劉升華 吳春光

（92941部隊 葫蘆島 125000）

1 引言

隨著高精度、遠距離、高分辨率以及小型化且價格低廉的紅外探測設(shè)備的廣泛應(yīng)用，軍事設(shè)施生存、個人隱私安全、商業(yè)機密保護等受到嚴重威脅［1］。紅外隱身技術(shù)因其在軍事、科技與商業(yè)方面的價值成為了世界各國廣泛關(guān)注的研究重點［2］。紅外隱身技術(shù)就是通過屏蔽熱能、溫度抑制、涂覆低發(fā)射率涂料、調(diào)節(jié)物質(zhì)表面發(fā)射率等手段改變或降低目標紅外輻射特征，使目標與背景的紅外輻射特征相近，降低被紅外探測設(shè)備識別的概率。傳統(tǒng)紅外隱身技術(shù)普遍使用低發(fā)射率涂層或者抑制溫度的方式來降低材料紅外輻射特征［3～4］。但面對不斷改進提高的紅外探測技術(shù)以及復(fù)合探測技術(shù)的廣泛應(yīng)用，單純降低目標物體的紅外發(fā)射率或者抑制溫度，已不能達到在復(fù)雜環(huán)境下紅外隱身的目的，所以研究新型紅外隱身技術(shù)具有重要的科學(xué)和實用意義。

2 紅外隱身機理

任何物質(zhì)，溫度只要不是絕對零度必然會產(chǎn)生波長為0.76μm～1000μm的紅外輻射［5］，而由于大氣中廣泛存在的H2O、CO2、O3分子和懸浮物質(zhì)等會對紅外輻射產(chǎn)生一定的選擇性吸收和散射，紅外輻射會在傳播過程有相當程度的衰減，但某些波段紅外輻射衰減較少，通常將這些衰減較少的波段區(qū)域稱為“大氣窗口”［6］。“大氣窗口”主要分為近紅外窗口、中紅外窗口、遠紅外窗口、超遠紅外窗口，波段范圍分別為0.75μm～2μm、3μm～5μm、8μm～14μm和50μm～1000μm，目前常用的紅外探測設(shè)備主要在3μm～5μm 和8μm～14μm 波段工作［7］。由Stefan-Boltzmann定律［8］可知物體的紅外輻射出射度：

W=σεT^4

其中“σ”為斯特潘—玻爾茲曼常數(shù)，“ε”為物體發(fā)射率，T 為物體絕對溫度。由于發(fā)射率是表面狀態(tài)的函數(shù)，與物質(zhì)大小尺寸等無關(guān)，由此可知，有效實現(xiàn)紅外隱身的手段就是調(diào)節(jié)目標表面發(fā)射率和控制目標表面溫度。

3 紅外隱身材料

調(diào)節(jié)目標表面發(fā)射率實現(xiàn)紅外隱身的方法又稱發(fā)射率控制技術(shù)，按照是否可以動態(tài)調(diào)控目標表面的發(fā)射率可分為固定發(fā)射率紅外隱身技術(shù)和可變發(fā)射率紅外隱身技術(shù)。近年來，隨著微納米光子學(xué)及新材料的高速發(fā)展，研究較多的有超表面、光子晶體、量子阱、電致變色材料、相變材料這幾類，都可以很好地實現(xiàn)目標表面紅外輻射的有效調(diào)控。

3.1 固定發(fā)射率紅外隱身技術(shù)

固定發(fā)射率紅外隱身技術(shù)比較常見的是制備具有較低紅外發(fā)射率的涂料、薄膜等，其具有成本可控、工藝簡單和對各種形狀的目標表面適用性強等優(yōu)點［9～10］。但傳統(tǒng)低紅外發(fā)射率材料普遍遵守基爾霍夫定律和能量守恒定律，具有高反射率［11］，此外全波段的低發(fā)射率也會導(dǎo)致目標無法通過輻射的方式迅速散熱，造成材料表面溫度升高，影響目標的隱身效果。為解決以上問題，多種新材料被開發(fā)應(yīng)用，下面主要介紹超表面和光子晶體這兩種材料在紅外隱身領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.1.1 紅外隱身超表面

正如前文所說普通材料無法擺脫基爾霍夫定律和能量守恒定律，同時具有低發(fā)射率和低反射率特性。只有超材料（metamaterials）能實現(xiàn)這一光譜調(diào)控目標。超材料是一種人為設(shè)計的將亞波長尺度的單元進行人工排布的功能導(dǎo)向型材料，通過調(diào)整單元參數(shù)和排布方式實現(xiàn)對電磁波相位、極化方式、傳播模式等特征的調(diào)控，從而得到傳統(tǒng)材料不具備的物理特性［11］。超表面就是超材料的二維應(yīng)用，利用以上原理，使用由精心設(shè)計的亞波長尺度結(jié)構(gòu)組成的極薄板或覆膜等來局部調(diào)整材料表面電磁響應(yīng)，同步實現(xiàn)低發(fā)射率和低反射率。

Xie［11］等利用等離子體金屬材料低發(fā)射率特性設(shè)計了由亞波長金屬光柵組成的超表面。并在8μm～14μm的紅外大氣窗口中進行了實驗表征，證明其可同時在寬頻段和寬入射角條件下實現(xiàn)低發(fā)射率和低反射率。超表面的低發(fā)射率是由全金屬結(jié)構(gòu)提供的，低反射則是使用相位梯度法制備反射率各向異性的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。并且，全金屬結(jié)構(gòu)超表面的優(yōu)勢在于具有良好的機械強度、柔韌性和延展性等，這些都為工程應(yīng)用提供了良好基礎(chǔ)。

Gao［12］等提出一種基于等離子吸收結(jié)構(gòu)（PAS）的超寬頻雷達-紅外兼容隱身超表面，通過理論分析和數(shù)學(xué)建模等方法設(shè)計了上層為紅外低發(fā)射層（IRSL）下層為雷達吸波層（RAL）的晶胞結(jié)構(gòu)，并對不同添加率的氧化銦錫（ITO）等離子體超表面的雷達吸收率和紅外發(fā)射率進行了仿真計算，仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在大氣紅外窗口平均發(fā)射率僅為0.3。通過實驗表征進一步研究了材料特性，實驗結(jié)果表明設(shè)計制備的超表面與仿真結(jié)果高度一致。徐翠蓮［14］等同樣采用上層IRSL 和下層RAL 結(jié)構(gòu)方式，使用光學(xué)透明材料ITO 和聚對二苯二甲酸二醇酯（PET）設(shè)計了一種超寬頻段雷達-紅外-可見光兼容隱身超表面。研究結(jié)果表明，該材料在3μm～14 μm 紅外波段發(fā)射率保持較低水平，并且驗證了方阻越大越不利于發(fā)射率減小，在方阻為6Ω/sq 時，超表面發(fā)射率約為0.46，測試結(jié)果如圖1所示，該材料在可見光頻段也具有較高透射率，并且可以通過改變IRSL 層貼片厚度來靈活調(diào)整超表面隱身能力。

圖1 不同方阻IRSL 紅外發(fā)射率的測試結(jié)果［14］

3.1.2 光子晶體

1987年由Yablonovitch［13］和John［14］分別獨立提出的光子晶體實質(zhì)上是一種在光學(xué)尺度上具有周期性結(jié)構(gòu)并具有光子帶隙的一種超材料。光子帶隙能阻止特定頻段的電磁波傳播，即可在頻譜上產(chǎn)生“禁帶”。光子晶體通過尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計，理論上可以在3μm～5μm 和8μm～14μm 波段實現(xiàn)低發(fā)射率，同時在其他波段得到高發(fā)射率。即可實現(xiàn)大氣窗口的紅外隱身，又可在非大氣窗口做到有效散熱［15］。

2005年S.Enoch 等［16］提出了一種逐層堆砌的光子晶體結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計，并進行實驗研究。研究結(jié)果表明，由交替的ZnSe 同質(zhì)層和Au 層制成的光子晶體可以在紅外波段定制材料的發(fā)射光譜。尤其發(fā)現(xiàn)該光子晶體在7.9μm 波段處達到最高發(fā)射率，為實現(xiàn)紅外隱身材料在非紅外大氣窗口的有效散熱提供了思路。張連超［17］等使用微米級SiO2膠體球，采用逐層堆砌一維結(jié)構(gòu)和三維木堆結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化的垂直沉積法制備了“禁帶”在2.8μm～3.5μm、8μm～10μm 的蛋白石型光子晶體材料，對材料紅外輻射特征進行了有效調(diào)制。

Dang［18］等利用電介質(zhì)/金屬/電介質(zhì)（D/M/D）結(jié)構(gòu)制備了具有二維周期性孔徑陣列ZnO/Ag/ZnO 薄膜，如圖2所示。研究結(jié)果表明，該D/M/D 結(jié)構(gòu)材料在3μm～5μm、8μm～14μm 波段具有低發(fā)射率，在5μm～8μm 具有高發(fā)射率，實現(xiàn)了在紅外大氣窗口的低發(fā)射率，非大氣窗口的高發(fā)射率。為了檢驗材料散熱能力，分別選用制備的薄膜和鋁膜覆蓋SiO2，在相同的加熱功率下，薄膜覆蓋的SiO2溫度低很多，證明其做到了有效散熱。另外該材料在可見光波段具有高透射性，在具備良好散熱性能的前提下實現(xiàn)了可見光-紅外兼容隱身能力。

3.2 可變發(fā)射率紅外隱身技術(shù)

上述通過不同材料實現(xiàn)的低紅外發(fā)射率調(diào)控的發(fā)射率通常是固定的，即目標只能在相對固定的背景下進行隱身。在實際應(yīng)用中，目標可能是移動的，或者背景溫度隨時可能會發(fā)生變化。因此，能對周圍環(huán)境變化做出快速響應(yīng)，可動態(tài)調(diào)節(jié)目標物體發(fā)射率的隱身技術(shù)是目前另一個研究熱點。這種可變發(fā)射率紅外隱身技術(shù)以適應(yīng)更復(fù)雜多變的環(huán)境為研究目的，在未來軍事實踐的應(yīng)用中具有良好發(fā)展前景［19～20］。下面我們就來介紹能實現(xiàn)動態(tài)紅外隱身的幾種結(jié)構(gòu)與材料。

3.2.1 量子阱

近年來利用外部電場對熱輻射實現(xiàn)有效調(diào)控取得了長足的進步，其中關(guān)于量子阱（QW）的研究應(yīng)用很多。QW 是指由兩種不同的半導(dǎo)體材料相間排列形成的、具有明顯量子限制效應(yīng)的電子或空穴的勢阱。由于量子阱寬度（只有當阱寬尺度足夠小時才能形成量子阱）的限制，使得載流子只在與阱壁平行的平面內(nèi)具有二維自由度，在垂直方向上導(dǎo)帶和價帶會分裂成子帶。而子帶間的能級差會使電子子帶間躍遷產(chǎn)生光吸收［21～22］。子帶間光吸收的幅度則可以通過外部電壓調(diào)節(jié)電子密度來控制［23］。

Takuya Inoue 等［24］展示了n 型GaAs/Al0.3Ga0.7As QWs材料表面發(fā)射率的動態(tài)控制，其響應(yīng)速度比傳統(tǒng)調(diào)控方法快四個數(shù)量級。他們的方法是基于n型GaAs/Al0.3Ga0.7As QWs 中的電子子帶間躍遷時產(chǎn)生光吸收，并通過光子晶體板中的光學(xué)諧振模式使其得到增強。通過控制光吸收（吸收率）來動態(tài)控制熱發(fā)射率，裝置示意圖如圖3（a）所示。該器件由一層n 型GaAs/Al0.3Ga0.7As QWs 組成，在上層GaAs層和量子阱層中引入三角形的氣孔晶格，形成二維光子晶體平板結(jié)構(gòu)。利用光子晶體板的面內(nèi)共振，實現(xiàn)與子帶間躍遷的有效光耦合，以實現(xiàn)更高峰值的吸收率。表面發(fā)射率的控制效果如圖3（b）所示，在100℃下拍攝施加和未施加10V 反向偏壓的裝置的紅外熱圖像。可以看出施加反向偏壓后裝置均勻地降低了從光子晶體板發(fā)射的熱輻射強度。

圖3 （a）量子阱裝置的示意圖；（b）該裝置在100°C下有和沒有反向偏壓時的IR圖像［24］

3.2.2 電致變色材料

電致變色材料是指在電場或電流的作用下，其價態(tài)和化學(xué)組分會發(fā)生可逆的變化，因而材料發(fā)射率能夠產(chǎn)生循環(huán)變化［25～26］。電致變色材料主要有三氧化鎢（WO3）、聚噻吩（PTh）和聚苯胺（PANI）及其衍生物等。1973年Deb 等［27］首次發(fā)現(xiàn)具有電致變色效應(yīng)的WO3薄膜。到2001年，Hutchins等［28］就將WO3應(yīng)用于紅外反射調(diào)制。武等［29］研究了具有法布里-鉑羅（F-P）空腔結(jié)構(gòu)的多彩氧化鎢薄膜。其在外加偏壓條件下，對可見-中紅外波段的反射率調(diào)節(jié)能力較好，具有較強的紅外屏蔽能力。

另一種研究較多的電致變色材料為聚苯胺（PANI）。1999年，Topart 等［30］以樟腦磺酸為摻雜劑，在金柵紅外透射電極上合成PANI薄膜，然后將PANI薄膜組裝成固體紅外電致變色器件。該器件的動態(tài)發(fā)射率在12μm 波段可以從0.2 變?yōu)?.65。然而，柵電極的制作復(fù)雜且價格昂貴，而且紅外透射率高的電極不易獲得，意味著這種金柵結(jié)構(gòu)電極不適合大規(guī)模制備。后來，Chandrasekhar等［31］引入了鍍金微孔尼龍過濾器作為柔性電極。多孔電極中的微孔可以為電解質(zhì)離子提供進入電致變色層的途徑，從而保證器件的運作。因此，多孔電極使電致變色層能夠放置在器件的最外層，大大簡化了器件的結(jié)構(gòu)。這種基于多孔電極的電致變色裝置使用PANI 和聚二苯胺共聚物作為電致變色材料，該裝置在2.5μm～45μm 范圍內(nèi)的發(fā)射率可從0.39變化到0.79。到2020年，Lu 等［32］通過電化學(xué)沉積獲得了基于各種多孔基材的聚苯胺（PANI）薄膜及其電致變色器件。根據(jù)波動光學(xué)原理，建立了電致變色層的簡單模型，如圖4所示。通過模型和檢測數(shù)據(jù)分析，獲得了一種基于PTFE-0.22μm 的電致變色器件，在3μm～5μm 波段和8μm～14μm 波段中的紅外發(fā)射率調(diào)節(jié)闊度值提高到0.559和0.39。

圖4 電致變色層模型［32］

3.2.3 相變材料

相變材料（PCM）是指物質(zhì)在轉(zhuǎn)變性質(zhì)過程中以潛熱形式儲存或釋放能量的材料。因其出色的熱調(diào)控能力在紅外隱身材料制備應(yīng)用等領(lǐng)域前景廣闊。另外相變材料在物相轉(zhuǎn)變后，其電學(xué)、光學(xué)等特征隨之變化，因此也被用于可變發(fā)射率材料的制備。

二氧化釩（VO2）是典型的具有相變性質(zhì)的金屬氧化物，在溫度相對較低時具有單斜紅石相（M 相）結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出絕緣體性質(zhì)，在68℃的溫度下由絕緣體相變?yōu)榻饘伲哂兴姆浇鸺t石相（R 相）結(jié)構(gòu)［33］。Liu［34］等在石英襯底下利用溶膠-凝膠法制備了五氧化二釩（V2O5）薄膜，隨后在不同退火條件下使用V2O5制備了純VO2薄膜，通過實驗測量了VO2薄膜的物理性質(zhì)，表面厚度約600nm 的VO2薄膜相變前后的電阻率下降了4 個數(shù)量級，7.5μm～14μm 波段的紅外發(fā)射率降低了0.6，發(fā)射率不到0.3，表明VO2薄膜可以對紅外發(fā)射率進行有效調(diào)控。然而為了保持VO2的金屬相，材料的溫度需要保持在68°C以上。通過在VO2摻雜W、Mo 等元素可以將相變溫度從68℃調(diào)整為一個寬約50℃的相變溫度區(qū)間［35］。Zhao［36］等提出了一種能夠同時進行發(fā)射率調(diào)控和輻射冷卻的熱致變色頻率選擇發(fā)射器（TFSE），如圖5（a）。發(fā)射器集成了金屬諧振元件和VO2相變材料。在3μm～5μm 和8μm～14μm 波段的大氣窗口中，隨著VO2從絕緣相到金屬相的相變，TFSE 的發(fā)射率從0.41 變化到0.11。由圖5（b）看出發(fā)射器在5μm～8μm 的大氣吸收帶中，可以主動散熱。在大氣吸收帶具有多個吸收峰的TFSE，顯示出顯著的散熱潛力，在自適應(yīng)紅外隱身技術(shù)的應(yīng)用和輻射熱能的主動管理方面具有巨大的潛力。

圖5 （a）熱致變色頻率選擇發(fā)射器的示意圖；（b）TFSE在293K～348K溫度范圍內(nèi)連續(xù)加熱的光譜發(fā)射率［36］

此外Ge2Sb2Te5（GST）等相變材料在紅外隱身領(lǐng)域的應(yīng)用也較好地解決了上述問題。Du［37］等通過沉積法制備了不同厚度GST-Au 薄膜，通過分別改變由不同比例非晶態(tài)和晶態(tài)分子組成的中間相以及薄膜厚度，可以得到具有廣泛波長選擇性且能對發(fā)射率進行連續(xù)調(diào)控的材料。到了2018年，其同課題組的Qu［38］設(shè)計出了一種包含GST 的熱偽裝裝置，研究了固定溫度為60℃的目標，在觀察角度0°到60°區(qū)間，背景溫度從30℃到50℃區(qū)間的隱身情況，實驗結(jié)果表明目標可以在較大范圍觀察角、30°C到50°C的背景溫度下實現(xiàn)連續(xù)近乎完美的紅外隱身。黎思睿［37］等利用GST 材料晶態(tài)和非晶態(tài)不同屬性，制備了具有多光譜可調(diào)功能的單一多層膜結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在8μm～13μm 波段范圍，可以實現(xiàn)吸收率從94.93%到9.19%的有效調(diào)控。此外，基于干涉效應(yīng)該結(jié)構(gòu)具有可見光調(diào)控能力，同時實現(xiàn)紅外-可見光兼容隱身。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了應(yīng)用于紅外隱身技術(shù)的結(jié)構(gòu)與材料的最新發(fā)展動態(tài)。將其分為固定發(fā)射率材料和可變發(fā)射率材料分別進行了介紹。對幾種未來最具發(fā)展?jié)摿Φ募t外熱隱身技術(shù)總結(jié)如下：

1）第一種方法是溫度響應(yīng)的紅外隱身技術(shù)，提高紅外隱身材料的環(huán)境動態(tài)適應(yīng)性。例如相變材料，常見的有VO2和GST，但其相變溫度不同且相變溫度窄。未來應(yīng)積極探索具有寬相變溫度的其他PCM 或分層PCM 復(fù)合材料，以增強紅外隱身材料的適用性。

2）第二種方法是開發(fā)具有光譜選擇性的紅外隱身材料并重視其散熱能力。本文介紹的量子阱和電致變色等都具有光譜選擇性；超表面、光子晶體等具有實現(xiàn)高溫目標快速散熱的能力。

3）第三種方法是多光譜偽裝技術(shù)，例如在紅外和微波波長范圍內(nèi)、在紅外和可見光波長范圍內(nèi)，甚至在全波長范圍內(nèi)的偽裝技術(shù)。在當今復(fù)合探測技術(shù)發(fā)展迅速的背景下，多光譜偽裝能更好地實現(xiàn)實用的偽裝性能。

綜上所述，紅外隱身技術(shù)和紅外隱身材料還具有巨大的發(fā)展空間。雖然偽裝技術(shù)和探測技術(shù)在發(fā)展過程中相互競爭已成為共識，但紅外隱身技術(shù)卻始終落后于探測技術(shù)。為了改變這一現(xiàn)狀，我們需要熱學(xué)、物理、光學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、材料等多學(xué)科的相互作用，共同努力，才能制備出在復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)有效紅外隱身的材料或裝置。