红外隐身材料的应用及其研究进展综述

随着红外探测技术的飞速发展，红外隐身材料的开发已成为一个迫切的需求。红外隐身效果受温度和红外发射率的共同影响，但以往的研究大多集中在单一因素上，从而限制了红外隐身产品的有效性。

据麦姆斯咨询报道，近期，西安工程大学的科研团队在《印染》期刊上网络发表了以“红外隐身材料的应用及其研究进展”为主题的文章。该文章第一作者为陈海通，通讯作者为王进美教授。

本文介绍了各类红外隐身材料的优势和局限性、近年来的研究进展以及未来发展趋势，重点包括基于不同的材料在红外隐身领域所发挥的独特作用。

红外隐身机理

红外隐身原理

在了解红外隐身机理之前，深入研究其探测原理有利于更好地规避和反制。隐身技术与探测技术双方是相互抵制的关系，二者都是围绕目标和背景两个对象进行展开，探测是通过不断放大目标与背景的差异，从而识别出目标，隐身则是缩小两者的差异。例如，在飞机上，不同的探测器通过六个相应的特征——声学、视觉、烟雾、雷达、红外和轨迹特征来探索它们存在的迹象。红外探测主要基于热成像原理，加之物体本身就是红外光源。红外波可以覆盖0.76~1000 μm的范围，可细分为五个部分（如图1所示）：近红外波（NIR，0.76~1.5 μm），短红外波（SWIR，1.5~ 3 μm）、中红外波（MWIR，3~8 μm）、长红外波（LWIR，8~15 μm）和远红外波（FIR，15~1 000 μm）。由于地球大气层吸收了大部分红外线，仅对3~ 5 μm和8~14 μm范围内的电磁波相对透明。因此，在两个大气窗口中隐藏目标的自发辐射是击败红外探测器的有效措施。

图1 各种波段的比较及相应的隐身应用

除此以外，材料性质、表面粗糙度和厚度等许多因素都会影响红外发射率。考虑到材料的自身特性，其红外发射率与原子核和外核电子的相对位移（正负电荷中心不一致产生的电偶极矩）密切相关，带负电的外核电子和带正电的原子核会受到外电场的影响。这三个方面体现在复介电常数、电导率和晶格振动对材料红外发射率的影响上。红外发射率的复介电常数实部依赖性主要受材料的极化度控制，与本征极化偶极矩数、离子半径、晶格常数等因素密切相关。

而表面粗糙度对红外发射率的影响可归纳如下：一方面，入射辐射在物体不平整表面的漫反射增加了物体表面吸收红外辐射的机会，导致吸收率增强；另一方面，凹凸不平的表面提高了辐射体的相对辐射面积，从而增加了辐射能量和相应的发射率。此外，随着材料厚度的增加，红外发射率也会增加。金属材料的热辐射特性发生在几微米的表层，可以认为表面特性和发射率与厚度无关。对于大多数非金属介电材料，辐射都有一定的穿透深度。因此，非金属电介质和半透明材料的发射率不仅取决于它们的表面状态，还取决于样品厚度。

红外隐身方法

点源探测和成像探测是两种主流的红外探测方法。点源探测主要与探测距离有关，可检测到的最大距离R。为了最小化目标检测距离，红外辐射特征J越小越好。

成像检测主要是利用背景与目标间的热辐射能量之差进行测试。一般来说，发射率高，物体很容易暴露在红外探测器下。为了实现红外隐身伪装，背景和目标物体之间的红外发射强度差异应该足够接近可以忽略不计。

因此，降低辐射能E对于红外隐身是必不可少的。控制目标表面温度和降低目标表面发射率ε是获得良好红外隐身能力的主要途径之一。到目前为止，控制表面温度的主要方法是热隔离和热通量控制。理想的绝缘材料是空心玻璃微球（HGM）、气凝胶、热毯、纳米纤维膜、微/纳米多孔泡沫、软木和皮革等隔热材料。其中，HGM和气凝胶在红外隐身领域应用较多。但这种方法的局限性同样明显，因为环境等限制条件，有时物体的表面温度很难改变，所以当物体的T难以改变时，具有低ε的产品具有出色的红外隐身能力。根据Hagen-Rubens定律，电导率与低ε正相关。例如Cu、Ni和Al等金属，以及一些导电聚合物，如聚苯胺（PANI）是低ε材料。但是金属在可见范围内具有高反射率，这会降低视觉伪装效果。因此，金属材料一般被用作填料。目前，研究人员主要通过对金属填料进行改性来实现低发射率与低光泽度的兼容。

综上所述，实现红外隐身的最佳途径是削弱和调整目标的红外辐射能量特性，同时使其尽可能接近背景。因此，将“目标+背景”的组合识别为“与背景相似的物体+背景”的组合，这样更有利于欺骗检测器。

红外隐身材料

隔热材料

中空微珠作为隔热材料具有超微小孔隙结构、空心结构或多层结构等特点，因而具有很低的导热系数和吸水率。将其作为填料可以显著降低目标热量的传导，从而有效降低目标的红外辐射能量。2018年，焦钰钰团队开发了一种由纯无机矿物组成的玻璃微珠，该微珠会与基体表面形成一个中空气体层从而阻断热传导，因其蜂窝中空结构故，而它的导热系数很低，涂层具有非常好的隔热保温效果。同时，中空玻璃微珠可以将太阳85％以上的热量反射阻隔在基体表面。PAKDELl团队在2020年将空心微珠颗粒与TiO₂纳米粒子共混，制备了织物用隔热涂料，涂料具有良好的隔热性能并降低了织物的可燃性，另外空心微珠颗粒的存在及其浓度也会直接影响织物的近红外反射率。该团队利用红外热成像仪证明空心玻璃微珠防止涂层织物快速散热，此功能可以应用于保暖织物，还可以减少从室内空间到建筑物外的热量损失，进而有效提升红外隐身性能。

凝胶系列中的气凝胶具有极低的密度、低导热性和高比表面积，是一种具有3D互穿网络的高度多孔材料。空气层分裂成小块，可以抑制热量的相对流动。此外，气凝胶骨架赋予固体热传导路径复杂而漫长，从而增强散热能力。2020年，ZHANG的团队开发了双向各向异性聚酰亚胺/细菌纤维素（b-PI/BC）气凝胶，它们具有良好的各向异性成型性、质量轻和出色的隔热性能（图2）。与单一的PI气凝胶和其他商业绝缘材料（聚氨酯和聚苯乙烯泡沫）相比，b-PI/BC气凝胶在相当大的温度范围内有效地阻止了传热，并具有稳定的隔热性能（图3）。

图2 b-PI/BC气凝胶的合成流程

图3 与其他商业绝缘材料相比，bPI/BC气凝胶具有良好的隔热性能

此外，WU的团队在2022年通过改变CuS的添加量和热还原策略设计了rGO/CuS复合气凝胶。CuS的添加有效地调节了红外发射率和隔热性能。加热30 min后，由于其多孔结构，它会保持原始温度。因此，层压多孔结构和多组分赋予复合气凝胶隔热和红外隐身多功能性。该团队还通过简便的溶剂热法和随后的冷冻干燥制备了rGO/CuS@PCM气凝胶（图4）。它们在8 ~ 14 μm的红外发射率从0.82调节到0.59。虽然气凝胶是当前密度最小、隔热性能最好的固态材料，但其存在强度低、易碎等缺陷，在一定程度上限制了它的应用。

图4 rGO/CuS@PCM气凝胶制备过程示意图

相变材料

相变材料（PCM）由于其卓越的热管理能力在红外隐身功能材料领域受到特别关注。目前，许多研究人员将相变材料微胶囊化再应用于红外隐身涂层中。相变微胶囊（MPCPs）是一种具有核壳结构的相变储能材料，其原理是通过相变材料的放热和吸热过程来调节温度。GU Jie团队在2021年采用二十烷作为相变材料（PCM），三聚氰胺、尿素和甲醛（MUF）作为壳材料形成微胶囊。然后，将聚苯胺（PANI）沉积在这些微胶囊的表面以形成了具有温度控制和低红外发射率的双壳微胶囊（DSM）。经测试，具有1.354 mm厚涂层的红外隐形织物可冷却高达11.2 ℃，并且控温过程持续27 min，红外发射率达到0.794。该面料在实际使用中具有显著的红外隐形效果和良好的耐用性（图5）。

图5 红外隐形织物的红外图像

然而传统的PCM通常表现为具有固定转变温度的刚性固态或流动液态，极大地限制了它们的应用，特别是在多波段隐身和多场景中。因此，很多团队在这方面进行了改良，例如2023年DENG团队首次设计并构建了一种用于同步视觉/红外隐身的本征柔性自愈合相变薄膜。该相变膜具有固-固相变行为，转变温度（从38.8 ℃到51.1℃）和热函（从79.7 J/g 到116.7 J/g）可调，该相变薄膜可定制不同颜色和多种配置，在多场景下展现极佳的视觉隐身功能。此外，该相变薄膜具有热管理能力，并在各种温度下对目标物表现出红外隐身性能，且具有长期循环稳定性（500次循环）和出色的柔性。

此外，PCM与气凝胶结合的复合材料也可以达到优秀的红外隐身效果，在2019 年，LYU的团队首先制备了Kevlar纳米纤维气凝胶（KNA）薄膜，然后与PCM结合以获得KNA/PCM薄膜，发现具有热管理功能的KNA/PCM复合薄膜在太阳光照的室外环境中表现出优秀的红外隐身性能。在此基础上该团队还提出了一种由隔热层（KNA薄膜）和红外吸收表面层（KNA/PCM）组合的结构，以隐藏红外检测中的热目标。与其他红外隐身材料相比，KNA−KNA/PCM组合结构涂层靶材由于优异的隔热性和超低红外透过率，红外隐身性能更优秀。这样的结构在未来军事和工业领域的应用具有巨大的潜力，为红外隐身技术提供了更有效的解决方案。

纳米结构材料

纳米结构材料在很宽的频率范围内表现出均匀的吸波特性。因此，它在红外和雷达波隐身材料的应用较多。由于红外光的波长远大于纳米颗粒的尺寸，导致纳米材料对红外光具有高透过率，使红外探测器接收到的反射信号变得很微弱，从而实现红外隐身效果。为了促进材料的多通道相容性，由两种或多种组分组成的纳米复合材料显著增强目标的红外隐身性能。

研究发现，核壳纳米复合材料可以通过核和壳组分的相互修饰来调节。由于壳成分存在于核壳结构的外表面上，所以表面功能的操纵可以有效地满足不同的应用需求。近年来，由结构核和功能壳组成的核壳纳米复合材料在低发射领域受到越来越多的关注。例如WANG团队通过在SiO₂颗粒表面上层层组装剥离的LDH（层状双氢氧化物）纳米片和DNA生物分子，成功制备了SiO₂@DNA-LDH（图6）纳米复合材料，并测试了样品在8~14 μm波长下的红外发射率值，发现SiO₂@DNA和SiO₂@LDH的红外发射率值分别降至0.732和0.658。以DNA插层LDH为功能壳构建SiO₂@DNA-LDH核壳纳米复合材料，由于DNA和LDH纳米片之间的氢键或静电相互作用，以及DNA-LDH壳层形成加强的物理限制，红外发射率值进一步降低至0.458。

图6 （a）SiO₂和（b）SiO₂@DNA-LDH纳米复合材料的扫描电子显微镜（SEM）图像，（c）原始SiO₂（d）、（e）和（f）SiO₂@DNALDH纳米复合材料的透射电子显微镜（TEM）图像

此外，纳米金属材料在隐身材料中的应用同样备受关注。ZnSe因其在红外区域优异的非线性光学性能，Co在红外区的良好吸收特性，为过渡金属的掺杂提供了选择。但一种材料的微观结构会影响其光学特性，例如吸收、反射和透射。尽管ZnSe和Co具有良好的红外特性，但其电子空间分布仍然较差，不利于材料的吸收和光传导。Ga表现出高电子浓度和结构保护特性。因此，将Ga元素引入到材料中，不仅可以控制材料的微观结构，还可以改善材料的空间电子态分布。2021年PAN等人通过PLD（脉冲激光沉积）在不同的Ar气体下制备了一种适用于抗近红外探测的纳米CoGaZnSe多层薄膜。通过XRD（X射线衍射）、拉曼光谱和模拟研究了薄膜的微观结构发现通过控制生长压力来改变晶体特性、键合和电子的空间分布。在不同压力下获得的薄膜具有不同的透射率。根据这一特性，将具有不同透光率的薄膜与多层薄膜相结合，可以减少红外反射。该团队将多层薄膜涂在普通衣服的表面，然后使用红外探测器进行测试。结果表明，CoGaZnSe多层薄膜的抗近红外检测率最高可达86%，大大降低红外探测的量子效率。

碳基复合材料

碳材料以其质量轻、比表面积大、机械强度高和良好的导电性等的特性，彻底改变了隐身技术领域。炭黑、碳纳米管以及石墨烯的使用为合成轻质、多功能和智能红外隐形材料提供了新的可能性。例如，可以使用低发射率材料改性的碳纳米管用于屏蔽目标的红外辐射；可以通过石墨烯的添加巧妙地实现温度的动态调节，从而改善静态微/纳米结构只能改变热发射率，固定的热管理材料不能根据需求和环境调节温度的缺点。因此，碳基复合材料为红外隐身领域的设计和性能控制提供了高度的灵活性（图7）。

图7 碳材料在红外隐身方面的优势

零维材料炭黑

作为全球生产最丰富的碳形式之一炭黑（CB），是碳基材料最早使用的原材料。但是单独添加炭黑会增强红外波段吸收，这对红外隐身不利。涂料的三个部分分别为添加剂、填料和黏合剂。其中实现红外隐身的关键在于各种填充物。金属填充物可以显着降低红外发射率，例如铝。但是金属对可见光的强烈反射与视觉隐身相冲突。

2019年，LI和他的团队将直径为30~45 nm的炭黑纳米粒子直接喷涂到纳米多孔硅渐变折射薄膜上的5μm厚可转移阳极氧化铝(AAO)模板上。经实验测试，该薄膜在2.5~15.3 μm范围内平均吸光度为97.5%，远高于纳米多孔硅和AAO模板。此外，带有炭黑的AAO模板可以很容易地转移到其他结构上，可以更好地隐藏不同物体的热特性，从而进一步隐身。其本质是光通过AAO模板在内部多次反射，而随机的炭黑颗粒充当散射中心。通过炭黑和纳米多孔硅对光的进一步吸收和捕获，使复合结构能够实现非常低的反射率。因此，炭黑需要与具有较低红外发射率的材料结合使用，才能实现良好的隐身性能。

一维材料碳纳米管

兼具轻质、可控、高导电、形貌可调和优异机械性能的碳纳米管成为红外隐身复合材料的中流砥柱。许多文献表明，碳纳米管的强度是钢的100倍，密度是钢的六分之一。此外，碳纳米管具有约6 000 W/mK的高导热率，且导电率远高于铜。这些优势将成为多壁和单壁碳纳米管在红外隐身领域应用的关键。低红外发射率材料能以涂层和复合材料的形式制备。

2016年，CHU团队成功开发了银颗粒改性碳纳米管纸（SMCNP），并制备了一种具有超低红外发射率的SMCNP/玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料用于红外隐身，以解决飞行器中金属添加剂和纤维增强聚合物（FRP）复合材料难以形成整体的问题。此外，静电纺丝是生产薄膜的独特方法。静电纺丝可以生产2纳米到几微米的纤维。2018年，FNAG等人通过静电纺丝制备聚偏二氟乙烯（PVDF）纤维膜和单壁碳纳米管（SWNT）改性PVDF（命名为SWNT/PVDF）（图6）。壳聚糖处理后，将金纳米粒子浸入金溶胶中并搅拌以修饰薄膜。在静电力的作用下，Au纳米粒子牢固且非常均匀地固定在两种纤维的表面。研究发现，PVDF和Au-PVDF纤维膜的红外发射率值分别为0.82和0.76，而SWNT/PVDF和Au-SWNT/PVDF薄膜的值分别低至0.77和0.68，说明单壁碳纳米管与金颗粒结合后性能更好。

二维材料石墨烯

石墨烯具有独特的二维蜂窝状晶格结构，从而赋予其相互连通的多孔结构、高表面积、良好的导热性和优异的导电性等性能，被广泛应用于催化、电池、生物医药等领域。然而，石墨烯在传统红外隐身领域，如降低涂层发射率、隔热、吸收热辐射等，既没有表现出突出的性能，也不具备足够的潜力与其强大的性能相匹配，这是因为蜂窝结构对波的散射有强烈的影响。此外，基于热辐射产生原理，由于石墨烯的能隙为零，所以石墨烯本身不发射热辐射。因此，石墨烯很难以传统的方式直接制造具有极低发射率的材料。

但石墨烯可以通过石墨烯层中的离子液体嵌入和外部电压调制，将红外发射率控制在0.3~0.7的范围内。2021年，SHI的团队通过组合石墨烯纳米片和Fe₃O₄纳米粒子，显着增强微波吸收且提供轻巧而坚固的支撑。该团队将其进一步集成到具有隔热性能的PI气凝胶中，并使用聚乙二醇（PEG）作为相变材料，获得了一种新型的兼容电磁和红外的双隐形薄膜。PI/石墨烯/Fe₃O₄杂化气凝胶薄膜具有多孔结构，导热系数低，可以抑制红外热辐射，使其具有红外隐身性。为防止温度随外界不断发生变化，上部采用PI/石墨烯/Fe₃O₄气凝胶/PEG薄膜，既能提供低温显热吸收，又能提供高温潜热吸收，最终实现双重热缓冲，从而更好地协调热力学与红外隐身的关系。

图8 (a) (S1) PI/石墨烯/Fe₃O₄混合气凝胶薄膜、(S2) PI气凝胶/PEG复合薄膜和(S3) PI/石墨烯/Fe₃O₄气凝胶/PEG复合薄膜在加热和冷却过程中记录的红外热成像图像。根据红外热像分析格式确定的(b)加热和(c)冷却过程中温度随时间变化的图像

光子晶体

光子晶体是一种新型结构材料，由于其光子带隙和光子局域化两个特性使得控制物体的自发辐射成为可能。通过调节光子晶体的结构,可以使光子带隙处于特定红外电磁波段,最终在红外波段具备高反射率与低发射特性。利用光子晶体禁带的高反射、低辐射等特点，可以改变目标的红外辐射特性，以干扰探测器的捕获光谱，使其无法被红外线侦察装置侦测到，从而实现红外隐身。目前，光子晶体在红外隐身材料的研究主要集中在一维光子晶体材料和三维光子晶体材料，这两种材料由不同折射率的介电层堆叠而成。

由于一维光子晶体易于设计和制造，近年来许多研究人员对其进行了深入研究。例如DONG Qi等人开发了基于ZnS/Ge的一维光子晶体（1DPCs）,在波长3~5 μm处测量反射光谱，得到了95.1%的平均反射率；使用ET-10红外发射仪测得平均发射率低至0.054，完全满足红外隐身需求。

三维光子晶体的制造方法有微机械加工法、半导体工艺法、激光全息干涉法等。由于三维光子晶体在不同方向上存在很好的对称性，因此利用上述制造方式能够成功得到具有禁带的光子晶体结构，例如层叠的硅棒排列制备三维光子晶体可以有效减少红外波段带隙内目标的红外辐射，并增强带隙外的红外辐射。此外，以钨为代表的三维金属叠层结构具有更宽的禁带，可以选择性地控制辐射。这两种光子晶体红外隐身材料结构复杂，价格昂贵，不利于大规模应用。而胶体基元自组装法因方法简便、容易操作、成本低廉、重复性好等优势，成为一种相对普遍的实验室制备光子晶体方法。LI团队使用机械强度高、化学稳定性强和高温稳定性好的聚苯乙烯胶体微球采用逐层法制备了红外吸收波长为3.30 μm和3.42 μm的三维光子晶体材料，并通过气液界面自组装制备单层聚苯乙烯光子晶体膜。该材料实现了3~5 μm可探测波段红外辐射特性的调制，满足红外隐身要求。

总结与展望

在过去的几十年里，研究人员对红外隐身材料性能的研究主要集中在调整发射率和温度控制进行热管理这两个方面，而对其机理研究不够深入。随着电子技术和先进探测器的不断发展，单波段隐身材料已难以适应现代军事环境。因此，隐身材料的研究需要向多波段兼容隐身方向发展。其中，突破的关键是弄清楚各个电磁频段之间的内在联系。例如对于红外-可见隐身，光谱和背景光谱特性应尽可能一致（0.38 ~ 0.76 μm），需要一个合适的ε来减小目标与背景之间的红外辐射差异（8 ~ 14 μm、3 ~ 5 μm和1 ~ 2.5 μm）。而对于雷达红外兼容隐身，雷达吸波材料需要高吸收率和低反射率，而红外隐身材料需要高反射率和低ε，这就要求综合考虑隐身机理、制备工艺、材料稳定性和兼容性等问题。

目前，实验室制备的样品量很少。如何让合成和设计的材料可以大规模生产，并具有其他优良特性，以确保它们可以在实际环境中使用，仍然是一个很大的挑战。其中，可调整、简便的合成路线备受关注。如何设计具有综合特性的产品也是未来发展的方向之一。例如，耐高温是一个重要因素，因为受保护设备（如飞机）的外表面热平衡温度，飞行时高度很高，普通涂层无法提供隐身性。此外，飞机、舰船等军事装备通常在浓烟、潮湿、气候恶劣的环境下工作，容易产生腐蚀缺陷。因此，耐蚀性对于提高军事装备的质量和可靠性具有重要意义。

为适应环境变化，开发智能隐身材料势在必行。传统的伪装防护技术是静态的，缺乏环境适应性。智能隐身材料具有感知、信息处理、自主指挥和对环境信号作出最佳反应的功能。因此，如何设计能够主动适应环境的智能隐身材料是伪装隐身技术进一步提高军事目标在复杂战场环境中的生存和突防能力的重要发展趋势。

这项研究获得陕西省重点研发计划（2023-YBGY-487）的资助和支持。

审核编辑：刘清