引言
對於用作高速飛行器的前視紅外視窗、頭罩的材料，除了必須具有高紅外透過率、低吸收係數等優良的光學效能外，還必須具有高的機械強度、耐磨損、抗風沙雨蝕和抗化學腐蝕等效能。然而，在目前條件下試圖尋找一種理想的紅外材料以滿足各種技術所需的效能還難以實現。藍寶石具有一系列優異、獨特的效能，如具有較寬的透過波段包括從紫外光?可見光?近紅外到中波紅外，還具有優異的物理、化學、力學及熱效能如高強度、高硬度?高熔點和耐腐蝕。這些效能決定了它是目前作為中波紅外視窗與頭罩的最佳材料[1]。
但是，限於目前的材料製備和加工技術水平，藍寶石的高溫強度大幅度下降[2]，紅外透過率隨溫度的升高也滿足不了設計使用要求。飛行器高速飛行過程中，由於空氣動力加熱，視窗或頭罩很容易就達到800℃以上，這意味著藍寶石要在高速、高溫中應用就必須改善其紅外透過效能。彌補藍寶石效能不足的最有效途徑是通過表面鍍膜。筆者在前期工作中發現，在藍寶石平面襯底上製備SiO2 單層薄膜或SiO2/Si3N4 多層複合膜系不僅可以提高藍寶石的高溫強度，而且可以改善藍寶石的紅外透過率[3-6]。研究還發現，採用磁控濺射法制備的SiO2薄膜或SiO2/Si3N4 薄膜與藍寶石平面襯底結合良好，耐高溫，非常適合用作改善藍寶石效能的增透保護塗層材料。在實際應用中，藍寶石材料常常被加工成曲面形狀用作紅外整流罩視窗(藍寶石頭罩)。為了能夠有效地改善藍寶石頭罩的效能要求，本文擬採用磁控濺射法在藍寶石頭罩上製備SiO2 增透保護膜系。
1 模擬方法及實驗測試
基於本課題組對濺射過程中粒子傳輸過程分析的基礎[7]，綜合考慮靶面電流分佈、濺射產額、出射粒子的角分佈、空間角等各方面的因素，分析曲面襯底的膜厚分佈規律。根據膜厚分佈規律對曲面襯底的膜厚分佈進行模擬計算。根據頭罩半球形形狀的特點，優化鍍膜過程的頭罩運動軌跡。根據模擬計算結果指導頭罩鍍膜工藝實驗，通過實驗驗證與分析改進，最終實現藍寶石頭罩的均勻鍍膜。
在BMS450 型磁控濺射系統上採用射頻磁控反應濺射法制備SiO2 薄膜。濺射氣體高純Ar 和反應氣體高純O2（99.995%）經質量流量計精確控制後通入真空室。濺射靶材為φ100mm×5 mm 的單晶Si 靶，襯底材料為拋光藍寶石和單晶Si 片。鍍膜前，先用純Ar 氣對Si靶預濺射15 min，目的是除去靶面的氧化層。通入O2 氣後，待靶的電流和電壓充分穩定後再轉開檔板進行濺射。
採用UVISEL ER 橢圓偏振光譜儀測量薄膜的厚度。利用紫外-可見-近紅外分光光度計和Nexus 670 智慧型傅立葉紅外光譜儀測量鍍膜前後藍寶石的紅外透過率。採用國家空氣動力研究中心的旋轉臂雨蝕實驗裝置進行雨蝕測試，採用Olympus PMG3 型光學顯微鏡觀察試樣表面的損傷情況，通過比較雨蝕實驗前後試樣在3~5 μm 波段的平均紅外透過率下降來評價其抗雨蝕效能。
2 結果分析及討論
2.1 膜厚分佈模擬
目前，人們利用各種計算機模擬計算方法對材料的性質進行模擬計算[8-9]。本文將針對磁控濺射鍍膜的特點，採用蒙特卡羅法對磁控濺射過程中膜厚分佈進行模擬計算。由鍍膜基本原理可知，在每一個擺角處頭罩的自轉鍍膜所沉積的薄膜厚度是一個環帶分佈。是環帶膜厚分佈計算示意圖。在圖中，時，假設頭罩擺動一個角度後，磁控靶面中心正對著圖中的O1 點。如果鍍膜時頭罩靜止，頭罩上的薄膜厚度分佈就是以O1 點為中心的半球形襯底膜厚分佈，也就是膜厚分佈是以O1 點為中心徑向對稱，膜厚分佈範圍為球冠K1O1K2。假設頭罩上的某個傾角的圓環K3K4 與球冠K1O1K2 的交點為K0，如果鍍膜頭罩不自轉，K3K0 部分將不能鍍上薄膜，能鍍上薄膜的K0K4 部分膜厚也不相等；當頭罩轉動之後，K0K4部分膜厚將平均分配到K3K4部分上，也就是轉動之後圓環K3K4上的薄膜厚度是一致的。因此，當頭罩擺動到一個角度，在轉動狀態下鍍膜，頭罩上的薄膜仍然是徑向對稱的。