紅外隱身防護材料研究進展

許毅輝，賈凌杰，賈賢補，陳爾余

紅外隱身防護材料研究進展

許毅輝，賈凌杰，賈賢補，陳爾余

（武警士官學校，杭州 310000）

綜述近年來國內外先進的紅外隱身防護材料技術的研究進展，并對紅外隱身材料的未來進行展望。從紅外探測技術與紅外隱身原理出發，著重介紹低發射率材料、控溫材料、新型智能紅外隱身材料以及協同復合材料等一系列有優異性能的材料。紅外隱身可通過降低物體表面溫度及降低物體表面輻射率來實現，依據這兩方面原理研制的紅外隱身防護材料具有良好的隱身效果。不同種類的紅外隱身材料具有不同的特點，已廣泛運用于軍事裝備、織物等方面，但依然存在一些不足，未來要針對不同應用環境要求進一步優化，以期滿足現代化戰爭需求。

紅外隱身；低發射率材料；控溫材料；復合材料

現代戰爭逐漸向著信息化、智能化發展，隨著探測技術與傳感技術的迅猛發展，紅外探測裝置的精確度與分辨率也不斷提高[1]。人員信息很容易被紅外探測設備所偵察，戰士在戰場中面臨的安全問題也越發凸顯。隱身技術是用來對抗探測技術的手段。紅外隱身技術是通過減少目標的紅外輻射特征來應對紅外波段工作的各種探測器。為實現紅外隱身，有效降低目標被紅外發現的概率，可以通過涂覆低發射率材料、用低發射率材料遮擋物體等方式來減少物體紅外輻射量[2]。為適應軍事發展需要，紅外隱身技術尤其是材料方面一直是各國軍事研究重點。美國早在20世紀60年代就開始對紅外隱身材料進行研究，其技術水平目前處于世界領先地位，而我國從20世紀70年代末才對紅外隱身材料展開研究，起步相對較晚。本文從材料種類出發，綜述近年來國內外先進的紅外隱身防護材料技術的研究進展，并對紅外隱身材料的未來進行展望。

1 紅外隱身技術

1.1 紅外探測

人和物體無時無刻不在向外界輻射紅外能量，也就是紅外線。紅外線在空氣中傳播時，會遇到水分子、二氧化碳、一氧化氮等極性分子以及固體顆粒物的阻礙，這些物質會對紅外線進行一定程度的吸收和散射，因此紅外射線在空氣中傳播時會發生能量衰減。波長在0.76～2.6 μm、3～5 μm以及8～14 μm這3種波段內的紅外線在空氣中傳播時不受阻礙，這幾個波段通常被稱作“大氣窗口”，可以通過紅外探測設備進行探測[3-4]。其中8～14 μm波段主要應用于熱成像系統，3～5 μm波段主要應用于紅外制導技術。

紅外熱成像儀探測原理為通過獲取物體的紅外輻射，再與環境的紅外輻射進行對比，從而實現對物體的探測。物體向外發射紅外輻射，探測儀將其接收，再通過計算換算成人眼能夠識別的圖像信息[5]，即在顯示屏上將物體表面每個點賦予不同顏色，顏色深淺由物體表面溫度決定。人眼根據物體與周圍環境所呈現出不同的顏色差異來鎖定目標。紅外熱成像儀因其識別精度高、抗干擾能力強、反應速度快等優點，在軍事偵察領域應用廣泛[6]。

1.2 紅外隱身原理

當目標物體與周圍環境所發出的紅外輻射相近時，紅外探測儀不易區分目標與環境，可達到紅外隱身效果。物體的紅外輻射強度遵循斯蒂芬–玻爾茲曼定律[7]，見式（1）。

式中：為物體表面的紅外發射率；為斯特藩常量；為絕對溫度。

由式（1）可知，物體表面溫度、輻射率越高，物體的紅外輻射強度就越高。在物體溫度較低時，表面紅外輻射率對輻射強度影響占主導，而當物體表面溫度較高時，表面溫度對輻射強度影響占主導。想要實現紅外隱身，可以從以下方面進行考慮：改變物體的紅外發射率；將物體的表面溫度改變至與周圍環境接近；在物體輻射紅外線的途徑中進行阻隔，使其在傳播途徑中發生吸收或散射。目前紅外隱身材料大多依據前2點來進行研制，通過在物體表面涂覆低發射率涂層來降低物體表面的紅外輻射率，或者采用吸熱、隔熱材料將物體包裹，降低物體與環境的紅外輻射溫度差。

2 低發射率紅外隱身材料

2.1 低發射率涂層

選用低發射率涂層材料涂覆在物體表面，可以有效地降低目標紅外輻射強度。涂層通常由黏合劑和低發射率填料（如金屬、半導體等）組成。較多選用金屬粉末作為涂層填料是因為許多金屬在紅外波段所表現出的發射率極低，如銅、銀、金、鋁、鉑、鎳等，在不同溫度下這些金屬的紅外發射率見表1。綜合考慮成本問題，目前填料選用鋁粉和銅粉較多。

表1 不同溫度下常見金屬的紅外發射率[8]

Tab.1 Infrared emissivity of common metal at different temperature[8]

Shi等[9]制備了聚氨酯/鋁粉復合涂層，涂敷于超材料吸波器表面，研究鋁粉含量及漂浮率對8～14 μm波段紅外發射率的影響。當鋁粉質量為總質量的五分之一、漂浮率約為90%時，涂有該涂層的超材料吸波器的紅外發射率從0.65大幅降至0.204，同時仍能保持良好的吸波性能。He等[10]利用石墨烯表面改性的片狀鋁絡合粉末作為填料，制備了一種低紅外發射率涂層，在8～14 μm紅外波段的發射率能夠保持在0.238～0.247，質量分數為40%的涂層且經過500 h鹽霧試驗仍能保持其外觀。Zhao等[11]以聚硅氧烷樹脂為黏合劑，片狀鋁為顏料合成出一種耐高溫的低發射率涂層，當顏基比為1.0時，涂層可以在600 ℃下保持完好且紅外發射率低至0.27。Zhang等[12]以環氧樹脂為基體，片狀鋁粉為功能顏料，硅烷偶聯劑和鄰苯二甲酸二辛酯為改性劑，制備出耐鹽且力學性能良好的低紅外發射率涂層。當鋁粉質量分數為50%、添加劑質量分數為7%時，紅外反射率為0.053。

金屬由于其較低的紅外發射率能夠作為填料制備涂層，但是也存在一些不足。首先，金屬材料耐高溫性能不強，普遍工作環境溫度為600～800 ℃，在更高溫度環境下不能長時間工作[13]。其次金屬本身的高反射率使得制備的涂層反而更易被雷達發現。摻雜半導體材料可以通過調整材料中各組分含量對紅外發射率進行調控，從而實現雷達/紅外雙重隱形。例如摻錫氧化銦（ITO）[14]為典型的摻雜半導體材料，其對紅外的反射率大于70%，透光率大于95%，可實現兼容隱身。除此以外還有摻鋁氧化鋅（ZAO）[15]、摻銻氧化錫（ATO）[16]等，因此，選用摻雜半導體材料作為填料制備的低紅外發射率涂層應用領域較為廣泛。

Zhou等[17]制備了摻鋁氧化鋅（AZO）和靜電碳纖維雜化顏料增強的復合涂料，制備流程示意圖如圖1所示。研究AZO中Al的摻雜比例對發射率的影響可得，摻雜了體積分數為7%的AZO的復合涂層的紅外發射率最低，且該涂層還具有靜電耗散性能。Wang等[18]選用CeO2半導體作為填料，用不同質量分數的聚乙二醇（PEG 400）進行改性，制備出一種具有耐高溫性能的低紅外發射率涂層。在600 ℃下，含有質量分數為5%的PEG 400的涂層的最小發射率達0.348。Wu等[19]采用兩步微波輔助胺化工藝制得殼聚糖改性MoSe2半導體材料，在8～14 μm紅外波段具有80%左右的紅外反射率，可以將物體70 ℃的輻射溫度降至28 ℃。

圖1 ATO及復合涂層制備流程示意圖[17]

Fig.1 Schematic diagram of the preparation process of AZO and composite coating[17]

2.2 低發射率纖維和薄膜

低紅外發射率的纖維膜具有柔韌輕便的特點，在紅外隱身領域有著廣泛的應用。低紅外發射率纖維可通過靜電紡絲以及熔融紡絲等方法制得，具體方法是在紡絲液中加入導電金屬粉體、碳基材料粉體等制備[20]。利用金屬或碳基材料對紅外進行吸收和反射，達到紅外隱身效果。

Fang等[21]利用靜電紡絲方法制備了單壁碳納米管修飾的聚偏氟乙烯纖維膜，再利用金納米顆粒對其進行修飾，在2～22 μm紅外波段的紅外發射率為0.68。汪心坤等[22]成功合成出多壁碳納米管/ Zn0.96Co0.04O纖維，當多壁碳納米管質量分數為6%時，發射率低至0.61，該纖維還具有紅外、雷達兼容的隱身效果。Lyu等[23]制備出柔性可折疊的凱夫拉納米纖維氣凝膠膜，并與聚乙二醇復合，制得的復合膜具有優異的隔熱和紅外隱身性能。Zhang等[24]在聚對苯二甲酸乙二醇酯表面磁控濺射ITO并噴涂MXene納米涂層，制備出的復合膜具有優異的力學性能以及紅外隱身性能。Xia等[25]結合熱處理工藝用靜電紡絲法制得Sn0.84Sm0.08Sb0.08O2微納米纖維。結果表明該纖維在3～5 μm和8～14 μm 2個波段的紅外發射率分別為0.573和0.691，具有良好的紅外隱身效果，同時該纖維兼具激光隱身性能。汪心坤等[26]通過靜電紡絲技術結合熱處理制備了Zn1?xCeO納米纖維，結果表明紅外發射率隨Ce3+摻雜量升高而先減小后升高，且當=0.04時具有最低的發射率為0.78，該納米纖維有望成為良好的紅外隱身材料。

3 控溫材料

根據紅外輻射強度公式可知，實現紅外隱身除了可以通過降低物體紅外輻射率，還可以通過控制物體表面溫度實現。控制物體表面溫度又稱熱抑制法，可以利用隔熱材料、相變材料等來控制物體表面溫度，減少目標的紅外輻射強度，實現紅外隱身目的。

3.1 隔熱材料

隔熱材料通常是利用低熱導率材料對目標物體進行包裹或涂覆，從而對物體散發出的熱量進行隔絕，實現紅外隱身效果。常見隔熱材料有中空纖維[27]、中空微珠[28-29]、SiO2氣凝膠[30-31]等。中空微珠的粒徑通常在幾微米到一百微米之間，具有空心或多層結構，因其質量輕，化學穩定性強、導熱系數低等特點是優秀的保溫隔熱填料。SiO2氣凝膠是一種擁有三維網狀空間結構的多孔納米材料，具有高孔隙率和比表面積，是體積密度極低、導熱率極小的材料之一[32]。

Xu等[33]通過聚苯胺（PANI）的原位聚合法，再利用化學鍍銀法制備了鍍銀的中空玻璃微球，再制備成涂層涂覆于織物表面。在低紅外輻射的加熱下，織物表面的溫度僅略微升高，屏蔽效果可以達26.8 dB。結果表明該材料具有出色的屏蔽熱輻射和紅外隱身性能。Zhou等[34]通過聚苯胺的原位聚合制備摻雜ZnO納米顆粒的中空玻璃微球，將所得的物質涂覆于沉積Ag的纖維素織物上。采用紅外熱成像儀評估其紅外隱身性能，在中空玻璃微球、ZnO納米粒子和Ag鏡面結構的協同作用下，織物表現出良好的紅外隱身性能以及抗電磁干擾能力。Lin等[35]將光學活性聚氨酯（OPU）和SiO2氣凝膠共混制備的涂層涂覆于織物上，得到了具有良好力學性能和熱防護性能的織物。與未涂敷的織物相比，保溫效果可相差4 ℃。程凱等[36]制備了具有疏水性能的SiO2氣凝膠，并與TiO2一起為填料制備隔熱涂層，結果表明涂有涂層的表面與未涂一面的溫差達到7.4 ℃。

3.2 相變控溫材料

相變材料因環境溫度變化發生相變過程中，對熱量進行釋放或儲存，可以使被保護物體表面溫度與周圍環境溫度保持一致[37]。在紅外隱身領域，相變材料應用較多的有2種，分別為固液相變材料和固固相變材料。

固液相變材料的應用主要是微膠囊相變材料[38]，內部被包裹的相變材料稱為囊芯，外部成膜材料稱為壁材。當物體表面散發熱量時，外部壁材保持固態不變，內部的相變材料會因相轉變吸收熱量，控制物體溫度，實現紅外隱身。微膠囊相變材料的制備方法包括：界面聚合法、原位聚合法和復合凝聚法[39]。Xu等[40]用石蠟和脲醛樹脂制備了一種相變微膠囊材料，可有效降低涂覆織物溫度5～10 ℃。Gu等[41]以二十烷為芯材，三聚氰胺、尿素和甲醛為壁材制備微膠囊，再將聚苯胺沉積在微膠囊表面，制備出了具有低紅外發射率的雙殼微膠囊（Double-Shell Microcapsules, DSM）材料，制備流程如圖2所示。將雙殼微膠囊涂覆在滌綸織物上，其紅外發射率為0.794，與未處理織物相比，該織物可降溫11.2 ℃，并可持續27 min。Ke等[42]以硬脂酸為芯材料，納米鐵摻雜碳酸鈣為壁材，制備微膠囊。研究結果表明，納米鐵的摻雜，能夠使紅外發射率降低約54.7%。

固固相變材料即晶相轉變材料，當外界溫度達到相變溫度，其晶格結構和光學性質會發生改變，從而有效調節紅外發射率[43]。最典型的材料為二氧化釩（VO2），二氧化釩在68 ℃附近會發生相變，結構從單斜晶向變為四方晶向，可以實現紅外從透射變為反射，因此這種能夠調控紅外發射率的相變材料在動態隱身領域應用廣泛。Xiao等[44]將二氧化釩與石墨烯、碳納米管結合，制備出柔性納米級厚度的復合膜。只需通電加熱就能極大改變設備的發射率，實現主動隱身效果，且柔性特征能使各種不規則形狀物體實現隱身，應用前景廣闊。

4 新型智能紅外隱身材料

4.1 超材料

超材料是一種人工合成具有超常物理性質的復合材料，其特殊性質來源于人工設計的微結構，在電磁、通信、紅外隱身等領域有著廣泛的運用[45]。

光學超材料如光子晶體，其可以通過微結構的周期性變化來調控電磁波的傳播。周期性結構產生的光子禁帶對相應頻段的電磁波高反射，且能抑制其自發輻射[46]。光子晶體結合響應性材料能夠制備出具有自適應性的智能紅外隱身材料。Hurtado等[47]在微米級中空管制成的光子晶體陣列中合成了可熱控制的二氧化釩納米顆粒，通過溫度調節二氧化釩的相變和折射率來改變光子禁帶的寬度，制得可溫度調控的自適應紅外隱身材料。Yang等[48]通過包覆和自組裝制得SiO2@ZnO非晶光子晶體，其中ZnO的加入是用于降低材料在3～5 μm波段的紅外發射率。該團隊研究了SiO2粒徑和ZnO附著量對紅外性能的影響，結果表明當SiO2尺寸為250 nm、SiO2/ZnO質量比為1∶4時，材料的紅外發射率為0.236且顏色為淺綠色，可用于紅外隱身以及在綠色植被中的偽裝。

圖2 雙殼微膠囊以及紅外隱身織物的制備原理圖[41]

Fig.2 Schematic diagram of preparation of DSMs and infraredstealth fabric[41]

熱學超材料作為超材料家族的一大分支，是人工合成具有各向異性、非均一性的結構特點的材料，與自然界中的均質材料相比在熱學方面展現出特別的性能。通過人工結構設計可以實現熱導系數按需分布，屏蔽物體溫度場來實現紅外隱身[49]。Xu等[50]利用一種半透明液體和可控微磁性粒子組成了可重構的兩相熱超材料可以進行熱場操縱。通過改變粒子的分布可以有效地影響熱傳遞，有望應用于紅外隱身領域。超材料因其特殊的光學或者熱學性能為紅外隱身材料的設計提供了新思路，但其對材料結構控制的要求相對較高，目前來看實現大規模生產的難度較大。

4.2 紅外隱身仿生材料

受自然界中眾多“偽裝大師”的啟發，在隱身領域，仿生材料也是當前研究熱點之一[51]。例如許多生物可以通過色素細胞等改變自身顏色，在1 s內就可融入周圍環境，達到隱身效果。Xu等[52]受烏賊啟發，研發出一種具有自適應紅外反射性質的材料，可以在機械力和電刺激下，改變介電彈性體膜的厚度和面積，就如同烏賊皮膚上的色素細胞可通過伸縮來吸收和反射光一樣，改變調節材料的紅外反射特性，且過程可逆。借助溫度傳感器實現自動調節，當溫度升高，電壓改變，材料會變的更大更平，紅外反射增加。許多動物得益于其毛發的特殊結構，可以生活在極其寒冷的區域，并展現出極佳的保溫性能。Cui等[53]受北極熊毛的啟發，利用“冷凍紡絲法”研制出一種新型的具有多孔結構的隔熱纖維（流程示意圖如圖3所示）。該織物可以使物體在紅外熱成像儀下實現隱身。同時當摻雜碳納米管等電熱材料時，該織物還可以作為可穿戴的加熱器，在保持其柔軟多孔性的同時，可誘導快速熱響應。

5 協同復合材料

為實現高效的紅外隱身，單一的改變紅外發射率或者控制溫度都具有一定的局限性，協同利用低發射率材料和控溫法可以更加有效地實現紅外隱身。目前的策略通常是將控溫材料、低發射率材料或者是超材料復合形成更高效的紅外隱身材料。

Xu等[54]設計了一種具有良好隔熱性能的夾層，再在織物表面涂覆低發射率材料（ZAO），該織物紅外發射率為0.50，導熱率為0.013 W/(m·K)，具有十分優異的紅外隱身性能。Ma等[55]設計了一種具有夾層結構的復合織物，其中鋁箔（AF）用于低發射率層、空心玻璃微球（HGMs@Y2O3,）為隔熱層，該織物屏蔽加熱物體（62.8 ℃）后被紅外熱成像儀測到的溫度僅為32.4 ℃，具有優異的紅外偽裝效果。Gu等[56]設計了一種紅外隱形織物，如圖4所示，該織物由化學鍍銀織物和相變材料涂層組成。化學鍍銀可以將紅外發射率降低到0.692（1～22 μm）、0.687（8～14 μm）和0.655（3～5 μm），相變材料涂層提供的相變潛熱可以進一步降低溫度。測量結果表明，相變材料涂層可以在65 ℃的熱板上與未經處理的織物產生的最大實際溫差為21.6 ℃，并將表面實際溫度保持在38 ℃以下，最多可持續300 s。紅外攝像機圖像顯示，與未經處理的織物相比，制備的紅外隱形織物具有顯著屏蔽或干擾目標的紅外熱特征，具有很大的實際應用潛力。Quan等[57]提出了一種用于可調諧紅外隱身和偽裝的相變超材料，并進行了數值研究。該超材料將耐高溫金屬Mo與相變材料Ge2Sb2Te5（GST）相結合，通過GST的相變過程可以在紅外隱身和非隱身狀態之間切換。該材料采用簡單的多層結構，可以大規模制造。

圖3 “冷凍紡絲”流程示意圖[53]

圖4 紅外隱身協同復合材料[56]

6 紅外隱身材料在軍事裝備中的應用

紅外隱身材料在飛機、裝甲車輛和艦艇等軍事目標上也有著廣泛的應用。利用低發射率涂層、薄膜或者借助隔熱材料、吸熱材料以及光子晶體等，可以實現裝備對紅外的隱身。

美國戰機上已使用低發射率紅外隱身涂層，戰機尾噴管上也采用特殊涂層來降低紅外特征信號[58]。美國隱身轟炸機機體采用50%～60%的新型降溫隔熱復合材料達到紅外隱身目的。法國、德國和俄羅斯等國也研制具有防腐蝕能力強、低紅外發射率的隱身涂料，涂料最終形成的涂層僅使蒙皮厚度增加幾毫米，且適用于任何材料及結構[59]。某飛機發動機在渦輪葉片上采用低紅外發射率材料，其發射率由0.9降到0.2，整個腔體和噴流的紅外輻射強度降低了25%以上[60]。對于坦克裝甲車等地面裝備，通常可利用能顯著降低目標溫度的泡沫保溫材料和硅橡膠對表面進行隔熱。艦艇上的發熱部分也可以使用熱絕緣材料和玻璃鋼排氣煙囪減少紅外特征信號。美國研究人員設計出一種厚度小于1 mm的紅外隱身材料，該材料對中、長波具有極強的吸收能力，可讓坦克、裝甲車等地面裝備實現紅外隱身[61]，如圖5所示，在該隱身材料中融合電熱元件甚至能達到欺騙紅外探測器的效果。劉彪等[62]設計一種光子晶體薄膜用于裝甲車在中、遠紅外下的隱身，將薄膜完整地貼附在裝甲車引擎蓋表面，可抑制引擎艙向外發出紅外輻射，使裝甲車與周圍背景相融合，達到紅外隱身的目的。

圖5 紅外隱身材料的熱成像圖[61]

7 結語

紅外隱身材料主要包括低發射率材料、控溫材料以及近年來較為熱門的智能型紅外隱身材料，已廣泛應用于織物、軍事裝備等領域。低發射率材料是紅外隱身材料最主要的研究領域，具有使用方便、施工工藝簡單、成本低廉等特點，但也存在易腐蝕、密度大且難加工的不足。控溫材料主要包括各種隔熱材料和相變材料，具有應用方便、形式多樣、兼容性好等優點，但也存在隔熱材料厚度較大，相變材料使用溫度相對較低的缺點。新型智能紅外隱身材料代表了紅外隱身材料技術研究的最先進方向，通常具有對外感知、自我指令的特點，但制備工藝復雜、成本高。協調復合材料是未來紅外隱身材料發展的方向，紅外隱身更加高效，但合成難度大。

紅外隱身材料的發展仍需考慮以下幾點：面對日益復雜的作戰環境和極端條件，對紅外隱身材料的耐高熱、耐腐蝕和力學性能提出了更高的要求，研制耐高溫、抗沖擊、耐腐蝕的紅外隱身材料十分必要；單一波段的隱身技術不能應對飛速發展的探測技術，未來紅外隱身領域的研究重點為多波段兼容隱身技術，研發多波段兼容隱身材料以滿足現代化軍事發展需求。為更好地實現紅外隱身，紅外隱身材料應向控溫、低發射率以及超材料相結合的方向發展。

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Research Progress of Infrared Stealth Protection Materials

XU Yi-hui, JIA Ling-jie, JIA Xian-bu, CHEN Er-yu

(NCO, Academy of PAP, Hangzhou 310000, China)

The work aims to summarize the research progress of infrared stealth protection materials in China and abroad in recent years and prospect the future development. Based on infrared detection technology and infrared stealth principle, a series of materials with excellent performance, such as low emissivity materials, temperature control materials, cooperative composite materials and emerging materials, were introduced. Infrared stealth could be realized by reducing the surface temperature and emissivity of the object. The infrared stealth protection materials developed on the basis of these two aspects had good stealth effect. Different types of infrared stealth materials have different characteristics and have been widely used in military equipment, fabrics, and other fields. However, there are still some shortcomings. In the future, further optimization should be carried out according to different application environment requirements to meet the needs of modern warfare.

infrared stealth; low emissivity material; temperature control material; composite material

TB34；TN215

A

1001-3563(2023)09-0137-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.017

2023?04?21

許毅輝（1996—），男，本科。

陳爾余（1976—），男，博士。

責任編輯：曾鈺嬋