. 5.8.2. Кривая 1 соответствует отражательной способности металлического слоя, обладающего высокой отражательной способностью в ИК-области спектра и несколько меньшей отражательной способностью в видимой области. При нанесении второго слоя диэлектрического материала отражательная способность в видимой области уменьшается, а форма и расположение кривой спектральной отражательной способности зависят от толщины диэлектрического слоя (кривая 2).

Рис. 5.8.1. Четырехслойное интерференционное покрытие, состоящее из двух диэлектрических слоев оптической толщиной, кратной λ/4, и тонкой полупрозрачной металлической пленки [83].
1 — слой диэлектрика; 2 - полупрозрачный слой; 3 — спой диэлектрика; 4 - отражающий слой; 5 - подложка из нержавеющей стали.


X, мкм
Рис. 5.8.2. Спектральная отражательная способность четырехслойного интерференционного покрытия при последовательном нанесении слоев [ 83].

Дальнейшее снижение отражательной способности в видимой области спектра происходит после нанесения третьего полупрозрачного металлического слоя (кривая 3). Благодаря наличию последнего, четвертого, слоя диэлектрика возрастает поглощательная способность относительно видимого излучения и расширяется спектральный диапазон высокой поглощательной способности. Основные физические положения, касающиеся многослойных покрытий, обсуждаются в работе [206]. Уравнения для определения толщины пленки, которая обеспечивает достижение максимального и минимального значений отражательной способности, и условий нулевой отражательной способности в многослойных покрытиях с одним или двумя диэлектрическими слоями на, металлической подложке выведены Парком [297], Шмидтом и др. [298, 299]. Парк вывел также уравнения для многослойных покрытий, обеспечивающих требуемое распределение отражательной способности. В работах [300, 301 ] описан метод расчета отражения, поглощения и пропускания энергии излучения в многослойной системе при изменении оптических свойств (т. е. при изменении  коэффициентов отражения, поглощения и преломления). Многослойные интерференционные покрытия обладают стабильностью при повышенных температурах1), высокой поглощательной способностью относительно солнечного излучения и низкой степенью черноты.
1)Многослойные интерференционные покрытия стабильны только в вакууме при сравнительно невысоких температурах [9*. 12*]. - Прим. ред.

Рис. 5.8.3. Сравнение спектральных зеркальных отражательных способностей покрытий из окислов меди [206].
1 — частицы окиси меди на алюминии (данные Хоттеля и Унгера); 2 - Сu2О на меди (денные Уотсона, Манро и Хорвица, 1975 г); 3 — массивный образец окиси меди (СuО).

 В литературе описаны некоторые многослойные интерференционные покрытия, включающие различные металлические и диэлектрические слои, такие, как А12О3, SiO2, СеО2, ZnS и др. [299, 300].
Селективные поверхности из окислов меди были изготовлены путем осаждения частиц черного окисла меди на анодированный алюминий и обработки блестящей листовой меди в течение 3-10 мин в растворе, содержащем NaОН и NaC102 (в отношении 2:1) [235, 302]. Спектральные зеркальные отражательные способности селективных покрытий обоих типов показаны на рис. 5.8.3. Там же для сравнения приведена спектральная отражательная способность массивной окиси меди.
На рис. 5.8.4 представлены спектральные отражательные способности многослойных интерференционных покрытий из черного никеля, полученных методом электрохимического осаждения [232, 304, 307]. Кривая спектрального распределения отражательной способности покрытия, предложенного Тейбором [232], имеет два минимума в окрестностях длин волн 0,4 и 1 мкм. Это покрытие состоит из двух слоев ZnS и NiS, которые получают просто изменением плотности тока в процессе электрохимического осаждения. Мар и др. из фирмы "Хани уэлл" указали путь улучшения поглощательной способности относительно солнечного излучения [ 304].

λ. мкм
Рис. 5.8.4. Спектральные отражательные способности многослойных интерференционных покрытий из черного никеля, нанесенного методом электрохимического осаждения.
______ из работы [304];------------------ из работы [232];
- · - из работы [ 307].

Свойства покрытия зависят и от последующей термообработки. После термообработки при температуре 500°С в течение 15 ч переход от поглощения к отражению сдвигается в область более длинноволнового спектрального диапазона. Таким образом с помощью последующей термообработки можно регулировать переход от высокой поглощательной способности к высокой отражательной способности покрытий, нанесенных путем электрохимического осаждения.
Разработанные в фирме "Гелио ассошиэйтс" [305] многослойные покрытия "Гелио" характеризуются резким возрастанием отражательной способности в узком спектральном диапазоне, но переход от высокой поглощательной способности относительно солнечного излучения к высокой отражательной способности относительно ИК-излучения происходит в видимой области спектра. Поэтому интегральная поглощательная способность относительно солнечного излучения оказывается низкой, порядка 0,70 - 0,75. На рис. 5.8.5 представлены спектральные зеркальные отражательные способности различных покрытий этого типа. Изменяя толщину покрытий и условия их нанесения, можно существенно сместить спектральное положение описанного перехода. Лучшие результаты были получены для покрытий из Al-SiO2 и "Гелио СС 5", обладающих резким переходом при достаточно высокой поглощательной способности в области солнечного спектра.

Рис. 5.8.5. Спектральные зеркальные отражательные способности многослойных интерференционных покрытий с отражающими пленками на основе серебра и меди [305].
1 - четырехслойное покрытие "Гелио 07" (Ag-А12О3); 2- четырехслойное покрытие "Гелио 41" (Ag- А12Oз); 3- четырехслойное покрытие "Гелио СС5 " (Си - А12О3).

Недавно были опубликованы данные об оптических свойствах селективных многослойных покрытий из SiО2-Mo-SiО2, СеО2-Mо-СеО2, нанесенных методом термического испарения в вакууме [306]. На рис. 5.8.10 и 5.8.11 представлены спектральные отражательные способности покрытий из SiО2 — Mo — SiO2 и СеО2 — Мо — СеО2 на различных подложках.


Рис. 5.8.6. Спектральные отражательные способности многослойного покрытия MgF2-Мо- СoО2 на подложке из молибдена [303].


Рис. 5.8.7. Спектральные отражательные способности многослойного покрытия MgF2 - Mo - MgF2 - Mo -MgF2 на подложке из молибдена [303].


Рис. 5.8.8. Спектральные отражательные способности многослойного покрытия MgF2-СеО2-Мо-MgF2-СеО2 на подложке из молибдена [303].


Рис. 5.8.9. Спектральные отражательные способности многослойного покрытия АМАМАМА на подложке из молибдена [303].


λ, мкм
Рис. 5.8.10. Спектральные отражательные способности покрытий SiO2 - Мо - SiO2 и Мо-SiO2 [306].
а - на различных подложках: 1 — покрытие SiO2 - Мо - SiO2 на подложке из молибденовой фольги (ε= 0,08); 2 — покрытие SiO2 - Мо-SiO2 на подложке из стекла с подслоем из непрозрачного алюминия (ε= 0,08); 3 - покрытие SiO2 - Мо -SiO2 на подложке из стали (ε =0,15); 4 - покрытие Mo-SiO2 на подложке из стекла с подслоем алюминия (ε= 0,06).
б —на подложке из стекла с подслоем алюминия в зависимости от толщины верхней и нижней просветляющих пленок SiO2: 1 - 730 А, 2 - 850 А, 3 - 1000 А.

Уменьшить отражательную способность в области солнечного спектра, т. е. улучшить поглощательную способность в этой области, можно путем нанесения двухслойных просветляющих покрытий. Из рис. 5.8.10 видно, что переход от высокой поглощательной способности в области солнечного спектра к высокой отражательной способности относительно теплового излучения можно переместить нанесением просветляющих пленок различной толщины.

Таблица 5.8.1. Поглощательная способность относительно солнечного излучения и степень черноты некоторых селективных покрытий

Недостатком большинства многослойных покрытий является их дороговизна. При повышенных температурах они подвержены коррозии, между веществами отдельных слоев происходит взаимная диффузия, вызывающая деградацию оптических свойств покрытий. Некоторые покрытия легко стираются. Достаточно стабильно при повышенных температурах и лишено этих недостатков покрытие АМА.