隨著紅外探測技術的飛速發展，紅外隱身材料的開發已成為一個迫切的需求。紅外隱身效果受溫度和紅外發射率的共同影響，但以往的研究大多集中在單一因素上，從而限制了紅外隱身產品的有效性。

據麥姆斯咨詢報道，近期，西安工程大學的科研團隊在《印染》期刊上網絡發表了以“紅外隱身材料的應用及其研究進展”為主題的文章。該文章第一作者為陳海通，通訊作者為王進美教授。

本文介紹了各類紅外隱身材料的優勢和局限性、近年來的研究進展以及未來發展趨勢，重點包括基于不同的材料在紅外隱身領域所發揮的獨特作用。

紅外隱身機理

紅外隱身原理

在了解紅外隱身機理之前，深入研究其探測原理有利于更好地規避和反制。隱身技術與探測技術雙方是相互抵制的關系，二者都是圍繞目標和背景兩個對象進行展開，探測是通過不斷放大目標與背景的差異，從而識別出目標，隱身則是縮小兩者的差異。例如，在飛機上，不同的探測器通過六個相應的特征——聲學、視覺、煙霧、雷達、紅外和軌跡特征來探索它們存在的跡象。紅外探測主要基于熱成像原理，加之物體本身就是紅外光源。紅外波可以覆蓋0.76~1000 μm的范圍，可細分為五個部分（如圖1所示）：近紅外波（NIR，0.76~1.5 μm），短紅外波（SWIR，1.5~ 3 μm）、中紅外波（MWIR，3~8 μm）、長紅外波（LWIR，8~15 μm）和遠紅外波（FIR，15~1 000 μm）。由于地球大氣層吸收了大部分紅外線，僅對3~ 5 μm和8~14 μm范圍內的電磁波相對透明。因此，在兩個大氣窗口中隱藏目標的自發輻射是擊敗紅外探測器的有效措施。

圖1 各種波段的比較及相應的隱身應用

除此以外，材料性質、表面粗糙度和厚度等許多因素都會影響紅外發射率?？紤]到材料的自身特性，其紅外發射率與原子核和外核電子的相對位移（正負電荷中心不一致產生的電偶極矩）密切相關，帶負電的外核電子和帶正電的原子核會受到外電場的影響。這三個方面體現在復介電常數、電導率和晶格振動對材料紅外發射率的影響上。紅外發射率的復介電常數實部依賴性主要受材料的極化度控制，與本征極化偶極矩數、離子半徑、晶格常數等因素密切相關。

而表面粗糙度對紅外發射率的影響可歸納如下：一方面，入射輻射在物體不平整表面的漫反射增加了物體表面吸收紅外輻射的機會，導致吸收率增強；另一方面，凹凸不平的表面提高了輻射體的相對輻射面積，從而增加了輻射能量和相應的發射率。此外，隨著材料厚度的增加，紅外發射率也會增加。金屬材料的熱輻射特性發生在幾微米的表層，可以認為表面特性和發射率與厚度無關。對于大多數非金屬介電材料，輻射都有一定的穿透深度。因此，非金屬電介質和半透明材料的發射率不僅取決于它們的表面狀態，還取決于樣品厚度。

紅外隱身方法

點源探測和成像探測是兩種主流的紅外探測方法。點源探測主要與探測距離有關，可檢測到的最大距離R。為了最小化目標檢測距離，紅外輻射特征J越小越好。

成像檢測主要是利用背景與目標間的熱輻射能量之差進行測試。一般來說，發射率高，物體很容易暴露在紅外探測器下。為了實現紅外隱身偽裝，背景和目標物體之間的紅外發射強度差異應該足夠接近可以忽略不計。

因此，降低輻射能E對于紅外隱身是必不可少的?？刂颇繕吮砻鏈囟群徒档湍繕吮砻姘l射率ε是獲得良好紅外隱身能力的主要途徑之一。到目前為止，控制表面溫度的主要方法是熱隔離和熱通量控制。理想的絕緣材料是空心玻璃微球（HGM）、氣凝膠、熱毯、納米纖維膜、微/納米多孔泡沫、軟木和皮革等隔熱材料。其中，HGM和氣凝膠在紅外隱身領域應用較多。但這種方法的局限性同樣明顯，因為環境等限制條件，有時物體的表面溫度很難改變，所以當物體的T難以改變時，具有低ε的產品具有出色的紅外隱身能力。根據Hagen-Rubens定律，電導率與低ε正相關。例如Cu、Ni和Al等金屬，以及一些導電聚合物，如聚苯胺（PANI）是低ε材料。但是金屬在可見范圍內具有高反射率，這會降低視覺偽裝效果。因此，金屬材料一般被用作填料。目前，研究人員主要通過對金屬填料進行改性來實現低發射率與低光澤度的兼容。

綜上所述，實現紅外隱身的最佳途徑是削弱和調整目標的紅外輻射能量特性，同時使其盡可能接近背景。因此，將“目標+背景”的組合識別為“與背景相似的物體+背景”的組合，這樣更有利于欺騙檢測器。

紅外隱身材料

隔熱材料

中空微珠作為隔熱材料具有超微小孔隙結構、空心結構或多層結構等特點，因而具有很低的導熱系數和吸水率。將其作為填料可以顯著降低目標熱量的傳導，從而有效降低目標的紅外輻射能量。2018年，焦鈺鈺團隊開發了一種由純無機礦物組成的玻璃微珠，該微珠會與基體表面形成一個中空氣體層從而阻斷熱傳導，因其蜂窩中空結構故，而它的導熱系數很低，涂層具有非常好的隔熱保溫效果。同時，中空玻璃微珠可以將太陽85％以上的熱量反射阻隔在基體表面。PAKDELl團隊在2020年將空心微珠顆粒與TiO?納米粒子共混，制備了織物用隔熱涂料，涂料具有良好的隔熱性能并降低了織物的可燃性，另外空心微珠顆粒的存在及其濃度也會直接影響織物的近紅外反射率。該團隊利用紅外熱成像儀證明空心玻璃微珠防止涂層織物快速散熱，此功能可以應用于保暖織物，還可以減少從室內空間到建筑物外的熱量損失，進而有效提升紅外隱身性能。

凝膠系列中的氣凝膠具有極低的密度、低導熱性和高比表面積，是一種具有3D互穿網絡的高度多孔材料。空氣層分裂成小塊，可以抑制熱量的相對流動。此外，氣凝膠骨架賦予固體熱傳導路徑復雜而漫長，從而增強散熱能力。2020年，ZHANG的團隊開發了雙向各向異性聚酰亞胺/細菌纖維素（b-PI/BC）氣凝膠，它們具有良好的各向異性成型性、質量輕和出色的隔熱性能（圖2）。與單一的PI氣凝膠和其他商業絕緣材料（聚氨酯和聚苯乙烯泡沫）相比，b-PI/BC氣凝膠在相當大的溫度范圍內有效地阻止了傳熱，并具有穩定的隔熱性能（圖3）。

圖2 b-PI/BC氣凝膠的合成流程

圖3 與其他商業絕緣材料相比，bPI/BC氣凝膠具有良好的隔熱性能

此外，WU的團隊在2022年通過改變CuS的添加量和熱還原策略設計了rGO/CuS復合氣凝膠。CuS的添加有效地調節了紅外發射率和隔熱性能。加熱30 min后，由于其多孔結構，它會保持原始溫度。因此，層壓多孔結構和多組分賦予復合氣凝膠隔熱和紅外隱身多功能性。該團隊還通過簡便的溶劑熱法和隨后的冷凍干燥制備了rGO/CuS@PCM氣凝膠（圖4）。它們在8 ~ 14 μm的紅外發射率從0.82調節到0.59。雖然氣凝膠是當前密度最小、隔熱性能最好的固態材料，但其存在強度低、易碎等缺陷，在一定程度上限制了它的應用。

圖4 rGO/CuS@PCM氣凝膠制備過程示意圖

相變材料

相變材料（PCM）由于其卓越的熱管理能力在紅外隱身功能材料領域受到特別關注。目前，許多研究人員將相變材料微膠囊化再應用于紅外隱身涂層中。相變微膠囊（MPCPs）是一種具有核殼結構的相變儲能材料，其原理是通過相變材料的放熱和吸熱過程來調節溫度。GU Jie團隊在2021年采用二十烷作為相變材料（PCM），三聚氰胺、尿素和甲醛（MUF）作為殼材料形成微膠囊。然后，將聚苯胺（PANI）沉積在這些微膠囊的表面以形成了具有溫度控制和低紅外發射率的雙殼微膠囊（DSM）。經測試，具有1.354 mm厚涂層的紅外隱形織物可冷卻高達11.2 ℃，并且控溫過程持續27 min，紅外發射率達到0.794。該面料在實際使用中具有顯著的紅外隱形效果和良好的耐用性（圖5）。

圖5 紅外隱形織物的紅外圖像

然而傳統的PCM通常表現為具有固定轉變溫度的剛性固態或流動液態，極大地限制了它們的應用，特別是在多波段隱身和多場景中。因此，很多團隊在這方面進行了改良，例如2023年DENG團隊首次設計并構建了一種用于同步視覺/紅外隱身的本征柔性自愈合相變薄膜。該相變膜具有固-固相變行為，轉變溫度（從38.8 ℃到51.1℃）和熱函（從79.7 J/g 到116.7 J/g）可調，該相變薄膜可定制不同顏色和多種配置，在多場景下展現極佳的視覺隱身功能。此外，該相變薄膜具有熱管理能力，并在各種溫度下對目標物表現出紅外隱身性能，且具有長期循環穩定性（500次循環）和出色的柔性。

此外，PCM與氣凝膠結合的復合材料也可以達到優秀的紅外隱身效果，在2019 年，LYU的團隊首先制備了Kevlar納米纖維氣凝膠（KNA）薄膜，然后與PCM結合以獲得KNA/PCM薄膜，發現具有熱管理功能的KNA/PCM復合薄膜在太陽光照的室外環境中表現出優秀的紅外隱身性能。在此基礎上該團隊還提出了一種由隔熱層（KNA薄膜）和紅外吸收表面層（KNA/PCM）組合的結構，以隱藏紅外檢測中的熱目標。與其他紅外隱身材料相比，KNA?KNA/PCM組合結構涂層靶材由于優異的隔熱性和超低紅外透過率，紅外隱身性能更優秀。這樣的結構在未來軍事和工業領域的應用具有巨大的潛力，為紅外隱身技術提供了更有效的解決方案。

納米結構材料

納米結構材料在很寬的頻率范圍內表現出均勻的吸波特性。因此，它在紅外和雷達波隱身材料的應用較多。由于紅外光的波長遠大于納米顆粒的尺寸，導致納米材料對紅外光具有高透過率，使紅外探測器接收到的反射信號變得很微弱，從而實現紅外隱身效果。為了促進材料的多通道相容性，由兩種或多種組分組成的納米復合材料顯著增強目標的紅外隱身性能。

研究發現，核殼納米復合材料可以通過核和殼組分的相互修飾來調節。由于殼成分存在于核殼結構的外表面上，所以表面功能的操縱可以有效地滿足不同的應用需求。近年來，由結構核和功能殼組成的核殼納米復合材料在低發射領域受到越來越多的關注。例如WANG團隊通過在SiO?顆粒表面上層層組裝剝離的LDH（層狀雙氫氧化物）納米片和DNA生物分子，成功制備了SiO?@DNA-LDH（圖6）納米復合材料，并測試了樣品在8~14 μm波長下的紅外發射率值，發現SiO?@DNA和SiO?@LDH的紅外發射率值分別降至0.732和0.658。以DNA插層LDH為功能殼構建SiO?@DNA-LDH核殼納米復合材料，由于DNA和LDH納米片之間的氫鍵或靜電相互作用，以及DNA-LDH殼層形成加強的物理限制，紅外發射率值進一步降低至0.458。

圖6 （a）SiO?和（b）SiO?@DNA-LDH納米復合材料的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，（c）原始SiO?（d）、（e）和（f）SiO?@DNALDH納米復合材料的透射電子顯微鏡（TEM）圖像

此外，納米金屬材料在隱身材料中的應用同樣備受關注。ZnSe因其在紅外區域優異的非線性光學性能，Co在紅外區的良好吸收特性，為過渡金屬的摻雜提供了選擇。但一種材料的微觀結構會影響其光學特性，例如吸收、反射和透射。盡管ZnSe和Co具有良好的紅外特性，但其電子空間分布仍然較差，不利于材料的吸收和光傳導。Ga表現出高電子濃度和結構保護特性。因此，將Ga元素引入到材料中，不僅可以控制材料的微觀結構，還可以改善材料的空間電子態分布。2021年PAN等人通過PLD（脈沖激光沉積）在不同的Ar氣體下制備了一種適用于抗近紅外探測的納米CoGaZnSe多層薄膜。通過XRD（X射線衍射）、拉曼光譜和模擬研究了薄膜的微觀結構發現通過控制生長壓力來改變晶體特性、鍵合和電子的空間分布。在不同壓力下獲得的薄膜具有不同的透射率。根據這一特性，將具有不同透光率的薄膜與多層薄膜相結合，可以減少紅外反射。該團隊將多層薄膜涂在普通衣服的表面，然后使用紅外探測器進行測試。結果表明，CoGaZnSe多層薄膜的抗近紅外檢測率最高可達86%，大大降低紅外探測的量子效率。

碳基復合材料

碳材料以其質量輕、比表面積大、機械強度高和良好的導電性等的特性，徹底改變了隱身技術領域。炭黑、碳納米管以及石墨烯的使用為合成輕質、多功能和智能紅外隱形材料提供了新的可能性。例如，可以使用低發射率材料改性的碳納米管用于屏蔽目標的紅外輻射；可以通過石墨烯的添加巧妙地實現溫度的動態調節，從而改善靜態微/納米結構只能改變熱發射率，固定的熱管理材料不能根據需求和環境調節溫度的缺點。因此，碳基復合材料為紅外隱身領域的設計和性能控制提供了高度的靈活性（圖7）。

圖7 碳材料在紅外隱身方面的優勢

零維材料炭黑

作為全球生產最豐富的碳形式之一炭黑（CB），是碳基材料最早使用的原材料。但是單獨添加炭黑會增強紅外波段吸收，這對紅外隱身不利。涂料的三個部分分別為添加劑、填料和黏合劑。其中實現紅外隱身的關鍵在于各種填充物。金屬填充物可以顯著降低紅外發射率，例如鋁。但是金屬對可見光的強烈反射與視覺隱身相沖突。

2019年，LI和他的團隊將直徑為30~45 nm的炭黑納米粒子直接噴涂到納米多孔硅漸變折射薄膜上的5μm厚可轉移陽極氧化鋁(AAO)模板上。經實驗測試，該薄膜在2.5~15.3 μm范圍內平均吸光度為97.5%，遠高于納米多孔硅和AAO模板。此外，帶有炭黑的AAO模板可以很容易地轉移到其他結構上，可以更好地隱藏不同物體的熱特性，從而進一步隱身。其本質是光通過AAO模板在內部多次反射，而隨機的炭黑顆粒充當散射中心。通過炭黑和納米多孔硅對光的進一步吸收和捕獲，使復合結構能夠實現非常低的反射率。因此，炭黑需要與具有較低紅外發射率的材料結合使用，才能實現良好的隱身性能。

一維材料碳納米管

兼具輕質、可控、高導電、形貌可調和優異機械性能的碳納米管成為紅外隱身復合材料的中流砥柱。許多文獻表明，碳納米管的強度是鋼的100倍，密度是鋼的六分之一。此外，碳納米管具有約6 000 W/mK的高導熱率，且導電率遠高于銅。這些優勢將成為多壁和單壁碳納米管在紅外隱身領域應用的關鍵。低紅外發射率材料能以涂層和復合材料的形式制備。

2016年，CHU團隊成功開發了銀顆粒改性碳納米管紙（SMCNP），并制備了一種具有超低紅外發射率的SMCNP/玻璃纖維增強聚合物（GFRP）復合材料用于紅外隱身，以解決飛行器中金屬添加劑和纖維增強聚合物（FRP）復合材料難以形成整體的問題。此外，靜電紡絲是生產薄膜的獨特方法。靜電紡絲可以生產2納米到幾微米的纖維。2018年，FNAG等人通過靜電紡絲制備聚偏二氟乙烯（PVDF）纖維膜和單壁碳納米管（SWNT）改性PVDF（命名為SWNT/PVDF）（圖6）。殼聚糖處理后，將金納米粒子浸入金溶膠中并攪拌以修飾薄膜。在靜電力的作用下，Au納米粒子牢固且非常均勻地固定在兩種纖維的表面。研究發現，PVDF和Au-PVDF纖維膜的紅外發射率值分別為0.82和0.76，而SWNT/PVDF和Au-SWNT/PVDF薄膜的值分別低至0.77和0.68，說明單壁碳納米管與金顆粒結合后性能更好。

二維材料石墨烯

石墨烯具有獨特的二維蜂窩狀晶格結構，從而賦予其相互連通的多孔結構、高表面積、良好的導熱性和優異的導電性等性能，被廣泛應用于催化、電池、生物醫藥等領域。然而，石墨烯在傳統紅外隱身領域，如降低涂層發射率、隔熱、吸收熱輻射等，既沒有表現出突出的性能，也不具備足夠的潛力與其強大的性能相匹配，這是因為蜂窩結構對波的散射有強烈的影響。此外，基于熱輻射產生原理，由于石墨烯的能隙為零，所以石墨烯本身不發射熱輻射。因此，石墨烯很難以傳統的方式直接制造具有極低發射率的材料。

但石墨烯可以通過石墨烯層中的離子液體嵌入和外部電壓調制，將紅外發射率控制在0.3~0.7的范圍內。2021年，SHI的團隊通過組合石墨烯納米片和Fe?O?納米粒子，顯著增強微波吸收且提供輕巧而堅固的支撐。該團隊將其進一步集成到具有隔熱性能的PI氣凝膠中，并使用聚乙二醇（PEG）作為相變材料，獲得了一種新型的兼容電磁和紅外的雙隱形薄膜。PI/石墨烯/Fe?O?雜化氣凝膠薄膜具有多孔結構，導熱系數低，可以抑制紅外熱輻射，使其具有紅外隱身性。為防止溫度隨外界不斷發生變化，上部采用PI/石墨烯/Fe?O?氣凝膠/PEG薄膜，既能提供低溫顯熱吸收，又能提供高溫潛熱吸收，最終實現雙重熱緩沖，從而更好地協調熱力學與紅外隱身的關系。

圖8 (a) (S1) PI/石墨烯/Fe?O?混合氣凝膠薄膜、(S2) PI氣凝膠/PEG復合薄膜和(S3) PI/石墨烯/Fe?O?氣凝膠/PEG復合薄膜在加熱和冷卻過程中記錄的紅外熱成像圖像。根據紅外熱像分析格式確定的(b)加熱和(c)冷卻過程中溫度隨時間變化的圖像

光子晶體

光子晶體是一種新型結構材料，由于其光子帶隙和光子局域化兩個特性使得控制物體的自發輻射成為可能。通過調節光子晶體的結構,可以使光子帶隙處于特定紅外電磁波段,最終在紅外波段具備高反射率與低發射特性。利用光子晶體禁帶的高反射、低輻射等特點，可以改變目標的紅外輻射特性，以干擾探測器的捕獲光譜，使其無法被紅外線偵察裝置偵測到，從而實現紅外隱身。目前，光子晶體在紅外隱身材料的研究主要集中在一維光子晶體材料和三維光子晶體材料，這兩種材料由不同折射率的介電層堆疊而成。

由于一維光子晶體易于設計和制造，近年來許多研究人員對其進行了深入研究。例如DONG Qi等人開發了基于ZnS/Ge的一維光子晶體（1DPCs）,在波長3~5 μm處測量反射光譜，得到了95.1%的平均反射率；使用ET-10紅外發射儀測得平均發射率低至0.054，完全滿足紅外隱身需求。

三維光子晶體的制造方法有微機械加工法、半導體工藝法、激光全息干涉法等。由于三維光子晶體在不同方向上存在很好的對稱性，因此利用上述制造方式能夠成功得到具有禁帶的光子晶體結構，例如層疊的硅棒排列制備三維光子晶體可以有效減少紅外波段帶隙內目標的紅外輻射，并增強帶隙外的紅外輻射。此外，以鎢為代表的三維金屬疊層結構具有更寬的禁帶，可以選擇性地控制輻射。這兩種光子晶體紅外隱身材料結構復雜，價格昂貴，不利于大規模應用。而膠體基元自組裝法因方法簡便、容易操作、成本低廉、重復性好等優勢，成為一種相對普遍的實驗室制備光子晶體方法。LI團隊使用機械強度高、化學穩定性強和高溫穩定性好的聚苯乙烯膠體微球采用逐層法制備了紅外吸收波長為3.30 μm和3.42 μm的三維光子晶體材料，并通過氣液界面自組裝制備單層聚苯乙烯光子晶體膜。該材料實現了3~5 μm可探測波段紅外輻射特性的調制，滿足紅外隱身要求。

總結與展望

在過去的幾十年里，研究人員對紅外隱身材料性能的研究主要集中在調整發射率和溫度控制進行熱管理這兩個方面，而對其機理研究不夠深入。隨著電子技術和先進探測器的不斷發展，單波段隱身材料已難以適應現代軍事環境。因此，隱身材料的研究需要向多波段兼容隱身方向發展。其中，突破的關鍵是弄清楚各個電磁頻段之間的內在聯系。例如對于紅外-可見隱身，光譜和背景光譜特性應盡可能一致（0.38 ~ 0.76 μm），需要一個合適的ε來減小目標與背景之間的紅外輻射差異（8 ~ 14 μm、3 ~ 5 μm和1 ~ 2.5 μm）。而對于雷達紅外兼容隱身，雷達吸波材料需要高吸收率和低反射率，而紅外隱身材料需要高反射率和低ε，這就要求綜合考慮隱身機理、制備工藝、材料穩定性和兼容性等問題。

目前，實驗室制備的樣品量很少。如何讓合成和設計的材料可以大規模生產，并具有其他優良特性，以確保它們可以在實際環境中使用，仍然是一個很大的挑戰。其中，可調整、簡便的合成路線備受關注。如何設計具有綜合特性的產品也是未來發展的方向之一。例如，耐高溫是一個重要因素，因為受保護設備（如飛機）的外表面熱平衡溫度，飛行時高度很高，普通涂層無法提供隱身性。此外，飛機、艦船等軍事裝備通常在濃煙、潮濕、氣候惡劣的環境下工作，容易產生腐蝕缺陷。因此，耐蝕性對于提高軍事裝備的質量和可靠性具有重要意義。

為適應環境變化，開發智能隱身材料勢在必行。傳統的偽裝防護技術是靜態的，缺乏環境適應性。智能隱身材料具有感知、信息處理、自主指揮和對環境信號作出最佳反應的功能。因此，如何設計能夠主動適應環境的智能隱身材料是偽裝隱身技術進一步提高軍事目標在復雜戰場環境中的生存和突防能力的重要發展趨勢。

這項研究獲得陜西省重點研發計劃（2023-YBGY-487）的資助和支持。

審核編輯：劉清