基于发射率控制的红外隐身技术研究进展*

2023-10-10刘升华吴春光

舰船电子工程 2023年6期

刘升华吴春光

（92941部队葫芦岛 125000）

1 引言

随着高精度、远距离、高分辨率以及小型化且价格低廉的红外探测设备的广泛应用，军事设施生存、个人隐私安全、商业机密保护等受到严重威胁［1］。红外隐身技术因其在军事、科技与商业方面的价值成为了世界各国广泛关注的研究重点［2］。红外隐身技术就是通过屏蔽热能、温度抑制、涂覆低发射率涂料、调节物质表面发射率等手段改变或降低目标红外辐射特征，使目标与背景的红外辐射特征相近，降低被红外探测设备识别的概率。传统红外隐身技术普遍使用低发射率涂层或者抑制温度的方式来降低材料红外辐射特征［3～4］。但面对不断改进提高的红外探测技术以及复合探测技术的广泛应用，单纯降低目标物体的红外发射率或者抑制温度，已不能达到在复杂环境下红外隐身的目的，所以研究新型红外隐身技术具有重要的科学和实用意义。

2 红外隐身机理

任何物质，温度只要不是绝对零度必然会产生波长为0.76μm～1000μm的红外辐射［5］，而由于大气中广泛存在的H2O、CO2、O3分子和悬浮物质等会对红外辐射产生一定的选择性吸收和散射，红外辐射会在传播过程有相当程度的衰减，但某些波段红外辐射衰减较少，通常将这些衰减较少的波段区域称为“大气窗口”［6］。“大气窗口”主要分为近红外窗口、中红外窗口、远红外窗口、超远红外窗口，波段范围分别为0.75μm～2μm、3μm～5μm、8μm～14μm和50μm～1000μm，目前常用的红外探测设备主要在3μm～5μm 和8μm～14μm 波段工作［7］。由Stefan-Boltzmann定律［8］可知物体的红外辐射出射度：

W=σεT^4

其中“σ”为斯特潘—玻尔兹曼常数，“ε”为物体发射率，T 为物体绝对温度。由于发射率是表面状态的函数，与物质大小尺寸等无关，由此可知，有效实现红外隐身的手段就是调节目标表面发射率和控制目标表面温度。

3 红外隐身材料

调节目标表面发射率实现红外隐身的方法又称发射率控制技术，按照是否可以动态调控目标表面的发射率可分为固定发射率红外隐身技术和可变发射率红外隐身技术。近年来，随着微纳米光子学及新材料的高速发展，研究较多的有超表面、光子晶体、量子阱、电致变色材料、相变材料这几类，都可以很好地实现目标表面红外辐射的有效调控。

3.1 固定发射率红外隐身技术

固定发射率红外隐身技术比较常见的是制备具有较低红外发射率的涂料、薄膜等，其具有成本可控、工艺简单和对各种形状的目标表面适用性强等优点［9～10］。但传统低红外发射率材料普遍遵守基尔霍夫定律和能量守恒定律，具有高反射率［11］，此外全波段的低发射率也会导致目标无法通过辐射的方式迅速散热，造成材料表面温度升高，影响目标的隐身效果。为解决以上问题，多种新材料被开发应用，下面主要介绍超表面和光子晶体这两种材料在红外隐身领域的应用。

3.1.1 红外隐身超表面

正如前文所说普通材料无法摆脱基尔霍夫定律和能量守恒定律，同时具有低发射率和低反射率特性。只有超材料（metamaterials）能实现这一光谱调控目标。超材料是一种人为设计的将亚波长尺度的单元进行人工排布的功能导向型材料，通过调整单元参数和排布方式实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特征的调控，从而得到传统材料不具备的物理特性［11］。超表面就是超材料的二维应用，利用以上原理，使用由精心设计的亚波长尺度结构组成的极薄板或覆膜等来局部调整材料表面电磁响应，同步实现低发射率和低反射率。

Xie［11］等利用等离子体金属材料低发射率特性设计了由亚波长金属光栅组成的超表面。并在8μm～14μm的红外大气窗口中进行了实验表征，证明其可同时在宽频段和宽入射角条件下实现低发射率和低反射率。超表面的低发射率是由全金属结构提供的，低反射则是使用相位梯度法制备反射率各向异性的结构来实现的。并且，全金属结构超表面的优势在于具有良好的机械强度、柔韧性和延展性等，这些都为工程应用提供了良好基础。

Gao［12］等提出一种基于等离子吸收结构（PAS）的超宽频雷达-红外兼容隐身超表面，通过理论分析和数学建模等方法设计了上层为红外低发射层（IRSL）下层为雷达吸波层（RAL）的晶胞结构，并对不同添加率的氧化铟锡（ITO）等离子体超表面的雷达吸收率和红外发射率进行了仿真计算，仿真结果表明该结构在大气红外窗口平均发射率仅为0.3。通过实验表征进一步研究了材料特性，实验结果表明设计制备的超表面与仿真结果高度一致。徐翠莲［14］等同样采用上层IRSL 和下层RAL 结构方式，使用光学透明材料ITO 和聚对二苯二甲酸二醇酯（PET）设计了一种超宽频段雷达-红外-可见光兼容隐身超表面。研究结果表明，该材料在3μm～14 μm 红外波段发射率保持较低水平，并且验证了方阻越大越不利于发射率减小，在方阻为6Ω/sq 时，超表面发射率约为0.46，测试结果如图1所示，该材料在可见光频段也具有较高透射率，并且可以通过改变IRSL 层贴片厚度来灵活调整超表面隐身能力。

图1 不同方阻IRSL 红外发射率的测试结果［14］

3.1.2 光子晶体

1987年由Yablonovitch［13］和John［14］分别独立提出的光子晶体实质上是一种在光学尺度上具有周期性结构并具有光子带隙的一种超材料。光子带隙能阻止特定频段的电磁波传播，即可在频谱上产生“禁带”。光子晶体通过尺寸和结构设计，理论上可以在3μm～5μm 和8μm～14μm 波段实现低发射率，同时在其他波段得到高发射率。即可实现大气窗口的红外隐身，又可在非大气窗口做到有效散热［15］。

2005年S.Enoch 等［16］提出了一种逐层堆砌的光子晶体结构的理论设计，并进行实验研究。研究结果表明，由交替的ZnSe 同质层和Au 层制成的光子晶体可以在红外波段定制材料的发射光谱。尤其发现该光子晶体在7.9μm 波段处达到最高发射率，为实现红外隐身材料在非红外大气窗口的有效散热提供了思路。张连超［17］等使用微米级SiO2胶体球，采用逐层堆砌一维结构和三维木堆结构，通过优化的垂直沉积法制备了“禁带”在2.8μm～3.5μm、8μm～10μm 的蛋白石型光子晶体材料，对材料红外辐射特征进行了有效调制。

Dang［18］等利用电介质/金属/电介质（D/M/D）结构制备了具有二维周期性孔径阵列ZnO/Ag/ZnO 薄膜，如图2所示。研究结果表明，该D/M/D 结构材料在3μm～5μm、8μm～14μm 波段具有低发射率，在5μm～8μm 具有高发射率，实现了在红外大气窗口的低发射率，非大气窗口的高发射率。为了检验材料散热能力，分别选用制备的薄膜和铝膜覆盖SiO2，在相同的加热功率下，薄膜覆盖的SiO2温度低很多，证明其做到了有效散热。另外该材料在可见光波段具有高透射性，在具备良好散热性能的前提下实现了可见光-红外兼容隐身能力。

3.2 可变发射率红外隐身技术

上述通过不同材料实现的低红外发射率调控的发射率通常是固定的，即目标只能在相对固定的背景下进行隐身。在实际应用中，目标可能是移动的，或者背景温度随时可能会发生变化。因此，能对周围环境变化做出快速响应，可动态调节目标物体发射率的隐身技术是目前另一个研究热点。这种可变发射率红外隐身技术以适应更复杂多变的环境为研究目的，在未来军事实践的应用中具有良好发展前景［19～20］。下面我们就来介绍能实现动态红外隐身的几种结构与材料。

3.2.1 量子阱

近年来利用外部电场对热辐射实现有效调控取得了长足的进步，其中关于量子阱（QW）的研究应用很多。QW 是指由两种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。由于量子阱宽度（只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱）的限制，使得载流子只在与阱壁平行的平面内具有二维自由度，在垂直方向上导带和价带会分裂成子带。而子带间的能级差会使电子子带间跃迁产生光吸收［21～22］。子带间光吸收的幅度则可以通过外部电压调节电子密度来控制［23］。

Takuya Inoue 等［24］展示了n 型GaAs/Al0.3Ga0.7As QWs材料表面发射率的动态控制，其响应速度比传统调控方法快四个数量级。他们的方法是基于n型GaAs/Al0.3Ga0.7As QWs 中的电子子带间跃迁时产生光吸收，并通过光子晶体板中的光学谐振模式使其得到增强。通过控制光吸收（吸收率）来动态控制热发射率，装置示意图如图3（a）所示。该器件由一层n 型GaAs/Al0.3Ga0.7As QWs 组成，在上层GaAs层和量子阱层中引入三角形的气孔晶格，形成二维光子晶体平板结构。利用光子晶体板的面内共振，实现与子带间跃迁的有效光耦合，以实现更高峰值的吸收率。表面发射率的控制效果如图3（b）所示，在100℃下拍摄施加和未施加10V 反向偏压的装置的红外热图像。可以看出施加反向偏压后装置均匀地降低了从光子晶体板发射的热辐射强度。

图3 （a）量子阱装置的示意图；（b）该装置在100°C下有和没有反向偏压时的IR图像［24］

3.2.2 电致变色材料

电致变色材料是指在电场或电流的作用下，其价态和化学组分会发生可逆的变化，因而材料发射率能够产生循环变化［25～26］。电致变色材料主要有三氧化钨（WO3）、聚噻吩（PTh）和聚苯胺（PANI）及其衍生物等。1973年Deb 等［27］首次发现具有电致变色效应的WO3薄膜。到2001年，Hutchins等［28］就将WO3应用于红外反射调制。武等［29］研究了具有法布里-铂罗（F-P）空腔结构的多彩氧化钨薄膜。其在外加偏压条件下，对可见-中红外波段的反射率调节能力较好，具有较强的红外屏蔽能力。

另一种研究较多的电致变色材料为聚苯胺（PANI）。1999年，Topart 等［30］以樟脑磺酸为掺杂剂，在金栅红外透射电极上合成PANI薄膜，然后将PANI薄膜组装成固体红外电致变色器件。该器件的动态发射率在12μm 波段可以从0.2 变为0.65。然而，栅电极的制作复杂且价格昂贵，而且红外透射率高的电极不易获得，意味着这种金栅结构电极不适合大规模制备。后来，Chandrasekhar等［31］引入了镀金微孔尼龙过滤器作为柔性电极。多孔电极中的微孔可以为电解质离子提供进入电致变色层的途径，从而保证器件的运作。因此，多孔电极使电致变色层能够放置在器件的最外层，大大简化了器件的结构。这种基于多孔电极的电致变色装置使用PANI 和聚二苯胺共聚物作为电致变色材料，该装置在2.5μm～45μm 范围内的发射率可从0.39变化到0.79。到2020年，Lu 等［32］通过电化学沉积获得了基于各种多孔基材的聚苯胺（PANI）薄膜及其电致变色器件。根据波动光学原理，建立了电致变色层的简单模型，如图4所示。通过模型和检测数据分析，获得了一种基于PTFE-0.22μm 的电致变色器件，在3μm～5μm 波段和8μm～14μm 波段中的红外发射率调节阔度值提高到0.559和0.39。

图4 电致变色层模型［32］

3.2.3 相变材料

相变材料（PCM）是指物质在转变性质过程中以潜热形式储存或释放能量的材料。因其出色的热调控能力在红外隐身材料制备应用等领域前景广阔。另外相变材料在物相转变后，其电学、光学等特征随之变化，因此也被用于可变发射率材料的制备。

二氧化钒（VO2）是典型的具有相变性质的金属氧化物，在温度相对较低时具有单斜红石相（M 相）结构，表现出绝缘体性质，在68℃的温度下由绝缘体相变为金属，具有四方金红石相（R 相）结构［33］。Liu［34］等在石英衬底下利用溶胶-凝胶法制备了五氧化二钒（V2O5）薄膜，随后在不同退火条件下使用V2O5制备了纯VO2薄膜，通过实验测量了VO2薄膜的物理性质，表面厚度约600nm 的VO2薄膜相变前后的电阻率下降了4 个数量级，7.5μm～14μm 波段的红外发射率降低了0.6，发射率不到0.3，表明VO2薄膜可以对红外发射率进行有效调控。然而为了保持VO2的金属相，材料的温度需要保持在68°C以上。通过在VO2掺杂W、Mo 等元素可以将相变温度从68℃调整为一个宽约50℃的相变温度区间［35］。Zhao［36］等提出了一种能够同时进行发射率调控和辐射冷却的热致变色频率选择发射器（TFSE），如图5（a）。发射器集成了金属谐振元件和VO2相变材料。在3μm～5μm 和8μm～14μm 波段的大气窗口中，随着VO2从绝缘相到金属相的相变，TFSE 的发射率从0.41 变化到0.11。由图5（b）看出发射器在5μm～8μm 的大气吸收带中，可以主动散热。在大气吸收带具有多个吸收峰的TFSE，显示出显着的散热潜力，在自适应红外隐身技术的应用和辐射热能的主动管理方面具有巨大的潜力。

图5 （a）热致变色频率选择发射器的示意图；（b）TFSE在293K～348K温度范围内连续加热的光谱发射率［36］

此外Ge2Sb2Te5（GST）等相变材料在红外隐身领域的应用也较好地解决了上述问题。Du［37］等通过沉积法制备了不同厚度GST-Au 薄膜，通过分别改变由不同比例非晶态和晶态分子组成的中间相以及薄膜厚度，可以得到具有广泛波长选择性且能对发射率进行连续调控的材料。到了2018年，其同课题组的Qu［38］设计出了一种包含GST 的热伪装装置，研究了固定温度为60℃的目标，在观察角度0°到60°区间，背景温度从30℃到50℃区间的隐身情况，实验结果表明目标可以在较大范围观察角、30°C到50°C的背景温度下实现连续近乎完美的红外隐身。黎思睿［37］等利用GST 材料晶态和非晶态不同属性，制备了具有多光谱可调功能的单一多层膜结构，结果表明该结构在8μm～13μm 波段范围，可以实现吸收率从94.93%到9.19%的有效调控。此外，基于干涉效应该结构具有可见光调控能力，同时实现红外-可见光兼容隐身。