光譜選擇性輻射紅外隱身材料研究進展

王新飛, 劉東青*, 彭 亮, 程海峰

（1．國防科技大學 空天科學學院 新型陶瓷纖維及其復合材料重點實驗室，長沙 410073；2．復雜航空系統仿真重點實驗室，北京 100071）

彈道導彈、巡航導彈以及高超聲速飛行器等武器裝備由于飛行速度極快，在運動過程中尾焰、發動機噴管和蒙皮等熱源部位的紅外輻射特征顯著，受到紅外預警系統和紅外制導武器的威脅嚴重[1]。據報道，美國上一代“國防支援計劃”（DSP）衛星曾探測到前蘇聯、法、中、印、朝等國導彈發射信息1000余次[2]；2018年1月，隨著第4顆地球靜止軌道衛星的發射成功，美國的“天基紅外系統”（SBIRS）已全面部署完成，該系統與“空間跟蹤與監視系統”（STSS）相配合，實現了美國在全球范圍內導彈發射助推段的探測和預警以及飛行中段和再入段的識別與跟蹤[3]；當前，美國正在籌備開展的“下一代過頂持續紅外”（Next-Gen OPIR）預警衛星將采用超大面陣多波段紅外焦平面探測器，不僅能探測跟蹤彈道導彈等大型武器裝備的發射，還能實現小型地空導彈、空空導彈甚至各式高超聲速武器的探測和預警[2]。不斷發展的紅外探測技術與精確制導攔截技術相配合，對導彈、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嚴峻的挑戰[4-6]。

紅外隱身技術是指通過一定的手段降低或者改變目標的紅外輻射強度與特性，從而降低目標被發現、識別、跟蹤和攻擊的概率，是武器裝備生存和突防的關鍵技術之一[4-8]。針對飛行器尾噴管和蒙皮等紅外輻射信號強烈的部位，目前廣泛采用低發射率涂層材料來降低輻射強度[9-10]，從而實現紅外隱身的目的。然而，傳統的低發射率涂層材料通常在整個紅外波段具有低發射率特性，在降低紅外探測波段發射率的同時，極大地阻礙輻射散熱的效果，會造成實際溫度的升高，反而不利于目標整體紅外可探測性的降低。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。光譜選擇性輻射紅外隱身材料可以根據需要對自身的光譜特性進行調控，在減小探測波段紅外發射率的同時，利用非探測波段進行輻射散熱[11-12]，有效解決低發射率涂層材料在降低發射率和散熱問題上存在的矛盾，具有優異的紅外隱身性能，是當前紅外隱身領域研究的熱點。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構的研究現狀和進展，總結了現有體系的優點以及存在的問題。

1 光譜選擇性輻射紅外隱身原理

目標紅外輻射特性的強弱與輻射出射度的大小密切相關，根據斯蒂芬 · 玻爾茲曼定律，物體的輻射出射度可以通過式（1）計算：

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

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

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程中幾乎不會衰減，是紅外探測的主要波段，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波段[13]。傳統的低發射率涂層材料在整個紅外波段具有低發射率特征，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射率特性在降低目標紅外發射率的同時，會導致熱量難以被輻射擴散，造成目標溫度的升高。由式（1）可知，目標溫度的升高會導致輻射出射度的增加，削弱低發射率涂層材料降低輻射出射度的效果，反而增強目標的紅外信號，使其重新處于暴露的危險。

圖 1 大氣的紅外透過率光譜圖[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）具有低發射率，而在非窗口波段（5～8 μm）具有高發射率，可同時從降低溫度和降低發射率兩個角度實現輻射出射度的降低，達到紅外隱身的目的，理想的光譜選擇性輻射紅外隱身材料的發射率曲線如圖2所示[14]。選擇性輻射材料的應用有效避免了低發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，可以通過輻射散熱降低目標的溫度；同時，由于其輻射波段不在探測波段內，極大地降低了目標的可探測性。

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

2 研究現狀與進展

為同時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射率，而在5～8 μm波段的發射率則盡可能高。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。通過梳理光譜選擇性輻射紅外隱身材料的技術發展脈絡，我們認為光譜選擇性輻射紅外隱身材料的發展經歷了三個主要階段，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；隨著微納加工技術的發展，頻率選擇表面逐步由微波波段向紅外波段過渡，第二代光譜選擇性輻射紅外隱身材料應運而生；最近，有課題組進一步提出了由超薄金屬結合Fabry-Perot腔結構的光譜選擇性輻射紅外隱身材料，可歸于第三代。通過三代光譜選擇性輻射紅外隱身材料的發展，極大地推動了該技術的實用化進程。

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（或折射率）的介質材料在空間中周期性排列所形成的特殊結構，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]就分別發現了光子禁帶和局域光子效應，為光子晶體的研究奠定了理論基礎。光子禁帶效應是指通過調整晶格常數和介電常數比等參數，使得某些頻率范圍內電磁波的態密度消失，從而無法在光子晶體內部傳播的現象；而當在光子晶體的周期性結構中引入缺陷時，與缺陷態頻率范圍一致的電磁波則會被局域在缺陷位置，并在偏離時發生迅速衰減，這個缺陷被稱作光子局域或Anderson局域，光子禁帶和光子局域效應共同構成了光子晶體的兩大主要特性[17]。

根據介質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單、光譜選擇性好而得到廣泛應用，但它們通常只有一個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空間維度上實現全面的光譜調控，其光子禁帶較寬，并且耐高溫性能好[19]，具有廣闊的應用前景。

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構三維光子晶體，通過在蛋白石結構模板中熔融填充硫系玻璃Ge33As12Se55，并用HF溶液刻蝕去除模板，Aliev進一步獲得禁帶位于3～5 μm和8～12 μm兩個波段內的高孔隙率反蛋白石結構三維光子晶體，其反射率峰值可達65%以上，各種結構的反射率曲線如圖3所示。

雖然反蛋白石結構光子晶體的禁帶反射率高于蛋白石結構，但是其制備工藝較為復雜，在實際中難以推廣應用。張連超等[21]報道了一種操作簡易、成本低廉的優化垂直沉積法，將微米級SiO2微球自組裝獲得高質量的蛋白石結構光子晶體，該結構的禁帶位于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，進一步獲得了禁帶位于3.24～3.44 μm的蛋白石結構聚乙烯光子晶體[22-23]。

圖 4 垂直入射時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

通過控制微球的尺寸，容易獲得不同光子禁帶的蛋白石結構三維光子晶體，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，無法滿足選擇性輻射紅外隱身的要求，然而研究表明，通過構造異質結構可以實現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]采用傳輸矩陣法設計出由Te和PE兩種材料組成的一維光子晶體，并通過構造異質結構實現了光子禁帶的展寬，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99%以上。通過薄膜光學理論進行優化，該組將異質結構的禁帶進一步拓寬為2.91～5.12 μm和7.62～12.29 μm，反射率高達95%[26]，在兩個禁帶之間的5～8 μm波段范圍，光譜表現為振蕩的通帶，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 一維異質結構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]

利用光學鍍膜技術，Zhang等[27]成功在石英基底上制備出由Ge和ZnS構成的一維異質結構光子晶體薄膜，其結構示意圖和紅外發射率曲線如圖6所示。實驗結果顯示，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射率分別為0.046和0.190，而在5～8 μm非窗口波段的平均發射率為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，一維異質結構光子晶體也表現出良好的兼容性能。首先，光子晶體的介質材料通常在雷達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構和空白玻璃基板在2～18 GHz波段的透射率，結果發現二者的透射率曲線基本相同，這表明該光子晶體結構在整個雷達波段幾乎是透明的，通過與雷達吸波材料的結合，很容易實現紅外隱身與雷達隱身的兼容。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構，實現極窄頻率范圍的高吸收現象[29]，張繼魁等利用這一原理，通過在光子晶體的周期性結構中引入Ge和Si等缺陷層，先后實現了近中紅外波段與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，該課題組還通過疊加準周期結構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%，進一步實現紅外隱身與可見光隱身的一體化兼容[32-33]。

圖 6 一維異質結構Ge/ZnS光子晶體[27] （a）結構示意圖；（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 一維異質結構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，一維異質結構光子晶體能夠較好的實現中遠紅外雙波段的隱身，光譜選擇性較為明顯，通過與雷達吸波材料相結合，利用光譜挖孔原理以及準周期結構的疊加等方式，可以同時實現紅外、雷達、激光以及可見光隱身，多波段兼容隱身效果突出。然而，目前設計制備的一維異質結構光子晶體在5～8 μm波段的紅外特性多呈現不穩定震蕩的趨勢，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通常較多，工藝復雜且成本較高，不同介質材料之間熱膨脹系數的差異使得其在高溫下極易產生熱應力，膜層容易發生脫落而失效，這些都限制著它在實際中的推廣與應用。

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體諧振單元按照特定周期排列而成，對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計出“完美吸波體”結構，并通過理論和實驗驗證了該結構的選擇性吸波效果，為類似超材料吸波結構的研究奠定了基礎。Landy設計的超材料吸波體由金屬諧振層、中間介質層以及底部金屬層三部分構成，其結構如圖8所示。

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

圖 9 圓盤-圓環頻率選擇表面[35] （a），（b）1.54 μm和6.2 μm下的磁場分布俯視圖；（c）頻率選擇表面的紅外光譜曲線（實線）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）

通過改變形狀、尺寸以及距離等參數，表面金屬諧振單元可與特定頻率的電磁波發生諧振效應，降低該頻率電磁波的反射率，令其盡可能多的進入介質層內，實現與自由空間的阻抗匹配；而利用結構單元的介質損耗和歐姆損耗，可令進入介質內部的電磁波能量迅速被轉化耗散，實現衰減匹配。通過阻抗匹配和衰減匹配的共同作用，頻率選擇表面可以實現對特定頻率電磁波的選擇性吸收，達到選擇性輻射紅外隱身的效果。

頻率選擇表面結構單元通常為目標電磁波的亞波長尺寸，由于加工工藝的限制，其早期主要針對微波波段，應用于雷達隱身，近幾年來，隨著電子束刻蝕、聚離子束刻蝕等微納加工工藝的發展，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。

Kim等[35]利用圓盤-圓環頻率選擇表面設計出一種金屬/介質/金屬選擇性輻射體，該輻射體由Ag和聚酰亞胺組成，它的磁場分布和光譜特性如圖9所示。由中心Ag圓盤產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，用于針對激光制導導彈的隱身；周圍Ag圓環產生的磁極化共振峰位于6.2 μm處，發射率極高，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92%以上，具有紅外信號抑制效果，可用于實現雙波段的紅外隱身。耐溫性仿真結果表明，其中遠紅外波段的輻射抑制效果在500 ℃時可保持90%以上，但他們的研究成果僅停留在理論層面，并未進行實際性能的測試。

Lee等[14]采用Au和ZnS兩種材料，設計制備出圓盤頻率選擇表面，其結構示意圖和表面SEM形貌如圖10（a），（b）所示。他們對不同圓盤直徑頻率選擇表面的發射率進行了計算模擬和實驗測試，兩者結果基本一致，如圖10（c）所示。此外，Lee等還建立了總體隱身性能指標，用于評價材料的紅外隱身效果。仿真結果顯示，在27 ℃和327 ℃溫度條件下，當金屬圓盤的直徑分別為1.49 μm和1.21 μm時，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）結構示意圖；（b）表面SEM形貌；（c）不同圓盤直徑下計算（實線）和實驗（虛線）得到的發射率/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合，設計出紅外/微波兼容隱身的分層超材料（HMM），結構如圖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），二者的結構單元如圖11（b），（c）所示。圖11（d）為ISE、MSA和HMM的光譜曲線，實驗結果顯示，該分層超材料在5～8 μm波段的紅外發射率比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強度分別降低了95%和99%，能夠同時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合了ISE和MSA的HMMs的組成和結構示意圖；（b）ISE的結構單元示意圖；（c）MSA的結構單元示意圖；（d）測量的ISE、MSA以及HMM的紅外發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等設計的頻率選擇表面在峰值處的吸收率接近于1，在探測波段的抑制效果高達90%以上，光譜選擇性比較明顯，并且很容易通過改變金屬結構單元的尺寸控制其光譜特性，可設計性能好，但是二者設計制備的頻率選擇表面均為單峰結構，吸收頻帶極窄，材料整體的輻射散熱效果仍然比較有限。為實現吸收頻帶的拓寬，可在一個區域內設置多個幾何形狀相同但尺寸不同的金屬諧振單元，通過調整單元的尺寸獲得不同的諧振頻率，從而實現多個相近吸收峰的疊加拓展[37]。

Xu等[38]通過在同一結構單元中設計四種不同尺寸的方形諧振單元，制備出一種對偏振不敏感的選擇性輻射體，實現了吸收頻帶的拓寬，其結構單元示意圖和模擬計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波段發射率低于0.06，同時，可以通過5.5～7.3 μm波段的寬頻吸收帶進行輻射散熱，降低目標的實際溫度。然而，由于材料介電常數模擬數據與實驗數據的偏差，以及實際制備過程中產生的缺陷等問題，樣品實驗測得的紅外吸收率較計算結果下降明顯，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構單元[38] （a）俯視圖；（b）側視圖；（c）模擬計算的紅外吸收/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/金屬結構外，利用全金屬的空腔結構也可以達到類似的選擇性輻射效果。Zhao等[39]利用圓形結構、凹槽和不同尺寸的長方體空腔結構，設計出一種全金屬的激光/紅外隱身兼容頻率選擇表面，其結構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具有很低的發射率，可有效抑制探測波段的紅外信號，而在2.709 μm和6.107 μm處的發射率幾乎為1，能夠補償由于探測波段低發射率造成的輻射散熱的減少。此外，該發射體在1.064 μm處幾乎是一個完全的吸收體，能夠實現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）結構示意圖；（b）紅外吸收/發射率曲線（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計性，可以通過結構單元的設計調整吸收頻帶位置和寬度，實現光譜選擇性輻射紅外隱身與激光隱身的兼容，通過不同尺寸頻率選擇表面的結合，實現紅外隱身與雷達隱身的兼容，是當前研究的熱點。然而，由于材料性能的差異以及缺陷的存在，實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，紅外波段光譜調控所需的結構單元尺寸很小（通常為微米級別），且結構復雜，使得實際的工藝成本較高，加工耗時極長，極大地限制了它的應用和推廣。

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大的屏蔽效應，阻止了其內部自由電子與電磁波的相互作用，通常表現出全波段的強反射特性[40]。然而研究表明，當金屬膜的厚度不斷減小，變為納米級的超薄金屬時，將沒有足夠的電荷來屏蔽振蕩的電磁波，其吸收率和發射率均會得到顯著的增強[41]，表現出一定的吸收和透過特性[42]，即超薄金屬的隧道效應。圖14模擬了電流點源放置于不同厚度Ag膜下的輻射特性的變化，當金屬Ag由厚膜變為1 nm的超薄薄膜時，電流電源的輻射特性得到了顯著的增強[40]。

圖 14 電流點源的輻射特性[40] （a）放置在半無限大的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與Fabry-Perot干涉儀的多光束干涉效應相結合，可設計出結構簡單、光譜選擇性能優異的Fabry-Perot腔選擇性輻射紅外隱身材料。該選擇性輻射結構通常由超薄金屬、介質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，電磁波可以透過表面進入介質層內部，而Fabry-Perot腔結構的存在，可令特定波長的電磁波在腔內形成穩定的振蕩，在反復的振蕩過程中，電磁波會被超薄金屬不斷地吸收，從而實現整個結構的選擇性輻射功能。

利用超薄金屬的隧道效應和阻抗匹配原理，國防科技大學劉東青等[11]采用電子束蒸發鍍膜技術設計制備出由保護層Ge、超薄金屬Ag、介質層Ge以及金屬層Ag四層膜結構組成的Fabry-Perot腔選擇性輻射紅外隱身材料。該組通過等離子體處理以及提高沉積速率的方式獲得了連續的超薄Ag膜[42]，最終制備的Ag/Ge體系Fabry-Perot腔的截面TEM形貌以及紅外發射率曲線如圖15所示。實驗結果顯示，該體系在3～5 μm和8～14 μm波段的發射率分別為0.18和0.31，而在5～8 μm波段的發射率高達0.82，較好地滿足了光譜選擇性輻射紅外隱身的需求。進一步的耐溫性測試表明，在200 ℃的高溫下，其仍然能保持自身優異的光譜選擇性能。

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

為了實際驗證Fabry-Perot腔選擇性輻射材料在紅外隱身中的優勢，劉東青等[11]比較了低發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間的變化以及達到穩態時在紅外熱像儀下的輻射溫度（即與目標輻射能量相同時黑體的實際溫度），如圖16所示。結果顯示，盡管在3～5 μm和8～14 μm波段不同材料的紅外發射率幾乎相同，但選擇性輻射體的輻射溫度明顯低于低發射率涂層材料，具有更優越的紅外隱身性能。

劉東青等[43]又將上述Fabry-Perot腔選擇性輻射結構改進為具有周期性圖案的Ag/Ge薄層，通過與雷達吸波功能層相結合，成功設計制備出一種選擇性紅外輻射與雷達吸波兼容的隱身材料。該結構在3～5 μm和8～14 μm波段具有低發射率，在5～8 μm波段具有高發射率，符合光譜選擇性輻射紅外隱身材料的要求，同時其在8.0 ～18.0 GHz具有低反射率，可用于實現雷達吸波隱身。此外，該組還通過調整膜層的厚度，實現了Fabry-Perot腔選擇性輻射結構向輻射制冷技術的推廣，設計制備出的選擇性輻射體在8～13 μm波段具有高發射率（0.84），而在5～8 μm和13～25 μm波段發射率分別為0.21和0.39，室外的溫度測試表明，該體系平均可以降低約3.5 ℃，在輻射制冷技術領域具有很好的應用潛能[44]。

圖 16 不同材料的表面平均輻射溫度隨加熱時間的變化和穩態紅外熱像圖[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構簡單，可通過介質層厚度的調整實現輻射曲線的控制，光譜選擇性和可設計性好，具有比低發射率涂層材料更好的紅外隱身性能。此外，通過先進的鍍膜系統，第三代光譜選擇性輻射紅外隱身材料可以實現在復雜構件上的成型制備，這使得其成為目前最貼近應用的選擇性輻射紅外隱身技術。然而，由于超薄金屬Ag膜在高溫下極易發生氧化，并且Ag和Ge膜層間熱膨脹系數的差異，實際制備的Fabry-Perot腔結構耐溫性能仍然十分有限，當前研究者們正在積極選擇具有應用潛力的高熔點金屬以及熱膨脹系數相近的介質材料，以提高Fabry-Perot腔選擇性輻射結構的耐高溫性能。

3 結束語

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腔三種結構。其中，以異質結構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，并能通過與雷達吸波材料結合、光譜挖孔技術以及準周期結構疊加的方式實現多波段隱身的兼容，但其在非窗口波段的光譜曲線不夠穩定，輻射散熱效果有待提高，此外，過多的膜層數對工藝的要求較高，也不利于其在高溫下的穩定；頻率選擇表面作為第二代光譜選擇性輻射紅外隱身材料，可以通過金屬諧振單元的設計實現吸收峰位置和寬度的調控，容易實現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，其實際性能較理論值還有較大的差距，微米級的結構尺寸和復雜的結構也給加工工藝帶來了巨大的困難；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調整層厚實現光譜特性的調控，具有比前兩代材料更優異的光譜選擇性能，其結構簡單，加工較為方便，是目前最具備實際應用潛力的材料體系。

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的差異，實際制備的Fabry-Perot腔結構耐溫性能仍然十分有限，未來應對其材料體系進行調整，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相匹配的介質層，從而提高整個Fabry-Perot腔結構的耐高溫性能。此外，隨著傳感器元器件水平和計算機技術迅速發展，紅外探測技術與雷達探測系統、激光探測系統以及可見光探測系統等交聯配合，日趨形成一個復雜化的多功能探測網絡[45-47]，可實施對軍事目標全方位、多領域的無死角探測。因此，單一的選擇性輻射紅外隱身材料難以應對實際中復雜戰場環境的隱身需求，必須與雷達波[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，才能達到真正的隱身效果。其中，紅外隱身與雷達隱身的兼容尤為重要，為此，可嘗試將Fabry-Perot腔結構中的超薄金屬膜層替換為其他介質吸收層，制備全介質型的第三代光譜選擇性輻射紅外隱身材料，通過與雷達吸波材料相結合，實現紅外和雷達兼容的一體化隱身效果。面對日趨復雜的戰場環境，武器裝備對紅外隱身材料提出了越來越高的性能需求，未來光譜選擇性輻射紅外隱身材料應該向著工藝更加簡單、高溫穩定性更強以及多波段兼容的實用方向繼續邁進。