王新飛, 劉東青*, 彭 亮, 程海峰

（1．國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院 新型陶瓷纖維及其復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410073；2．復(fù)雜航空系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100071）

彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈以及高超聲速飛行器等武器裝備由于飛行速度極快，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中尾焰、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和蒙皮等熱源部位的紅外輻射特征顯著，受到紅外預(yù)警系統(tǒng)和紅外制導(dǎo)武器的威脅嚴(yán)重[1]。據(jù)報(bào)道，美國(guó)上一代“國(guó)防支援計(jì)劃”（DSP）衛(wèi)星曾探測(cè)到前蘇聯(lián)、法、中、印、朝等國(guó)導(dǎo)彈發(fā)射信息1000余次[2]；2018年1月，隨著第4顆地球靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)射成功，美國(guó)的“天基紅外系統(tǒng)”（SBIRS）已全面部署完成，該系統(tǒng)與“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”（STSS）相配合，實(shí)現(xiàn)了美國(guó)在全球范圍內(nèi)導(dǎo)彈發(fā)射助推段的探測(cè)和預(yù)警以及飛行中段和再入段的識(shí)別與跟蹤[3]；當(dāng)前，美國(guó)正在籌備開展的“下一代過(guò)頂持續(xù)紅外”（Next-Gen OPIR）預(yù)警衛(wèi)星將采用超大面陣多波段紅外焦平面探測(cè)器，不僅能探測(cè)跟蹤彈道導(dǎo)彈等大型武器裝備的發(fā)射，還能實(shí)現(xiàn)小型地空導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈甚至各式高超聲速武器的探測(cè)和預(yù)警[2]。不斷發(fā)展的紅外探測(cè)技術(shù)與精確制導(dǎo)攔截技術(shù)相配合，對(duì)導(dǎo)彈、高超聲速飛行器等武器裝備的生存能力和突防能力提出愈發(fā)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[4-6]。

紅外隱身技術(shù)是指通過(guò)一定的手段降低或者改變目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度與特性，從而降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、跟蹤和攻擊的概率，是武器裝備生存和突防的關(guān)鍵技術(shù)之一[4-8]。針對(duì)飛行器尾噴管和蒙皮等紅外輻射信號(hào)強(qiáng)烈的部位，目前廣泛采用低發(fā)射率涂層材料來(lái)降低輻射強(qiáng)度[9-10]，從而實(shí)現(xiàn)紅外隱身的目的。然而，傳統(tǒng)的低發(fā)射率涂層材料通常在整個(gè)紅外波段具有低發(fā)射率特性，在降低紅外探測(cè)波段發(fā)射率的同時(shí)，極大地阻礙輻射散熱的效果，會(huì)造成實(shí)際溫度的升高，反而不利于目標(biāo)整體紅外可探測(cè)性的降低。為解決上述問題，研究人員正在不斷探索尋求新型的、更為有效的紅外隱身技術(shù)。光譜選擇性輻射紅外隱身材料可以根據(jù)需要對(duì)自身的光譜特性進(jìn)行調(diào)控，在減小探測(cè)波段紅外發(fā)射率的同時(shí)，利用非探測(cè)波段進(jìn)行輻射散熱[11-12]，有效解決低發(fā)射率涂層材料在降低發(fā)射率和散熱問題上存在的矛盾，具有優(yōu)異的紅外隱身性能，是當(dāng)前紅外隱身領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文主要介紹基于光子晶體、頻率選擇表面以及Fabry-Perot腔的三代光譜選擇性輻射結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，總結(jié)了現(xiàn)有體系的優(yōu)點(diǎn)以及存在的問題。

1 光譜選擇性輻射紅外隱身原理

目標(biāo)紅外輻射特性的強(qiáng)弱與輻射出射度的大小密切相關(guān)，根據(jù)斯蒂芬 · 玻爾茲曼定律，物體的輻射出射度可以通過(guò)式（1）計(jì)算：

式中：M為物體的輻射出射度；ε為紅外發(fā)射率；σ為玻爾茲曼常數(shù)；T為物體的溫度。

低發(fā)射率涂層材料由于具有較低的紅外發(fā)射率，可以降低目標(biāo)的輻射出射度，從而達(dá)到紅外隱身的目的。

大氣的紅外透射率光譜圖如圖1所示，在3～5 μm和8～14 μm的窗口波段，紅外輻射在大氣傳播過(guò)程中幾乎不會(huì)衰減，是紅外探測(cè)的主要波段，而在5～8 μm的非窗口波段，紅外輻射受大氣中的H2O、CO2以及懸浮顆粒的吸收和散射作用明顯，通常不作為紅外探測(cè)波段[13]。傳統(tǒng)的低發(fā)射率涂層材料在整個(gè)紅外波段具有低發(fā)射率特征，滿足大氣窗口波段（3～5 μm和8～14 μm）的紅外隱身需求，然而全波段的低紅外發(fā)射率特性在降低目標(biāo)紅外發(fā)射率的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱量難以被輻射擴(kuò)散，造成目標(biāo)溫度的升高。由式（1）可知，目標(biāo)溫度的升高會(huì)導(dǎo)致輻射出射度的增加，削弱低發(fā)射率涂層材料降低輻射出射度的效果，反而增強(qiáng)目標(biāo)的紅外信號(hào)，使其重新處于暴露的危險(xiǎn)。

圖 1 大氣的紅外透過(guò)率光譜圖[13]Fig. 1 Infrared transmittance spectrum of atmosphere[13]

光譜選擇性輻射紅外隱身材料在大氣窗口波段（3～5 μm和8～14 μm）具有低發(fā)射率，而在非窗口波段（5～8 μm）具有高發(fā)射率，可同時(shí)從降低溫度和降低發(fā)射率兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)輻射出射度的降低，達(dá)到紅外隱身的目的，理想的光譜選擇性輻射紅外隱身材料的發(fā)射率曲線如圖2所示[14]。選擇性輻射材料的應(yīng)用有效避免了低發(fā)射率涂層材料由于輻射效率降低而造成的散熱困難的問題，可以通過(guò)輻射散熱降低目標(biāo)的溫度；同時(shí)，由于其輻射波段不在探測(cè)波段內(nèi)，極大地降低了目標(biāo)的可探測(cè)性。

圖 2 理想光譜選擇性輻射紅外隱身材料的發(fā)射率曲線Fig. 2 Ideal emissivity curve of spectral selective radiation infrared stealth materials

2 研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

為同時(shí)滿足紅外隱身和輻射散熱的需求，選擇性輻射材料必須具備良好的光譜選擇性，在3～5 μm和8～14 μm波段具有盡可能低的發(fā)射率，而在5～8 μm波段的發(fā)射率則盡可能高。其次，飛行器的蒙皮和噴管等熱源部位由于氣動(dòng)加熱或者尾焰沖刷通常具有比較高的溫度，這就要求選擇性輻射材料必須能夠耐受一定程度的高溫。通過(guò)梳理光譜選擇性輻射紅外隱身材料的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，我們認(rèn)為光譜選擇性輻射紅外隱身材料的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)主要階段，最早期是以光子晶體為主，可歸于第一代光譜選擇性輻射紅外隱身材料；隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，頻率選擇表面逐步由微波波段向紅外波段過(guò)渡，第二代光譜選擇性輻射紅外隱身材料應(yīng)運(yùn)而生；最近，有課題組進(jìn)一步提出了由超薄金屬結(jié)合Fabry-Perot腔結(jié)構(gòu)的光譜選擇性輻射紅外隱身材料，可歸于第三代。通過(guò)三代光譜選擇性輻射紅外隱身材料的發(fā)展，極大地推動(dòng)了該技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

2.1 基于光子晶體的選擇性輻射紅外隱身材料

光子晶體是由多種具有不同介電常數(shù)（或折射率）的介質(zhì)材料在空間中周期性排列所形成的特殊結(jié)構(gòu)，屬于第一代光譜選擇性輻射紅外隱身材料。早在1987年，Yablonovitch[15]和Jhon[16]就分別發(fā)現(xiàn)了光子禁帶和局域光子效應(yīng)，為光子晶體的研究奠定了理論基礎(chǔ)。光子禁帶效應(yīng)是指通過(guò)調(diào)整晶格常數(shù)和介電常數(shù)比等參數(shù)，使得某些頻率范圍內(nèi)電磁波的態(tài)密度消失，從而無(wú)法在光子晶體內(nèi)部傳播的現(xiàn)象；而當(dāng)在光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)中引入缺陷時(shí)，與缺陷態(tài)頻率范圍一致的電磁波則會(huì)被局域在缺陷位置，并在偏離時(shí)發(fā)生迅速衰減，這個(gè)缺陷被稱作光子局域或Anderson局域，光子禁帶和光子局域效應(yīng)共同構(gòu)成了光子晶體的兩大主要特性[17]。

根據(jù)介質(zhì)材料在空間中的排列方式，可將光子晶體分為一維光子晶體、二維光子晶體和三維光子晶體[18]。其中，一維和二維光子晶體由于制備簡(jiǎn)單、光譜選擇性好而得到廣泛應(yīng)用，但它們通常只有一個(gè)光子禁帶且禁帶寬度較窄，難以滿足雙波段紅外隱身的需求，三維光子晶體可在三個(gè)空間維度上實(shí)現(xiàn)全面的光譜調(diào)控，其光子禁帶較寬，并且耐高溫性能好[19]，具有廣闊的應(yīng)用前景。

Aliev等[20]采用自組裝法將直徑0.8～4.5 μm的SiO2微球制備成具有較高反射率的蛋白石結(jié)構(gòu)三維光子晶體，通過(guò)在蛋白石結(jié)構(gòu)模板中熔融填充硫系玻璃Ge33As12Se55，并用HF溶液刻蝕去除模板，Aliev進(jìn)一步獲得禁帶位于3～5 μm和8～12 μm兩個(gè)波段內(nèi)的高孔隙率反蛋白石結(jié)構(gòu)三維光子晶體，其反射率峰值可達(dá)65%以上，各種結(jié)構(gòu)的反射率曲線如圖3所示。

雖然反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的禁帶反射率高于蛋白石結(jié)構(gòu)，但是其制備工藝較為復(fù)雜，在實(shí)際中難以推廣應(yīng)用。張連超等[21]報(bào)道了一種操作簡(jiǎn)易、成本低廉的優(yōu)化垂直沉積法，將微米級(jí)SiO2微球自組裝獲得高質(zhì)量的蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，該結(jié)構(gòu)的禁帶位于2.8～3.5 μm和8.0～10.0 μm，紅外透射率曲線如圖4所示。此后，該組用單分散聚乙烯微球替代SiO2微球，進(jìn)一步獲得了禁帶位于3.24～3.44 μm的蛋白石結(jié)構(gòu)聚乙烯光子晶體[22-23]。

圖 4 垂直入射時(shí)SiO2光子晶體薄膜的紅外透射率譜圖[21] （a）1.5 μm SiO2微球；（b）4.3 μm SiO2微球Fig. 4 Normal incident infrared transmittance spectra of SiO2 photonic crystal film[21] （a）1.5 μm SiO 2 sphere；（b）4.3 μm SiO2 sphere

通過(guò)控制微球的尺寸，容易獲得不同光子禁帶的蛋白石結(jié)構(gòu)三維光子晶體，但單分散的微球通常只能獲得單一波段的禁帶，要想滿足選擇性輻射紅外隱身，仍需多種尺寸微球制備的光子晶體配合才能完成，相對(duì)較為麻煩。一維光子晶體通常也只具備單一波段的光子禁帶，無(wú)法滿足選擇性輻射紅外隱身的要求，然而研究表明，通過(guò)構(gòu)造異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)其全向反射頻率光子禁帶的合并與拓寬[24]，這為選擇性輻射紅外隱身提出了新的思路。

趙大鵬等[25]采用傳輸矩陣法設(shè)計(jì)出由Te和PE兩種材料組成的一維光子晶體，并通過(guò)構(gòu)造異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光子禁帶的展寬，獲得的全向反射鏡在3.4～5.4 μm和8～12.5 μm波 段 反 射 率 高 達(dá)99%以上。通過(guò)薄膜光學(xué)理論進(jìn)行優(yōu)化，該組將異質(zhì)結(jié)構(gòu)的禁帶進(jìn)一步拓寬為2.91～5.12 μm和7.62～12.29 μm，反射率高達(dá)95%[26]，在兩個(gè)禁帶之間的5～8 μm波段范圍，光譜表現(xiàn)為振蕩的通帶，可以將累積的熱量輻射出去，其紅外反射率曲線如圖5所示。

圖 5 一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體的紅外反射率曲線[26]Fig. 5 Infrared reflectance spectrum of the one-dimensional heterostructure photonic crystal[26]

利用光學(xué)鍍膜技術(shù)，Zhang等[27]成功在石英基底上制備出由Ge和ZnS構(gòu)成的一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體薄膜，其結(jié)構(gòu)示意圖和紅外發(fā)射率曲線如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該光子晶體薄膜在3～5 μm和8～14 μm大氣窗口波段的平均發(fā)射率分別為0.046和0.190，而在5～8 μm非窗口波段的平均發(fā)射率為0.579，有較為明顯的選擇性輻射特征，有望用作光譜選擇性輻射紅外隱身材料。

在多波段隱身方面，一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體也表現(xiàn)出良好的兼容性能。首先，光子晶體的介質(zhì)材料通常在雷達(dá)波波段具有高透射率特性，Wang等[28]比較了在玻璃基板上制備的光子晶體結(jié)構(gòu)和空白玻璃基板在2～18 GHz波段的透射率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者的透射率曲線基本相同，這表明該光子晶體結(jié)構(gòu)在整個(gè)雷達(dá)波段幾乎是透明的，通過(guò)與雷達(dá)吸波材料的結(jié)合，很容易實(shí)現(xiàn)紅外隱身與雷達(dá)隱身的兼容。此外有研究表明，利用光譜挖孔原理，可在一維光子晶體中摻雜其他材料，引入缺陷破壞其周期性結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)極窄頻率范圍的高吸收現(xiàn)象[29]，張繼魁等利用這一原理，通過(guò)在光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)中引入Ge和Si等缺陷層，先后實(shí)現(xiàn)了近中紅外波段與1.06 μm和1.54 μm激光的兼容隱身[30-31]，以及遠(yuǎn)紅外波段與10.6 μm激光的兼容隱身[31]。利用薄膜等傾干涉理論，該課題組還通過(guò)疊加準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的方式獲得了具有不同顏色特征的光子晶體薄膜，樣品的截面SEM形貌以及紅外光譜曲線如圖7所示，其在3～5 μm和8～14 μm波段的平均反射率分別為94.3%和85.5%，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)紅外隱身與可見光隱身的一體化兼容[32-33]。

圖 6 一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)Ge/ZnS光子晶體[27] （a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）紅外反射光譜Fig. 6 One-dimensional heterostructure Ge/ZnS photonic crystal[27] （a）schematic diagram for structure；（b）infrared reflectance spectrum

圖 7 一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)Ge/ZnSe光子晶體[33] （a）截面SEM形貌圖；（b）紅外反射光譜Fig. 7 One-dimensional heterostructure Ge/ZnSe photonic crystal[33] （a）cross-sectional SEM image；（b）infrared reflectance spectrum

作為第一代光譜選擇性輻射紅外隱身材料的代表，一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體能夠較好的實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)紅外雙波段的隱身，光譜選擇性較為明顯，通過(guò)與雷達(dá)吸波材料相結(jié)合，利用光譜挖孔原理以及準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的疊加等方式，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅外、雷達(dá)、激光以及可見光隱身，多波段兼容隱身效果突出。然而，目前設(shè)計(jì)制備的一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體在5～8 μm波段的紅外特性多呈現(xiàn)不穩(wěn)定震蕩的趨勢(shì)，輻射散熱效果還有待提高，此外，高性能一維光子晶體的膜層數(shù)通常較多，工藝復(fù)雜且成本較高，不同介質(zhì)材料之間熱膨脹系數(shù)的差異使得其在高溫下極易產(chǎn)生熱應(yīng)力，膜層容易發(fā)生脫落而失效，這些都限制著它在實(shí)際中的推廣與應(yīng)用。

2.2 基于頻率選擇表面的選擇性輻射紅外隱身材料

頻率選擇表面由大量的導(dǎo)體諧振單元按照特定周期排列而成，對(duì)不同頻率的電磁波具有選擇特性，屬于超材料的一種。2008年，Landy等[34]首次利用頻率選擇表面設(shè)計(jì)出“完美吸波體”結(jié)構(gòu)，并通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的選擇性吸波效果，為類似超材料吸波結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。Landy設(shè)計(jì)的超材料吸波體由金屬諧振層、中間介質(zhì)層以及底部金屬層三部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖 8 完美吸波體結(jié)構(gòu)示意圖[34] （a）金屬諧振環(huán)；（b）底部金屬短線；（c）整體單元結(jié)構(gòu)Fig. 8 Schematic diagram of the perfect absorber structure[34]（a）electric resonator；（b）cut wire；（c）the unit cell

圖 9 圓盤-圓環(huán)頻率選擇表面[35] （a），（b）1.54 μm和6.2 μm下的磁場(chǎng)分布俯視圖；（c）頻率選擇表面的紅外光譜曲線（實(shí)線）和大氣吸收光譜曲線（虛線）Fig. 9 Disc-ring frequency selection surface[35] （a），（b）top views of the magnetic field distributions calculated at 1.54 μm and 6.2 μm，respectively；（c）spectral properties of the frequency selection surface（solid line）and the atmospheric absorption spectrum（dotted line）

通過(guò)改變形狀、尺寸以及距離等參數(shù)，表面金屬諧振單元可與特定頻率的電磁波發(fā)生諧振效應(yīng)，降低該頻率電磁波的反射率，令其盡可能多的進(jìn)入介質(zhì)層內(nèi)，實(shí)現(xiàn)與自由空間的阻抗匹配；而利用結(jié)構(gòu)單元的介質(zhì)損耗和歐姆損耗，可令進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部的電磁波能量迅速被轉(zhuǎn)化耗散，實(shí)現(xiàn)衰減匹配。通過(guò)阻抗匹配和衰減匹配的共同作用，頻率選擇表面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率電磁波的選擇性吸收，達(dá)到選擇性輻射紅外隱身的效果。

頻率選擇表面結(jié)構(gòu)單元通常為目標(biāo)電磁波的亞波長(zhǎng)尺寸，由于加工工藝的限制，其早期主要針對(duì)微波波段，應(yīng)用于雷達(dá)隱身，近幾年來(lái)，隨著電子束刻蝕、聚離子束刻蝕等微納加工工藝的發(fā)展，以頻率選擇表面為代表的第二代光譜選擇性輻射紅外隱身材料逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

Kim等[35]利用圓盤-圓環(huán)頻率選擇表面設(shè)計(jì)出一種金屬/介質(zhì)/金屬選擇性輻射體，該輻射體由Ag和聚酰亞胺組成，它的磁場(chǎng)分布和光譜特性如圖9所示。由中心Ag圓盤產(chǎn)生的表面等離子體極化共振峰位于1.54 μm處，可以降低90%的激光散射，用于針對(duì)激光制導(dǎo)導(dǎo)彈的隱身；周圍Ag圓環(huán)產(chǎn)生的磁極化共振峰位于6.2 μm處，發(fā)射率極高，可用于輻射散熱；而在3～5 μm和8～14 μm波段，該頻率選擇表面的反射率高達(dá)92%以上，具有紅外信號(hào)抑制效果，可用于實(shí)現(xiàn)雙波段的紅外隱身。耐溫性仿真結(jié)果表明，其中遠(yuǎn)紅外波段的輻射抑制效果在500 ℃時(shí)可保持90%以上，但他們的研究成果僅停留在理論層面，并未進(jìn)行實(shí)際性能的測(cè)試。

Lee等[14]采用Au和ZnS兩種材料，設(shè)計(jì)制備出圓盤頻率選擇表面，其結(jié)構(gòu)示意圖和表面SEM形貌如圖10（a），（b）所示。他們對(duì)不同圓盤直徑頻率選擇表面的發(fā)射率進(jìn)行了計(jì)算模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，兩者結(jié)果基本一致，如圖10（c）所示。此外，Lee等還建立了總體隱身性能指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)材料的紅外隱身效果。仿真結(jié)果顯示，在27 ℃和327 ℃溫度條件下，當(dāng)金屬圓盤的直徑分別為1.49 μm和1.21 μm時(shí)，該選擇性輻射體可獲得最佳隱身效果。

圖 10 圓盤頻率選擇表面[14] （a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）表面SEM形貌；（c）不同圓盤直徑下計(jì)算（實(shí)線）和實(shí)驗(yàn)（虛線）得到的發(fā)射率/吸收率Fig. 10 Disc frequency selection surface[14]（a）schematic diagram；（b）surface SEM image；（c）emissivity / absorptivity calculated（solid line）and experimental（dashed line）for different disc diameters

Kim等[36]將頻率選擇性表面和微波吸收體相結(jié)合，設(shè)計(jì)出紅外/微波兼容隱身的分層超材料（HMM），結(jié)構(gòu)如圖11（a）所示，其中，層Ⅱ在該分層超材料中扮演著雙重角色，其與層Ⅰ共同組成選擇性紅外輻射體（ISE），又與層Ⅲ共同組成微波吸收體（MSA），二者的結(jié)構(gòu)單元如圖11（b），（c）所示。圖11（d）為ISE、MSA和HMM的光譜曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該分層超材料在5～8 μm波段的紅外發(fā)射率比Au表面高15.7倍，具有較好的輻射散熱效果，而在8～12 μm的紅外波段和2.5～3.8 cm的微波波段的輻射信號(hào)強(qiáng)度分別降低了95%和99%，能夠同時(shí)滿足紅外隱身和微波隱身的需求。

圖 11 分層超材料（HMM）[36] （a）微波入射和紅外輻射示意以及結(jié)合了ISE和MSA的HMMs的組成和結(jié)構(gòu)示意圖；（b）ISE的結(jié)構(gòu)單元示意圖；（c）MSA的結(jié)構(gòu)單元示意圖；（d）測(cè)量的ISE、MSA以及HMM的紅外發(fā)射光譜和微波吸收光譜Fig. 11 Hierarchical metamaterials[36] （a）schematic diagram shows incoming microwave and outgoing IR radiation as well as the structure and composition of the HMMs that incorporates the ISE and MSA layers；（b）unit-cell structure of the ISE；（c）unit-cell structure of the MSA；（d）measured emissivity over the IR spectrum and absorptance over the microwave spectrum for the ISE and MSA layers and overall HMM

Kim和Lee等設(shè)計(jì)的頻率選擇表面在峰值處的吸收率接近于1，在探測(cè)波段的抑制效果高達(dá)90%以上，光譜選擇性比較明顯，并且很容易通過(guò)改變金屬結(jié)構(gòu)單元的尺寸控制其光譜特性，可設(shè)計(jì)性能好，但是二者設(shè)計(jì)制備的頻率選擇表面均為單峰結(jié)構(gòu)，吸收頻帶極窄，材料整體的輻射散熱效果仍然比較有限。為實(shí)現(xiàn)吸收頻帶的拓寬，可在一個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)幾何形狀相同但尺寸不同的金屬諧振單元，通過(guò)調(diào)整單元的尺寸獲得不同的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)相近吸收峰的疊加拓展[37]。

Xu等[38]通過(guò)在同一結(jié)構(gòu)單元中設(shè)計(jì)四種不同尺寸的方形諧振單元，制備出一種對(duì)偏振不敏感的選擇性輻射體，實(shí)現(xiàn)了吸收頻帶的拓寬，其結(jié)構(gòu)單元示意圖和模擬計(jì)算得到的紅外光譜如圖12所示。該寬帶選擇性輻射體在3～5 μm和8～14 μm波段發(fā)射率低于0.06，同時(shí)，可以通過(guò)5.5～7.3 μm波段的寬頻吸收帶進(jìn)行輻射散熱，降低目標(biāo)的實(shí)際溫度。然而，由于材料介電常數(shù)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差，以及實(shí)際制備過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷等問題，樣品實(shí)驗(yàn)測(cè)得的紅外吸收率較計(jì)算結(jié)果下降明顯，在6.4 μm處的吸收率峰值僅為0.47。

圖 12 多尺寸方形頻率選擇表面結(jié)構(gòu)單元[38] （a）俯視圖；（b）側(cè)視圖；（c）模擬計(jì)算的紅外吸收/反射光譜Fig. 12 Multi-size square frequency selective surface[38] （a）top view of the unit cell ；（b）side view of the unit cell；（c）simulated reflection and absorption spectra

除了典型的金屬/介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)外，利用全金屬的空腔結(jié)構(gòu)也可以達(dá)到類似的選擇性輻射效果。Zhao等[39]利用圓形結(jié)構(gòu)、凹槽和不同尺寸的長(zhǎng)方體空腔結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種全金屬的激光/紅外隱身兼容頻率選擇表面，其結(jié)構(gòu)示意圖及紅外光譜特性如圖13所示。該選擇性輻射體在3～5 μm和8～14 μm具有很低的發(fā)射率，可有效抑制探測(cè)波段的紅外信號(hào)，而在2.709 μm和6.107 μm處的發(fā)射率幾乎為1，能夠補(bǔ)償由于探測(cè)波段低發(fā)射率造成的輻射散熱的減少。此外，該發(fā)射體在1.064 μm處幾乎是一個(gè)完全的吸收體，能夠?qū)崿F(xiàn)紅外與激光隱身的一體化兼容。

圖 13 全金屬空腔頻率選擇表面[39] （a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）紅外吸收/發(fā)射率曲線（圖中紅線表示大氣吸收光譜）Fig. 13 All-metal cavity frequency selective surface[39] （a）schematic diagram；（b）infrared absorption/emission spectrum（the red line indicates the atmospheric absorption spectrum）

頻率選擇表面作為第二代光譜選擇性輻射紅外隱身材料，具有較好的光譜選擇性和可設(shè)計(jì)性，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)調(diào)整吸收頻帶位置和寬度，實(shí)現(xiàn)光譜選擇性輻射紅外隱身與激光隱身的兼容，通過(guò)不同尺寸頻率選擇表面的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)紅外隱身與雷達(dá)隱身的兼容，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。然而，由于材料性能的差異以及缺陷的存在，實(shí)際制備的頻率選擇表面與理論的性能還有一定的差距。此外，紅外波段光譜調(diào)控所需的結(jié)構(gòu)單元尺寸很?。ㄍǔ槲⒚准?jí)別），且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得實(shí)際的工藝成本較高，加工耗時(shí)極長(zhǎng)，極大地限制了它的應(yīng)用和推廣。

2.3 基于Fabry-Perot腔的選擇性輻射紅外隱身材料

表面拋光的金屬膜存在強(qiáng)大的屏蔽效應(yīng)，阻止了其內(nèi)部自由電子與電磁波的相互作用，通常表現(xiàn)出全波段的強(qiáng)反射特性[40]。然而研究表明，當(dāng)金屬膜的厚度不斷減小，變?yōu)榧{米級(jí)的超薄金屬時(shí)，將沒有足夠的電荷來(lái)屏蔽振蕩的電磁波，其吸收率和發(fā)射率均會(huì)得到顯著的增強(qiáng)[41]，表現(xiàn)出一定的吸收和透過(guò)特性[42]，即超薄金屬的隧道效應(yīng)。圖14模擬了電流點(diǎn)源放置于不同厚度Ag膜下的輻射特性的變化，當(dāng)金屬Ag由厚膜變?yōu)? nm的超薄薄膜時(shí)，電流電源的輻射特性得到了顯著的增強(qiáng)[40]。

圖 14 電流點(diǎn)源的輻射特性[40] （a）放置在半無(wú)限大的Ag厚膜下0.5 nm；（b）放置在1 nm厚的超薄Ag膜中央Fig. 14 Radiation characteristics of a current point source[40] （a）0.5 nm under a semi-infinite Ag thick film；（b）in the center of a 1 nm ultra-thin Ag film

利用超薄金屬的隧道效應(yīng)與Fabry-Perot干涉儀的多光束干涉效應(yīng)相結(jié)合，可設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光譜選擇性能優(yōu)異的Fabry-Perot腔選擇性輻射紅外隱身材料。該選擇性輻射結(jié)構(gòu)通常由超薄金屬、介質(zhì)層以及金屬層三部分組成，是繼光子晶體和頻率選擇表面之后的第三代光譜選擇性輻射紅外隱身材料。由于超薄金屬的隧道效應(yīng)，電磁波可以透過(guò)表面進(jìn)入介質(zhì)層內(nèi)部，而Fabry-Perot腔結(jié)構(gòu)的存在，可令特定波長(zhǎng)的電磁波在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩，在反復(fù)的振蕩過(guò)程中，電磁波會(huì)被超薄金屬不斷地吸收，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的選擇性輻射功能。

利用超薄金屬的隧道效應(yīng)和阻抗匹配原理，國(guó)防科技大學(xué)劉東青等[11]采用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)設(shè)計(jì)制備出由保護(hù)層Ge、超薄金屬Ag、介質(zhì)層Ge以及金屬層Ag四層膜結(jié)構(gòu)組成的Fabry-Perot腔選擇性輻射紅外隱身材料。該組通過(guò)等離子體處理以及提高沉積速率的方式獲得了連續(xù)的超薄Ag膜[42]，最終制備的Ag/Ge體系Fabry-Perot腔的截面TEM形貌以及紅外發(fā)射率曲線如圖15所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該體系在3～5 μm和8～14 μm波段的發(fā)射率分別為0.18和0.31，而在5～8 μm波段的發(fā)射率高達(dá)0.82，較好地滿足了光譜選擇性輻射紅外隱身的需求。進(jìn)一步的耐溫性測(cè)試表明，在200 ℃的高溫下，其仍然能保持自身優(yōu)異的光譜選擇性能。

圖 15 Ag/Ge體系Fabry-Perot腔[11] （a）截面HRTEM形貌；（b）計(jì)算和測(cè)量的紅外發(fā)射率曲線Fig. 15 Ag / Ge system Fabry-Perot cavity[11] （a）cross-sectional HRTEM image；（b）calculated and measured infrared emissivity curves

為了實(shí)際驗(yàn)證Fabry-Perot腔選擇性輻射材料在紅外隱身中的優(yōu)勢(shì)，劉東青等[11]比較了低發(fā)射率涂層材料和制備的Ag/Ge體系Fabry-Perot腔表面溫度隨加熱時(shí)間的變化以及達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)在紅外熱像儀下的輻射溫度（即與目標(biāo)輻射能量相同時(shí)黑體的實(shí)際溫度），如圖16所示。結(jié)果顯示，盡管在3～5 μm和8～14 μm波段不同材料的紅外發(fā)射率幾乎相同，但選擇性輻射體的輻射溫度明顯低于低發(fā)射率涂層材料，具有更優(yōu)越的紅外隱身性能。

劉東青等[43]又將上述Fabry-Perot腔選擇性輻射結(jié)構(gòu)改進(jìn)為具有周期性圖案的Ag/Ge薄層，通過(guò)與雷達(dá)吸波功能層相結(jié)合，成功設(shè)計(jì)制備出一種選擇性紅外輻射與雷達(dá)吸波兼容的隱身材料。該結(jié)構(gòu)在3～5 μm和8～14 μm波段具有低發(fā)射率，在5～8 μm波段具有高發(fā)射率，符合光譜選擇性輻射紅外隱身材料的要求，同時(shí)其在8.0 ～18.0 GHz具有低反射率，可用于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)吸波隱身。此外，該組還通過(guò)調(diào)整膜層的厚度，實(shí)現(xiàn)了Fabry-Perot腔選擇性輻射結(jié)構(gòu)向輻射制冷技術(shù)的推廣，設(shè)計(jì)制備出的選擇性輻射體在8～13 μm波段具有高發(fā)射率（0.84），而在5～8 μm和13～25 μm波段發(fā)射率分別為0.21和0.39，室外的溫度測(cè)試表明，該體系平均可以降低約3.5 ℃，在輻射制冷技術(shù)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛能[44]。

圖 16 不同材料的表面平均輻射溫度隨加熱時(shí)間的變化和穩(wěn)態(tài)紅外熱像圖[11] （a），（b）3～5 μm波段；（c），（d）8～14 μm波段Fig. 16 Average apparent temperature variation and infrared thermal image（steady-state）of different emitters[11]（a），（b）3-5 μm；（c），（d）8-14 μm

基于Fabry-Perot腔的第三代光譜選擇性輻射紅外隱身材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過(guò)介質(zhì)層厚度的調(diào)整實(shí)現(xiàn)輻射曲線的控制，光譜選擇性和可設(shè)計(jì)性好，具有比低發(fā)射率涂層材料更好的紅外隱身性能。此外，通過(guò)先進(jìn)的鍍膜系統(tǒng)，第三代光譜選擇性輻射紅外隱身材料可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜構(gòu)件上的成型制備，這使得其成為目前最貼近應(yīng)用的選擇性輻射紅外隱身技術(shù)。然而，由于超薄金屬Ag膜在高溫下極易發(fā)生氧化，并且Ag和Ge膜層間熱膨脹系數(shù)的差異，實(shí)際制備的Fabry-Perot腔結(jié)構(gòu)耐溫性能仍然十分有限，當(dāng)前研究者們正在積極選擇具有應(yīng)用潛力的高熔點(diǎn)金屬以及熱膨脹系數(shù)相近的介質(zhì)材料，以提高Fabry-Perot腔選擇性輻射結(jié)構(gòu)的耐高溫性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，光譜選擇性輻射紅外隱身材料主要有光子晶體、頻率選擇表面以及Fabry-Perot腔三種結(jié)構(gòu)。其中，以異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體為代表的第一代光譜選擇性輻射紅外隱身材料滿足雙波段的紅外隱身需求，并能通過(guò)與雷達(dá)吸波材料結(jié)合、光譜挖孔技術(shù)以及準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)疊加的方式實(shí)現(xiàn)多波段隱身的兼容，但其在非窗口波段的光譜曲線不夠穩(wěn)定，輻射散熱效果有待提高，此外，過(guò)多的膜層數(shù)對(duì)工藝的要求較高，也不利于其在高溫下的穩(wěn)定；頻率選擇表面作為第二代光譜選擇性輻射紅外隱身材料，可以通過(guò)金屬諧振單元的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)吸收峰位置和寬度的調(diào)控，容易實(shí)現(xiàn)激光隱身和紅外隱身的一體化兼容，但由于材料性能和缺陷的限制，其實(shí)際性能較理論值還有較大的差距，微米級(jí)的結(jié)構(gòu)尺寸和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也給加工工藝帶來(lái)了巨大的困難；基于Fabry-Perot腔的第三代光譜選擇性輻射紅外隱身材料可以通過(guò)調(diào)整層厚實(shí)現(xiàn)光譜特性的調(diào)控，具有比前兩代材料更優(yōu)異的光譜選擇性能，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工較為方便，是目前最具備實(shí)際應(yīng)用潛力的材料體系。

盡管第三代光譜選擇性輻射紅外隱身材料具有優(yōu)異的光譜選擇性能，但由于超薄金屬的氧化問題和多層膜間熱膨脹系數(shù)的差異，實(shí)際制備的Fabry-Perot腔結(jié)構(gòu)耐溫性能仍然十分有限，未來(lái)應(yīng)對(duì)其材料體系進(jìn)行調(diào)整，盡可能選擇Au、Pt等耐高溫氧化的超薄金屬膜層以及與之熱膨脹系數(shù)相匹配的介質(zhì)層，從而提高整個(gè)Fabry-Perot腔結(jié)構(gòu)的耐高溫性能。此外，隨著傳感器元器件水平和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，紅外探測(cè)技術(shù)與雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)、激光探測(cè)系統(tǒng)以及可見光探測(cè)系統(tǒng)等交聯(lián)配合，日趨形成一個(gè)復(fù)雜化的多功能探測(cè)網(wǎng)絡(luò)[45-47]，可實(shí)施對(duì)軍事目標(biāo)全方位、多領(lǐng)域的無(wú)死角探測(cè)。因此，單一的選擇性輻射紅外隱身材料難以應(yīng)對(duì)實(shí)際中復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的隱身需求，必須與雷達(dá)波[48-49]、激光[50-51]以及可見光[32-33，52]隱身等多種隱身手段兼容配合，才能達(dá)到真正的隱身效果。其中，紅外隱身與雷達(dá)隱身的兼容尤為重要，為此，可嘗試將Fabry-Perot腔結(jié)構(gòu)中的超薄金屬膜層替換為其他介質(zhì)吸收層，制備全介質(zhì)型的第三代光譜選擇性輻射紅外隱身材料，通過(guò)與雷達(dá)吸波材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)紅外和雷達(dá)兼容的一體化隱身效果。面對(duì)日趨復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，武器裝備對(duì)紅外隱身材料提出了越來(lái)越高的性能需求，未來(lái)光譜選擇性輻射紅外隱身材料應(yīng)該向著工藝更加簡(jiǎn)單、高溫穩(wěn)定性更強(qiáng)以及多波段兼容的實(shí)用方向繼續(xù)邁進(jìn)。