基于發射率控制的紅外隱身技術研究進展*

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備的廣泛應用，軍事設施生存、個人隱私安全、商業機密保護等受到嚴重威脅［1］。紅外隱身技術因其在軍事、科技與商業方面的價值成為了世界各國廣泛關注的研究重點［2］。紅外隱身技術就是通過屏蔽熱能、溫度抑制、涂覆低發射率涂料、調節物質表面發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，降低被紅外探測設備識別的概率。傳統紅外隱身技術普遍使用低發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以及復合探測技術的廣泛應用，單純降低目標物體的紅外發射率或者抑制溫度，已不能達到在復雜環境下紅外隱身的目的，所以研究新型紅外隱身技術具有重要的科學和實用意義。

2 紅外隱身機理

任何物質，溫度只要不是絕對零度必然會產生波長為0.76μm～1000μm的紅外輻射［5］，而由于大氣中廣泛存在的H2O、CO2、O3分子和懸浮物質等會對紅外輻射產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，“ε”為物體發射率，T 為物體絕對溫度。由于發射率是表面狀態的函數，與物質大小尺寸等無關，由此可知，有效實現紅外隱身的手段就是調節目標表面發射率和控制目標表面溫度。

3 紅外隱身材料

調節目標表面發射率實現紅外隱身的方法又稱發射率控制技術，按照是否可以動態調控目標表面的發射率可分為固定發射率紅外隱身技術和可變發射率紅外隱身技術。近年來，隨著微納米光子學及新材料的高速發展，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，都可以很好地實現目標表面紅外輻射的有效調控。

3.1 固定發射率紅外隱身技術

固定發射率紅外隱身技術比較常見的是制備具有較低紅外發射率的涂料、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點［9～10］。但傳統低紅外發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］，此外全波段的低發射率也會導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，多種新材料被開發應用，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域的應用。

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，同時具有低發射率和低反射率特性。只有超材料（metamaterials）能實現這一光譜調控目標。超材料是一種人為設計的將亞波長尺度的單元進行人工排布的功能導向型材料，通過調整單元參數和排布方式實現對電磁波相位、極化方式、傳播模式等特征的調控，從而得到傳統材料不具備的物理特性［11］。超表面就是超材料的二維應用，利用以上原理，使用由精心設計的亞波長尺度結構組成的極薄板或覆膜等來局部調整材料表面電磁響應，同步實現低發射率和低反射率。

Xie［11］等利用等離子體金屬材料低發射率特性設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低發射率和低反射率。超表面的低發射率是由全金屬結構提供的，低反射則是使用相位梯度法制備反射率各向異性的結構來實現的。并且，全金屬結構超表面的優勢在于具有良好的機械強度、柔韌性和延展性等，這些都為工程應用提供了良好基礎。

Gao［12］等提出一種基于等離子吸收結構（PAS）的超寬頻雷達-紅外兼容隱身超表面，通過理論分析和數學建模等方法設計了上層為紅外低發射層（IRSL）下層為雷達吸波層（RAL）的晶胞結構，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射率進行了仿真計算，仿真結果表明該結構在大氣紅外窗口平均發射率僅為0.3。通過實驗表征進一步研究了材料特性，實驗結果表明設計制備的超表面與仿真結果高度一致。徐翠蓮［14］等同樣采用上層IRSL 和下層RAL 結構方式，使用光學透明材料ITO 和聚對二苯二甲酸二醇酯（PET）設計了一種超寬頻段雷達-紅外-可見光兼容隱身超表面。研究結果表明，該材料在3μm～14 μm 紅外波段發射率保持較低水平，并且驗證了方阻越大越不利于發射率減小，在方阻為6Ω/sq 時，超表面發射率約為0.46，測試結果如圖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整超表面隱身能力。

圖1 不同方阻IRSL 紅外發射率的測試結果［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上是一種在光學尺度上具有周期性結構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，即可在頻譜上產生“禁帶”。光子晶體通過尺寸和結構設計，理論上可以在3μm～5μm 和8μm～14μm 波段實現低發射率，同時在其他波段得到高發射率。即可實現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構的理論設計，并進行實驗研究。研究結果表明，由交替的ZnSe 同質層和Au 層制成的光子晶體可以在紅外波段定制材料的發射光譜。尤其發現該光子晶體在7.9μm 波段處達到最高發射率，為實現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構和三維木堆結構，通過優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制。

Dang［18］等利用電介質/金屬/電介質（D/M/D）結構制備了具有二維周期性孔徑陣列ZnO/Ag/ZnO 薄膜，如圖2所示。研究結果表明，該D/M/D 結構材料在3μm～5μm、8μm～14μm 波段具有低發射率，在5μm～8μm 具有高發射率，實現了在紅外大氣窗口的低發射率，非大氣窗口的高發射率。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了可見光-紅外兼容隱身能力。

3.2 可變發射率紅外隱身技術

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

3.2.1 量子阱

近年來利用外部電場對熱輻射實現有效調控取得了長足的進步，其中關于量子阱（QW）的研究應用很多。QW 是指由兩種不同的半導體材料相間排列形成的、具有明顯量子限制效應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具有二維自由度，在垂直方向上導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節電子密度來控制［23］。

Takuya Inoue 等［24］展示了n 型GaAs/Al0.3Ga0.7As QWs材料表面發射率的動態控制，其響應速度比傳統調控方法快四個數量級。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生光吸收，并通過光子晶體板中的光學諧振模式使其得到增強。通過控制光吸收（吸收率）來動態控制熱發射率，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構。利用光子晶體板的面內共振，實現與子帶間躍遷的有效光耦合，以實現更高峰值的吸收率。表面發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，其價態和化學組分會發生可逆的變化，因而材料發射率能夠產生循環變化［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］首次發現具有電致變色效應的WO3薄膜。到2001年，Hutchins等［28］就將WO3應用于紅外反射調制。武等［29］研究了具有法布里-鉑羅（F-P）空腔結構的多彩氧化鎢薄膜。其在外加偏壓條件下，對可見-中紅外波段的反射率調節能力較好，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。該器件的動態發射率在12μm 波段可以從0.2 變為0.65。然而，柵電極的制作復雜且價格昂貴，而且紅外透射率高的電極不易獲得，意味著這種金柵結構電極不適合大規模制備。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構。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 范圍內的發射率可從0.39變化到0.79。到2020年，Lu 等［32］通過電化學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。根據波動光學原理，建立了電致變色層的簡單模型，如圖4所示。通過模型和檢測數據分析，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 波段中的紅外發射率調節闊度值提高到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）是指物質在轉變性質過程中以潛熱形式儲存或釋放能量的材料。因其出色的熱調控能力在紅外隱身材料制備應用等領域前景廣闊。另外相變材料在物相轉變后，其電學、光學等特征隨之變化，因此也被用于可變發射率材料的制備。

二氧化釩（VO2）是典型的具有相變性質的金屬氧化物，在溫度相對較低時具有單斜紅石相（M 相）結構，表現出絕緣體性質，在68℃的溫度下由絕緣體相變為金屬，具有四方金紅石相（R 相）結構［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，表面厚度約600nm 的VO2薄膜相變前后的電阻率下降了4 個數量級，7.5μm～14μm 波段的紅外發射率降低了0.6，發射率不到0.3，表明VO2薄膜可以對紅外發射率進行有效調控。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℃調整為一個寬約50℃的相變溫度區間［35］。Zhao［36］等提出了一種能夠同時進行發射率調控和輻射冷卻的熱致變色頻率選擇發射器（TFSE），如圖5（a）。發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 的發射率從0.41 變化到0.11。由圖5（b）看出發射器在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，在自適應紅外隱身技術的應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射器的示意圖；（b）TFSE在293K～348K溫度范圍內連續加熱的光譜發射率［36］

此外Ge2Sb2Te5（GST）等相變材料在紅外隱身領域的應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和晶態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射率進行連續調控的材料。到了2018年，其同課題組的Qu［38］設計出了一種包含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°區間，背景溫度從30℃到50℃區間的隱身情況，實驗結果表明目標可以在較大范圍觀察角、30°C到50°C的背景溫度下實現連續近乎完美的紅外隱身。黎思睿［37］等利用GST 材料晶態和非晶態不同屬性，制備了具有多光譜可調功能的單一多層膜結構，結果表明該結構在8μm～13μm 波段范圍，可以實現吸收率從94.93%到9.19%的有效調控。此外，基于干涉效應該結構具有可見光調控能力，同時實現紅外-可見光兼容隱身。

4 結語

本文總結了應用于紅外隱身技術的結構與材料的最新發展動態。將其分為固定發射率材料和可變發射率材料分別進行了介紹。對幾種未來最具發展潛力的紅外熱隱身技術總結如下：

1）第一種方法是溫度響應的紅外隱身技術，提高紅外隱身材料的環境動態適應性。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。未來應積極探索具有寬相變溫度的其他PCM 或分層PCM 復合材料，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，例如在紅外和微波波長范圍內、在紅外和可見光波長范圍內，甚至在全波長范圍內的偽裝技術。在當今復合探測技術發展迅速的背景下，多光譜偽裝能更好地實現實用的偽裝性能。

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