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新概念武器,金刚石作为新型光学窗口材料大有可为!

发表时间:2022-08-04 16:06作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

更高、更快、更强,是对新一代战争武器的要求。进入新世纪以来,中国不断进行对国防军工的加强,作为新型光学窗口材料,金刚石的优良特性更是在新战略武器这一领域体现的淋漓尽致。主要表现在以下四个方面:

1. 超音速新一代拦截导弹的金刚石整流罩:目前,世界范围内研制高速拦截导弹时,整流罩成为必须同步研制的关键部件,由于高速拦战导弹,要求在1~3km的中低空飞行速度为3~4马赫,导弹的表层温度达到600℃,而在3~30km的高空飞行,速度在6马赫以上,这样高的速度,使导弹表层温度迅速升高到1500℃以上。巨大的热震使传统的红外光学材料根本无法承受,金刚石膜几乎是唯一的选择,特别是超音速导弹高速度飞行时,雨滴、沙尘等在静止情况下微不足道的自然界环境,成了严重危害导弹整流罩的利器。金刚石的高透过率、高热导、优良的力学性能、发光特性和化学惰性,可以作为光学上的最佳应用材料,如各种光学透镜的保护膜;在军用方面,利用雷达波在穿透金刚石膜不易失真的特性,可用作雷达罩;飞机和导弹在超音速飞行时,头部的锥形雷达无法承受高温,难以耐高速雨点和尘埃的撞击,用金刚石膜来制作雷达罩,不仅散热快,耐磨性好,还可解决雷达罩在高速飞行中同时承受高温骤变问题。




2. 高功率激光窗口:高功率CO2激光是高能激光武器的重要组成部分。目前,CO2激光实现高功率输出的瓶颈是其输出窗口的“热透镜效应”,砷化镓在制造过程中会造成环境污染,具有更为明显的热透镜效应。由于KCL晶体对波长为10.6 um的CO2激光吸收系数非常低,而且没有热透镜效应,但是KCL晶体机械强度低,在大气环境下,极容易潮解失透,至今尚未获得工业应用。金刚石是保护、增透膜层材料的最佳候选者,另一方面,利用金刚石自支撑膜可以替代砷化镓(GaAs)、硒化锌作为高功率CO2激光窗口,其优越性主要在于金刚石极佳的导热性能。尽管金刚石在10.6um波长的吸收系数比硒化锌高2~3个数量级,但热导率却比硒化锌高100倍,因此在高功率下使用,其温升反而比硒化锌窗口小的多。

图1   CVD金刚石与ZnSe的特性对比




3.高功率微波窗口:高功率微波武器中的一项关键技术是微波窗的制冷,高功率运行时,传统窗口材料的热效应明显,需要采取毒性深冷措施,由于光学级金刚石膜在微波波段的介电损耗非常之低,在72~145GHz范围内仅为8~15×10-6,因此可以作为高功率微波管的窗口材料。美军正在开发研究的一个典型应用就是用于输出功率超过1MW,在70~170GHz工作的回旋振荡管的窗口。最近的研究结果表明,这种应用需要直径100mm,厚1.6~2.3mm的光学级金刚石膜,其在1.2MW的微波功率下,窗口温升不超过15℃,无需冷却系统。




4.光电对抗防护材料:在光电对抗中,光学薄膜是各种侦察、观瞄、制导等光学武器系统中最先接收入射激光的部分,也是易损伤的薄弱环节,激光对光电设备的破坏,首先损伤光学薄膜,然后才破坏光学元件及光学系统,而金刚石膜抗激光损伤阈值高,加之其对红外光线的高透过率,镀膜后不影响红外武器装备的性能,使金刚石成为对抗激光损伤的理想的光电对抗防护材料。

图4   材料的努氏硬度和激光冲蚀磨损率对比图





化合积电是一家专注于研究和生产金刚石的企业,核心产品有晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石基氮化镓外延片和氮化铝薄膜等,产品质量达世界领先水准。金刚石热沉片热导率高达1000-2000W/m.k,晶圆级金刚石生长面表面粗糙度 Ra < 1 nm。目前,产品广泛应用于5G基站、激光器、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。


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