紅外隱身材料未來的發(fā)展趨勢

摘要：隨著紅外探測技術(shù)的迅速發(fā)展，如何提高軍事目標(biāo)的紅外隱身能力成為一個亟待解決的難題，研究紅外隱身材料有著十分重要的意義。本文簡要分析了紅外隱身材料的隱身機理，綜述了低紅外發(fā)射率材料、控溫材料、光子晶體以及智能紅外隱身材料等4類紅外隱身材料近年來的研究現(xiàn)狀，并展望了紅外隱身材料未來的發(fā)展趨勢。

0引言

隨著社會的發(fā)展和科技的進步，在現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)中探測技術(shù)日趨成熟，已成為軍事偵察的必要手段，軍事設(shè)施和武器裝備等面臨的威脅越來越大；隱身技術(shù)作為反偵察的重要方法，自然引起了世界各國的高度關(guān)注。隱身技術(shù)就是利用各種技術(shù)手段來改變目標(biāo)的可探測性特征信息，降低探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、識別目標(biāo)的幾率，由此提高軍事目標(biāo)的生存能力。隱身技術(shù)主要包括可見光隱身、雷達隱身、紅外隱身和磁隱身等，其中紅外隱身技術(shù)扮演著重要角色。該技術(shù)是通過降低或改變目標(biāo)的紅外輻射特征來實現(xiàn)降低目標(biāo)的可探測性，如改變目標(biāo)的紅外輻射特性、降低目標(biāo)的紅外輻射強度、調(diào)節(jié)紅外輻射的傳播途徑等。近年來，紅外探測技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是高探測精度、高分辨率的紅外探測和遙感設(shè)備的問世，對軍事防御系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，研究紅外隱身方法和紅外隱身材料以應(yīng)對敵方的紅外探測受到各軍事強國的高度重視和關(guān)注，而紅外隱身材料作為實現(xiàn)紅外隱身的物質(zhì)基礎(chǔ)，是紅外隱身技術(shù)中不可缺少的部分，已成為人們關(guān)注的焦點。

1紅外隱身機理

紅外線是波長在0.76～1000μm范圍內(nèi)的電磁波，它具有電磁波的粒子性和波動性，也具有與可見光相似的特性，如反射、折射、偏振、干涉和衍射等，熱效應(yīng)比可見光強得多，極易被物質(zhì)吸收。因此實際上紅外線在大氣中傳播很容易被空氣中的水、氣體分子和塵埃等物質(zhì)散射和吸收，使得絕大部分波段的紅外線在傳播過程中會發(fā)生衰減，只有一小部分波段的紅外線可以進行暢通無阻地傳播，這一小部分波段就是通常所稱的“大氣窗口”，包括 0.76～1.5μm、3～5μm和 8～14μm 三個波段。近紅外波段 0.76～1.5μm對應(yīng)于原子能級之間的躍遷和分子振動泛頻區(qū)的振動譜帶，是夜視儀等近紅外偵查探測儀的工作波段。3～5μm 和 8～14μm 兩個波段對應(yīng)于分子轉(zhuǎn)動、振動能級之間的躍遷，是無機物和有機物的吸收光譜區(qū)。其中，3～5μm 波段的紅外線在大氣中有較明顯的衰減，是導(dǎo)彈、飛機等空中武器的紅外制導(dǎo)用探測器工作波段。8～14μm 遠(yuǎn)紅外波段在大氣中衰減較弱，是熱成像系統(tǒng)的工作波段，地面目標(biāo)的威脅主要來自于該波段的紅外探測。

所有溫度高于熱力學(xué)零度的物體都能發(fā)出紅外輻射，不同溫度的物體發(fā)射出來的紅外輻射波長不同，紅外探測系統(tǒng)就是依靠目標(biāo)和背景溫度不同而造成的熱輻射差異來發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)，主要原理是利用紅外的光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過電路放大等處理，將電信號進一步轉(zhuǎn)變?yōu)橐曈X信號，使紅外輻射可視化。紅外探測方法主要有點源探測和成像探測兩種。對于點源探測方法而言，能探測到目標(biāo)的最大距離R為：

式中：J 是目標(biāo)輻射強度；τa 是大氣透過率。這兩項參數(shù)分別反映的是目標(biāo)的紅外輻射特性和輻射的大氣傳輸特性；D 0、NA分別代表紅外探測系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)的接收孔徑、數(shù)值孔徑；ω為瞬時視場；?f為系統(tǒng)帶寬；Vs和Vn分別為信號電平和噪聲電平。這幾項反映的是紅外探測系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)的特性以及信號處理特性。由該式可知，可以通過降低目標(biāo)的紅外輻射特征J使目標(biāo)能被探測的距離減小，來實現(xiàn)紅外隱身。

成像探測主要是探測背景和目標(biāo)發(fā)射的熱輻射能量，通過對比二者的差別來識別目標(biāo)：

式中：C為對比度；EO、EB對應(yīng)于目標(biāo)、背景的輻射能量密度。

基于上述兩種探測方法，要想實現(xiàn)紅外隱身，就要改變目標(biāo)的紅外輻射特征，使其與背景的紅外輻射能接近，盡可能融合到環(huán)境中去，減小目標(biāo)被探測到的幾率，達到隱身的目的。

2紅外隱身材料

由紅外物理學(xué)可知，物體的紅外輻射能符合Stefan-Boltzmann定律：

式中：W是物體的總輻射能，W/m2；σ是玻爾茲曼常數(shù)，5.67032×10-8W?m-2?k-4；ε是物體紅外發(fā)射率；T是物體絕對溫度。由該定律可知，目標(biāo)輻射能力的大小由發(fā)射率和溫度決定，所以降低目標(biāo)表面發(fā)射率和控制目標(biāo)表面溫度是實現(xiàn)紅外隱身的基本途徑。近年來研究較多的紅外隱身材料按照其作用原理大致可以分為低紅外發(fā)射率材料、控溫材料、光子晶體以及智能紅外隱身材料這幾類。

2.1低紅外發(fā)射率材料

低發(fā)射率材料是一類低紅外輻射材料，可降低軍事目標(biāo)表面的紅外發(fā)射率和紅外輻射特征，使其不易被紅外探測系統(tǒng)探測和識別。低紅外發(fā)射率材料按照化學(xué)組成可分為無機低發(fā)射率材料、有機低發(fā)射率材料和有機-無機復(fù)合低發(fā)射率材料，表 1 從常見材料、制備方法及特點等方面簡要介紹了這3類低紅外發(fā)射率。

2.1.1無機低發(fā)射率材料

無機低發(fā)射率材料是低紅外發(fā)射率材料中報道最多、效果最為顯著的一類，在紅外隱身材料領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。

根據(jù)Hagen-Rubens定律：

式中：E(ω)為紅外發(fā)射率；ε0 為介電常數(shù)；ω為電磁波的角頻率；p為材料的電阻率。材料的電阻率越小，即導(dǎo)電性越好，紅外發(fā)射率越低。大部分金屬都具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，成為開發(fā)最早的無機低發(fā)射率材料。在眾多的金屬材料中，鋁粉的性價比最高，是最常用的一種金屬類無機低發(fā)射率材料。該類材料在使用過程中的最大問題是在空氣中易被氧化，氧化后紅外發(fā)射率會升高；并且金屬在對紅外輻射強反射的同時，對可見光和其他波段的電磁波也具有很強的反射能力，很難實現(xiàn)多波段兼容隱身。研究者們嘗試對金屬粒子進行改性以解決這些問題。Fan 等人通過一步水熱法合成了一種新型Al-還原氧化石墨烯（Al@RGO）復(fù)合材料，經(jīng)過碳材料改性后的鋁粉抗氧化性得到提升，并同時具有出色的紅外隱身能力，紅外發(fā)射率最低為0.62。Qin用摻銻氧化錫（ATO）涂覆片狀鋁粉制備了一種紅外-激光兼容隱身材料，研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的片狀鋁粉和各種 Sn/Sb 摩爾比在8～14μm范圍內(nèi)的紅外發(fā)射率，結(jié)果表明Al含量為20%、Sn/Sb 摩爾比為10:1 時該復(fù)合材料具有最佳的紅外-激光兼容隱身性能，紅外發(fā)射率為0.708。

表1 低紅外發(fā)射率材料

金屬材料的紅外發(fā)射率雖然很低，但是受表層形貌的影響較大，并且其兼容隱身性能較差，所以半導(dǎo)體材料成為近年來研究的熱點。半導(dǎo)體材料是一種由金屬氧化物（主體）和摻雜劑（載流子給予體）兩種基本組分構(gòu)成的、介于導(dǎo)體和絕緣體之間的摻雜型材料。摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電率主要是由載流子濃度 N、載流子遷移率μ、載流子碰撞頻率ωt 等參數(shù)控制的，載流子遷移率是材料特有的性質(zhì)，通?？梢酝ㄟ^調(diào)控N和ωt來調(diào)節(jié)材料的紅外發(fā)射率，使其在紅外波段具有較低的紅外吸收。如 Rydzek 等人采用溶膠-凝膠技術(shù)在玻璃基底上制備了摻鋁氧化鋅（AZO）薄膜，并通過優(yōu)化溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變和結(jié)晶過程中的反應(yīng)溫度使制得的薄膜具有所需的電學(xué)和紅外光學(xué)性質(zhì)，優(yōu)化后的 AZO薄膜由致密堆積的微晶組成，層厚度減小、層密度增加，電荷載流子遷移率隨層密度的增加而增加，所制得的薄膜紅外發(fā)射率最低至0.45。Sun通過直流磁控濺射在鎳基合金的拋光表面上沉積 ITO 薄膜，并通過熱處理探索其在高溫環(huán)境下發(fā)射率的變化，結(jié)果表明ITO 膜在 700℃高溫下仍具有較低的紅外發(fā)射率，可用作鎳基合金在高溫下的低發(fā)射率涂層。

2.1.2有機低發(fā)射率材料

有機聚合物材料分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有許多對紅外線有強烈吸收的官能團，導(dǎo)致其紅外發(fā)射率比較高，這極大地限制了有機聚合物材料在紅外隱身材料領(lǐng)域的應(yīng)用。其中，具有獨特電學(xué)、光學(xué)特性的導(dǎo)電聚合物和分子結(jié)構(gòu)簡單的高紅外透明性的有機聚合物成為研究有機低發(fā)射率材料的突破點。

導(dǎo)電高聚物是由具有共軛π鍵的高分子經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)摻雜，使其由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的一類高分子材料，它具有與金屬和半導(dǎo)體類似的電學(xué)、光學(xué)特性，對紅外光有很高的反射性能；并且具有質(zhì)量輕、導(dǎo)電率變化范圍大、材料組成可控性好等優(yōu)點，通常被用作單一組分型紅外隱身材料。但由于其分子鏈呈剛性，且鏈間有著較強的相互作用，大部分導(dǎo)電高聚物都具有難溶難熔、可加工性差的缺點，且一般導(dǎo)電高聚物的價格都比較昂貴，只有對聚苯胺的研究應(yīng)用稍多一些。Yang 等人通過原位聚合合成了（BaFe12O19＋BaTiO3）/聚苯胺復(fù)合材料，并將其引入環(huán)氧樹脂和聚乙烯中作為微波和紅外吸收劑。作者采用熱紅外成像儀分別進行了3～5μm 和 8～12μm 的熱消光測量以評估復(fù)合材料的紅外屏蔽效果，通過熱紅外成像圖表明由BaFe12O19和BaTiO3包覆后的聚苯胺復(fù)合材料被紅外熱成像儀探測到的可能性減小了。

另一類研究較多的有機低發(fā)射率材料是高紅外透明性聚合物。根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)紅外輻射到一種材料的表面上時，一部分能量被物體吸收，一部分被表面反射，一部分被透射出去，即：α（吸收率）＋p（反射率）＋τ（透射率）＝1。結(jié)合基爾霍夫定律：α（吸收率）＝ε（發(fā)射率）可知，吸收率越小的物體，發(fā)射率也越小。高紅外透明性聚合物的分子結(jié)構(gòu)比較簡單，在大氣窗口的紅外吸收較弱，紅外發(fā)射率較低，故可用作紅外隱身材料。文獻中報道具有低發(fā)射率特性且物理機械性能良好的高紅外透明性聚合物多為聚烯烴類（聚乙烯、聚乙烯與聚苯乙烯共聚物 Kraton），橡膠類（硅橡膠、丁基橡膠、三元乙丙橡膠）以及其他聚合物（丙烯酸樹脂、醇酸樹脂、環(huán)氧樹脂和聚氨酯）等。如邵春明等人制備了不同接枝率的高密度聚乙烯接枝馬來酸酐（HDPE-g-MAH）并測試了改性后的聚乙烯在 8～14μm 紅外波段內(nèi)的紅外透明性和紅外發(fā)射率，結(jié)果表明，改性聚合物在8～14μm沒有強吸收峰，有較高的紅外透明性，能得到最低的發(fā)射率0.250。不過高紅外透明性聚合物一般不單獨使用，通常會和一些無機材料進行復(fù)合，主要用作紅外隱身薄膜、紅外隱身涂層的基體樹脂或粘合劑，是復(fù)合型紅外隱身材料的重要組成成分。

2.1.3有機-無機復(fù)合低發(fā)射率材料

有機相與無機相的復(fù)合，彌補了各自的不足，無機相的加入降低了有機基團的飽和度，減弱了分子振動及官能團在紅外窗口的吸收強度，有機相的加入改善了材料的物理機械和加工性能。二者之間的協(xié)同作用使復(fù)合材料的綜合性能更加優(yōu)良，為其在低發(fā)射率紅外隱身材料的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)外研究較多的有機-無機低紅外發(fā)射率材料主要有薄膜和涂層兩大類，涂層材料具有成本低、施工簡單的優(yōu)勢，可以在不改變原有軍事裝備外形、結(jié)構(gòu)的前提下，使目標(biāo)具有隱身性能，所以得到了更為廣泛的研究和應(yīng)用。

低發(fā)射率涂層材料主要由粘合劑和填料組成，粘合劑是涂層材料的主要成膜物質(zhì)，需要具有較好的紅外透明性以及較好的機械性能、耐腐蝕性能等。粘合劑通常有無機粘合劑和有機粘合劑兩類。用于紅外隱身材料的無機粘合劑主要是無機硅酸鹽和無機磷酸鹽，如Zhang利用Cr39Ni7C粉末和無機硅酸鹽分別作為填充劑和粘合劑制備了具有良好耐熱性能的低紅外發(fā)射率涂層，紅外發(fā)射率為0.59。無機粘合劑雖然結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的紅外透過率，但其物理機械性能和成膜性較差，所以對無機粘合劑的研究和應(yīng)用相對較少。有機粘合劑相比之下有更好的力學(xué)性能和粘接性，在紅外隱身涂層中的應(yīng)用更為廣泛，例如上述所提到的一些高紅外透明性聚合物：三元乙丙橡膠、環(huán)氧樹脂、聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等。填料是低發(fā)射率涂層的一個重要組成部分，主要有金屬填料和半導(dǎo)體填料兩類，國內(nèi)外對金屬填料的研究較多。粘合劑和填料是調(diào)控涂層紅外隱身性能的重要因素，此外還有材料本身結(jié)構(gòu)對紅外發(fā)射率的影響：

1）粘合劑。粘合劑對涂層紅外發(fā)射率的影響主要從粘合劑的紅外透明性和粘度兩方面進行分析。粘合劑種類不同，所含有的基團種類不同，對紅外線的吸收也會有所不同，可以通過粘合劑的紅外吸收光譜得出其吸收系數(shù)的大小，通常吸收系數(shù)越小，基體樹脂的紅外透明性越好，紅外發(fā)射率越低。Liu根據(jù)涂料的固化過程，研究了基體樹脂粘度對涂料紅外發(fā)射率的影響。在涂料的固化過程中，鋁粉會因粒徑大小不同而沉降在不同的水平位置，沉降速率將直接影響低發(fā)射率涂層中鋁粉的分布。沉降速率和基體樹脂粘度之間的關(guān)系可用斯托克斯定律描述：

式中：U0是沉降率；Rc是填充顆粒的大??；pc和ps分別是填充顆粒和基質(zhì)顆粒的密度；ηs為體系粘度。根據(jù)公式可知，樹脂粘度越大，沉降速度越小。當(dāng)鋁粉的沉降速度低時，涂層固化后鋁粉表面的基質(zhì)樹脂膜就會比較?。ㄤX粉處在靠近涂層表面的位置），因此，樹脂粘度高的涂層的紅外發(fā)射率會降低，結(jié)果如圖1所示。

2）填料。填料的種類、形貌、粒徑和用量都會對涂層的紅外發(fā)射率產(chǎn)生影響。不同金屬的發(fā)射率是不同的，He以三元乙丙橡膠為粘合劑，使用不同的金屬粒子（包括Cu、Al、Ni、Ag等）為填料制備低紅外發(fā)射率涂層，對比發(fā)現(xiàn)不同種類填料的涂層紅外發(fā)射率是有很大差別的。在形貌方面一般片狀金屬填料的發(fā)射率最低，其次是柱狀和球狀的，原因主要是片狀填料粒子在涂層中能夠均勻分布，在表層形成致密的紅外反射層，有效反射紅外輻射。Liu使用了不同目數(shù)的鋁粉來探究填料粒徑對紅外發(fā)射率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖1 不同粘度的涂層的紅外發(fā)射率

從圖2中可以看到，隨著鋁粉尺寸的減小，紅外發(fā)射率先增大再減小最后又增大。這是因為紅外發(fā)射率與涂層的紅外吸收和散射系數(shù)存在著如下關(guān)系：

式中：p是涂層表面的反射率；A是吸收系數(shù)；S是散射系數(shù)；n是涂層折射率。

圖2 不同鋁粉尺寸的涂層的紅外發(fā)射率曲線

涂層中的鋁粉粒徑大小決定了散射系數(shù)，散射系數(shù)與涂層的紅外發(fā)射率成反比，故鋁粉粒徑大小會影響涂層的紅外發(fā)射率。325 ～ 800目的粒徑范圍屬于大顆粒散射范圍，在此范圍內(nèi)，散射系數(shù)隨顆粒尺寸的減小而減小，涂層的紅外發(fā)射率逐漸增大；尺寸在800 ～ 1000目的鋁粉處于Mie散射范圍內(nèi)，散射系數(shù)與顆粒尺寸成反比，而紅外發(fā)射率則相反；在 1000 ～ 1500目尺寸范圍內(nèi)主要是瑞利散射，粒徑的減小導(dǎo)致散射系數(shù)的減小，紅外發(fā)射率增大。另外，作者研究發(fā)現(xiàn)隨著鋁粉含量的增加，涂層的紅外發(fā)射率逐漸降低，通過對比15%（圖3(a)）和30%（圖3(b)）含量鋁粉的涂層的SEM圖得知，鋁粉含量較多時能形成致密的反射層，使鋁粉的紅外反射率增加，有利于降低涂層的紅外發(fā)射率。此外，葉圣天還提到材料的紅外發(fā)射率跟材料的導(dǎo)電率成負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著金屬填料的增加，涂層的導(dǎo)電率增加而使發(fā)射率降低。

圖3 不同鋁粉含量涂層的紅外發(fā)射率曲線和SEM圖：(a) 15 weight%(wt%);(b) 30 wt%

3 ）粘合劑和填料之間的相容性。無機相和有機相的物理及化學(xué)性能存在著一定的差別，這可能會導(dǎo)致在復(fù)合的時候出現(xiàn)不易混合均勻、相容性較差的問題，從而影響材料的紅外發(fā)射率。所以有時需要通過對無機填料進行表面改性或者對粘合劑進行接枝改性等以提高兩相之間的相容性。李冬琳等人通過硅烷偶聯(lián)劑對鋁粉進行改性，并對比了分別以未改性鋁粉、改性鋁粉為填料所制得的復(fù)合涂層的紅外發(fā)射率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，后者的紅外發(fā)射率明顯低于前者的發(fā)射率。作者對這兩種復(fù)合涂層的顯微圖進行對比分析發(fā)現(xiàn)，改性后的鋁粉團聚現(xiàn)象減少，能夠在樹脂基體中均勻分散并在其表層形成了致密的紅外反射層，從而有效地減少紅外輻射的吸收，降低了紅外發(fā)射率。Shao將對金屬具有良好親和力的馬來酸酐（Maleicanhydride，MAH）接枝在三元乙丙橡膠（Ethylene-Propylene-DieneMonomer，EPDM）上，極性基團的引入使Cu粉與EPDM形成良好的界面相互作用，EPDM同填料的相容性得到了極大的改善，故與EPDM/Cu涂層相比，EPDM-g-MAH/Cu涂層具有更低的紅外發(fā)射率。

4 ）材料本身的一些結(jié)構(gòu)特點也可能會對紅外發(fā)射率產(chǎn)生影響，如涂層厚度、表面粗糙度等。Chu研究了在8 ～ 14μm紅外波段內(nèi)樣品厚度與發(fā)射率的關(guān)系，結(jié)果表明隨著厚度的增加，紅外發(fā)射率略有下降，不過變化比較小，說明樣品厚度對紅外發(fā)射率的影響較弱。材料表面粗糙度對紅外發(fā)射率的影響可根據(jù)電磁波作用于不同粗糙度涂層的示意圖（如圖4）來分析，圖4(a)為光滑表面，大部分電磁波被涂層反射，一小部分被吸收；而電磁波作用于粗糙表面時吸收部分明顯增加，反射率降低（圖4(b)）。故與粗糙涂層相比，光滑涂層具有更高的反射率和更低的吸收率，從而發(fā)射率也較低。Larciprete提到表面粗糙度的增加會導(dǎo)致比表面積的增加，從而導(dǎo)致發(fā)射率的增加。

總之，對于有機-無機低發(fā)射率復(fù)合涂層而言，影響紅外發(fā)射率的因素有很多，在實際使用過程中需要優(yōu)化最佳使用條件。

2.2控溫材料

根據(jù)Stefan-Boltzmann定律，物體的紅外輻射能量與溫度成正相關(guān)，控制物體的溫度可以有效降低其紅外輻射能量。控溫紅外隱身材料就是基于這一原理，通過降低目標(biāo)表面溫度變化范圍的方法來實現(xiàn)紅外隱身的，主要包括隔熱材料和相變材料兩類。

2.2.1隔熱材料

隔熱材料是利用其熱導(dǎo)率低的性質(zhì)，阻隔物體發(fā)出的熱量使其不會發(fā)散出來，從而達到降低物體紅外輻射強度的目的，起到紅外隱身的效果。多孔材料是最常見的一類隔熱材料，由于材料內(nèi)部具有很多孔隙，而孔隙內(nèi)的空氣導(dǎo)熱系數(shù)一般較低（約為0.026W/m?K），會阻礙熱流的傳遞，因而起到隔熱的作用。研究較多的主要有聚合物微球、空心陶瓷微珠、氣凝膠等。

1 ）聚合物微球常為苯乙烯和不飽和聚酯共聚物，微球中含有許多封閉的小孔或微泡。費逸偉研究了聚合物微球作為新型熱紅外涂料用填料的使用性能以及降溫效果和對涂料紅外發(fā)射率的影響。研究發(fā)現(xiàn)使用粒徑約200目的聚合物微球為填料制備涂料，其固含量少于20%時制備的涂層表面光滑且降溫效果最佳，并且聚合物微球?qū)ν苛系陌l(fā)射率沒有明顯的影響。

2 ）空心陶瓷微珠是一種性能穩(wěn)定、尺寸微小的中空結(jié)構(gòu)球體，具有優(yōu)異的隔熱性能，能使被保護目標(biāo)的紅外輻射能較包覆前明顯降低。呂曉猛利用化學(xué)鍍鎳工藝制備了一種空心陶瓷微珠基紅外低發(fā)射率材料，對其發(fā)射率和熱輻射能等紅外性能進行表征，并將其與幾種常用填料——鋁粉、鋅粉、鐵粉等進行比較。結(jié)果表明該材料在8 ～ 14μm波段平均紅外吸收率從34.2%降至13.9%，紅外發(fā)射率從0.85降至0.65；在相同溫度下空心微珠的紅外輻射能明顯低于常用金屬填料，可作為一種較為理想的隔熱材料應(yīng)用于紅外隱身涂料研制領(lǐng)域。

3 ）氣凝膠是凝膠材料中的溶劑被氣體取代后形成的一種納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分散固態(tài)材料，由于這些納米多孔結(jié)構(gòu)，氣凝膠通常表現(xiàn)出低密度、高孔隙率和低導(dǎo)熱率的特征。氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)主要由固態(tài)導(dǎo)熱、氣態(tài)導(dǎo)熱和輻射導(dǎo)熱3部分組成。SiO2氣凝膠的氣相傳導(dǎo)和固相傳導(dǎo)在常溫常壓下可以達到最小，但它存在強度低、易碎等缺陷，一定程度上限制了它的應(yīng)用。Liang通過溶膠 - 凝膠法制備了摻雜以硅烷偶聯(lián)劑KH550改性六鈦酸鉀晶須（PTW）的Al2O3-SiO2復(fù)合氣凝膠。該復(fù)合氣凝膠不僅顯示出SiO2氣凝膠在隔熱方面的優(yōu)勢，而且在強度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更好，從而克服了SiO2氣凝膠可用溫度范圍較窄、低強度和易碎性方面的缺點。PTW是一種隔熱性能優(yōu)良、紅外反射率高的紅外遮光劑，可以有效地減少紅外輻射的傳播。除對SiO2氣凝膠進行改性之外，研究者們也開發(fā)了其他類型的氣凝膠如聚合物氣凝膠以解決傳統(tǒng)氣凝膠強度低的問題：Xiang通過雙向冷凍技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)可成型性好、機械強度高、隔熱性能優(yōu)良的雙向各向異性聚酰亞胺/細(xì)菌纖維素（bidirectional anisotropicpolyimide/bac-terial cellulose，b-PI/BC）氣凝膠，如圖5所示，聚酰亞胺使復(fù)合氣凝膠的力學(xué)性能更強，而細(xì)菌纖維素在氣凝膠中的均勻分散可以抑制收縮并保持結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致更高的孔隙率和更低的密度，從而減少整個氣凝膠的熱傳導(dǎo)。

圖4 電磁波作用于不同表面粗糙度：(a)光滑表面和(b)粗糙表面的原理圖

圖5 b-PI/BC氣凝膠的結(jié)構(gòu)和隔熱性能

2.2.2相變材料

相變材料（phase change material，PCM）是指以潛熱形式儲存和釋放能量的材料，利用其在相變溫度發(fā)生物相轉(zhuǎn)變時伴隨的吸熱或放熱效應(yīng)來保持溫度不變的特性，減小軍事目標(biāo)與環(huán)境間的溫度差，從而達到紅外隱身的目的。相變材料根據(jù)不同的分類方式可分為多種相變材料，如圖6所示，其中固 - 液相變材料具有潛熱大、方便且容易控制的優(yōu)勢，應(yīng)用較為廣泛。

圖6 相變材料的分類

微膠囊相變材料（MPCM, micro-encapsulatedphase change material）是利用微膠囊技術(shù)在固 - 液相變材料微粒的表面聚合得到具有核殼結(jié)構(gòu)的相變材料。如郭軍紅采用種子微懸浮聚合法，以月桂酸為相變芯材，苯乙烯 - 二乙烯基苯共聚物為壁材，分別摻雜納米Fe3O4和還原氧化石墨烯（RGO），制備了具有紅外微波兼容隱身功能的微膠囊材料。Liu制備了一種外殼為氧化石墨烯薄片補丁結(jié)構(gòu)（蠟@PDVB@GO）、石蠟包埋的聚合物微膠囊相變材料，通過紅外熱圖像發(fā)現(xiàn)當(dāng)該微膠囊的相變溫度與環(huán)境溫度相差很大時，該復(fù)合膜對紅外虛假檢測具有良好的效果；當(dāng)相變溫度接近環(huán)境溫度時，它具有良好的紅外隱身效果。對比傳統(tǒng)的PCM，MPCM在內(nèi)核發(fā)生固 - 液相轉(zhuǎn)變，而其外層的聚合物膜始終保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使得材料整體在宏觀上表現(xiàn)為固態(tài)微粒，解決了固 - 液相變材料在物態(tài)變化過程中易泄露、儲熱放熱不穩(wěn)定的缺陷，更加有利于固 - 液相變材料的發(fā)展應(yīng)用。

2.3光子晶體

光子晶體（Photonic crystal，PC）是一種由介電常數(shù)（或折射率）不同的介質(zhì)材料在空間周期排布而成的人工微結(jié)構(gòu)材料，按照介質(zhì)材料在空間的排列構(gòu)型可將其分為一維、二維和三維光子晶體。光子晶體最基本的特征是具有光子帶隙，頻率在該帶隙范圍內(nèi)的電磁波會發(fā)生很強的反射作用。根據(jù)能量守恒和基爾霍夫定律，當(dāng)透射率一定時，材料的反射率對發(fā)射率具有決定性作用：反射率越高，吸收率越低，則發(fā)射率越低，光子晶體就是利用光子帶隙的高反射特性來實現(xiàn)紅外隱身的。光子帶隙受介質(zhì)材料的折射率之比、光子晶體的周期結(jié)構(gòu)等因素的影響，故可以通過材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計將光子帶隙置于特定的紅外波段上，從而實現(xiàn)某特定波段的紅外隱身。

2.3.1介質(zhì)材料的折射率之比

光子晶體若要對某頻率波段的光產(chǎn)生禁帶效應(yīng)，必須滿足介質(zhì)材料的介電常數(shù)/折射率變化幅度較大這一條件，且光子帶隙的寬度與組成光子晶體的介質(zhì)材料的高低折射率之比是成正比的關(guān)系，介質(zhì)材料的折射率之比越大，光子晶體的禁帶效應(yīng)越明顯。彭亮選用Ge作為高發(fā)射率材料，ZnS和MgF2作為低發(fā)射率材料，分別構(gòu)造Ge/ZnS和Ge/ MgF2兩類復(fù)合光子晶體來研究亞層材料高低折射率之比對光譜反射率的影響，通過對比它們的紅外反射曲線發(fā)現(xiàn)，在其他參數(shù)條件全部一致的情況下，介質(zhì)材料的高低折射率之比越大，展寬高反射帶的效果越好，光子晶體在3 ～ 5μm和8 ～ 14μm波段的紅外反射率有一定程度的提高，該結(jié)果證實了上述觀點。

除選用兩種折射率不同的材料來獲得高低折射率交替的材料外，還有一種途徑是同一種材料通過改變密度來獲得不同的折射率。Kelly等人在隔熱涂層中改變填料7%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（7%Yittria-Stabilized Zirconia，7YSZ）的密度，制備了20層的梯度層，該結(jié)構(gòu)的隔熱涂層在1316℃下測試2h后能夠使熱量的傳遞降低30%，并且通過對比固定層和可變層的反射率表明，通過控制Al2O3和7YSZ的密度，涂層的反射率可以在所需波長范圍內(nèi)增加。

2.3.2周期結(jié)構(gòu)

光子晶體還可以通過周期結(jié)構(gòu)設(shè)計來調(diào)控光子帶隙，可從介質(zhì)材料的單層厚度、周期數(shù)、異質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面著手進行設(shè)計。

光子晶體的層厚設(shè)計主要是基于光的干涉原理，根據(jù)光學(xué)多層膜的四分之一波長理論，當(dāng)入射光波長為λ0時，在基底材料上鍍每層光學(xué)厚度均為λ0 /4 或λ0 /4奇數(shù)倍的高、低折射率交替的介質(zhì)多層膜，則能夠得到較高的反射率，即nd ＝λ0 /4 ，其中n、d、λ0分別指折射率、物理厚度和中心波長。Dong利用這一原理設(shè)計了一種新穎的復(fù)合結(jié)構(gòu)PTFE/ Hs/(Ge/ZnS)3 ，以實現(xiàn)可見光 - 紅外 - 雷達光譜選擇性相容。交替層Ge和ZnS構(gòu)建而成，具有3個周期的交替層Ge和ZnS對應(yīng)于10.5μm的中心波長，高低折射率（n）介電材料的子層厚度（d）通過方程nd＝λ0 /4確定，最終得到的多層復(fù)合膜平均紅外發(fā)射率為0.196。彭亮設(shè)計Ge/ZnS光子晶體通過上述方法確定了一個周期內(nèi)高低折射率層的光學(xué)厚度，并在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)Ge和ZnS的單層厚度比，如圖7所示，當(dāng)Ge和ZnS的厚度比發(fā)生變化時，反射區(qū)域也會發(fā)生相應(yīng)地變化，通過該法可以進一步調(diào)節(jié)不同波段的紅外反射率。

理想的光子晶體周期數(shù)可以是無限大的，但實際制備出來的光子晶體周期數(shù)都是有限的，所以實際光子晶體的光子帶隙并不是嚴(yán)格意義上的全反射帶，光子晶體的反射率會隨著周期數(shù)的減少而降低，這就為設(shè)計不同發(fā)射率的光子晶體提供了基礎(chǔ)。Zhang使用光學(xué)鍍膜技術(shù)在石英基板上制備了在8 ～ 14μm波段具有低紅外發(fā)射率的 Ge/TiO 2一維光子晶體，研究了周期數(shù)對一維光子晶體紅外發(fā)射率的影響。計算結(jié)果如圖8所示，隨著周期數(shù)的增加，光子晶體在8 ～14μm波段顯示出清晰的反射峰，并且強度顯著增加。當(dāng)周期數(shù)達到5后再繼續(xù)增加周期數(shù)，反射峰的強度變化不大，逐漸趨于穩(wěn)定。同時考慮到周期數(shù)越大，制備工藝方面的困難會增加，影響光子晶體質(zhì)量的問題，在設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)實際情況需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

圖7 不同厚度比的Ge/ZnS光子晶體反射率曲線

圖8 不同周期數(shù)Ge/TiO 2一維光子晶體的反射光譜

光子晶體可通過調(diào)節(jié)其周期結(jié)構(gòu)獲得寬光子帶隙，但要使其在中紅外和遠(yuǎn)紅外兩個波段同時呈現(xiàn)較高反射較為困難。周期性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以很好地解決這一問題且能有效拓寬光子帶隙。Zhang用Ge和ZnSe設(shè)計了兩種不同厚度比的一維光子晶體，PC1中Ge和ZnSe的厚度分別為500nm和1400nm，這種結(jié)構(gòu)在8 ～ 14μm 范圍內(nèi)具有高反射率。PC2結(jié)構(gòu)中Ge和ZnSe的厚度分別下降為270nm和430nm，其相應(yīng)的反射率曲線中顯示具有3 ～ 5μm 的高反射波段。然后作者結(jié)合PC1和PC2，將兩種不同厚度比的介質(zhì)層進行交替層疊，得到一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體PC3，從圖9中的反射率曲線可以看到該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光子晶體存在3 ～ 5μm和8 ～ 14μm兩個高反射波段。

圖9 PC3的結(jié)構(gòu)及其反射曲線

2.4智能紅外隱身材料

智能隱身材料顧名思義是智能材料和隱身材料的有機結(jié)合，它可以感應(yīng)自身和背景環(huán)境的差異，并能對感知信號進行處理，促使自身發(fā)生物理或化學(xué)變化，動態(tài)地調(diào)整自身的發(fā)射率，減小目標(biāo)與環(huán)境的輻射對比度，增強目標(biāo)對環(huán)境的適應(yīng)能力。根據(jù)誘導(dǎo)因素的不同，智能隱身材料可分為電致變智能隱身材料和熱致變智能隱身材料。

2.4.1電致變智能隱身材料

電致變智能隱身材料是一類在不同電壓或電流的作用下發(fā)生電化學(xué)氧化或還原反應(yīng)，使得材料組分或材料結(jié)構(gòu)發(fā)生可逆變化，從而使其透射率或發(fā)射率發(fā)生明顯可逆變化的材料。金屬氧化物（如三氧化鎢）和導(dǎo)電高聚物（如聚苯胺、聚噻吩及其衍生物）是兩類極具應(yīng)用前景的電致變色材料。Lu利用磁控濺射法在ITO玻璃上制備了三氧化鎢薄膜，利用氧化鎢做成的晶態(tài)薄膜具有在高價氧化狀態(tài)下無色和紅外發(fā)射率低、在低價還原狀態(tài)下著色和紅外反射率高的特點，通過電化學(xué)方法對三氧化鎢薄膜進行離子的注入和提取以控制其氧化還原狀態(tài)，就可以使表面材料結(jié)構(gòu)發(fā)生可逆性變化，從而可以達到控制其紅外發(fā)射率的目的。實驗結(jié)果表明，該薄膜在8 ～ 14μm波長內(nèi)約有30%的可調(diào)范圍。Tu基于聚鄰甲氧基苯胺（POA）通過循環(huán)伏安法合成了具有可變發(fā)射率特性的電致變色薄膜，該薄膜處于不同電壓下時在8 ～ 14μm波長范圍內(nèi)具有不同的平均發(fā)射率，差異最大值?εmax可以達到0.553。作者通過霍爾效應(yīng)分析了POA薄膜發(fā)射率可調(diào)的原因，結(jié)果表明，當(dāng)POA膜處于不同電勢時會發(fā)生共軛結(jié)構(gòu)的可逆變化，不同分子結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的電導(dǎo)率是不同的，故而紅外發(fā)射率也會相應(yīng)的變化。

2.4.2熱致變智能隱身材料

熱致變智能隱身材料具有隨其自身溫度變化的可調(diào)熱輻射特征，通過感應(yīng)環(huán)境溫度的變化，改變材料的紅外發(fā)射率。目前研究和報道最多的是鈣鈦礦氧化物L(fēng)a1－xSrxMnO3和二氧化釩（VO2）這兩種材料，當(dāng)溫度升高或降低至其相變溫度時，它們會在半導(dǎo)體和金屬之間發(fā)生相轉(zhuǎn)變，紅外發(fā)射率也會有所變化，它們的相變溫度可以通過摻雜來改變。但是 VO2具有一定的毒性，La1－xSrxMnO3制備過程復(fù)雜，并且它們都很昂貴，因此一些研究者便著力于開發(fā)其他易獲得、低成本、環(huán)保且具有優(yōu)異的熱致變色和可變發(fā)射率特性的材料。如Xiang通過固相反應(yīng)制備了Co摻雜的TiO2粉末，深入分析了退火溫度對粉末的形貌和微觀結(jié)構(gòu)的影響，以及對熱致變色和可變發(fā)射率性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，在1100 ℃下退火的粉末紅外發(fā)射率的變化范圍約為0.332，說明Co摻雜的TiO2粉末在智能紅外隱身材料領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

3發(fā)展趨勢

隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展，紅外隱身技術(shù)和紅外隱身材料面臨著更大的挑戰(zhàn)。結(jié)合紅外隱身材料的研究進展，紅外隱身材料的研究仍然存在一些不足，紅外隱身材料的發(fā)展趨勢將表現(xiàn)為以下3方面：

3.1控溫與低發(fā)射率材料相結(jié)合

由Stefan-Boltzmann定律可知，影響目標(biāo)紅外輻射量的因素是目標(biāo)的表面溫度和紅外發(fā)射率。就目前的研究來看，將控制目標(biāo)溫度和降低發(fā)射率這兩種手段相結(jié)合的材料研究較少，而僅通過降低目標(biāo)的紅外發(fā)射率或僅控制目標(biāo)的表面溫度往往不能達到理想的紅外隱身效果。因此，復(fù)合材料的研究可以從控制溫度和降低紅外發(fā)射率兩方面入手，為實現(xiàn)紅外隱身提供雙重保證。

3.2智能隱身材料應(yīng)用化

智能隱身材料的出現(xiàn)推動了紅外隱身材料的發(fā)展，目標(biāo)通過材料的智能調(diào)節(jié)更能適應(yīng)背景環(huán)境，同背景能夠達到更好的融合效果。但目前絕大部分智能材料的研究還停留在實驗室研究階段，日后研究者們應(yīng)該會致力于智能隱身材料的應(yīng)用開發(fā)中，爭取能早日實現(xiàn)智能隱身材料從實驗室走向應(yīng)用市場的目標(biāo)。

3.3實現(xiàn)材料兼容隱身

探測手段的多樣化使得單頻段的隱身材料已無法滿足實際的應(yīng)用需求。因此，研究開發(fā)多頻段兼容隱身材料是很有必要的，如可見光/紅外兼容隱身、雷達/紅外兼容隱身等。目前，可見光/紅外兼容隱身材料研究方面已有進展，而雷達/紅外兼容隱身材料的研究相對較難，因其二者的隱身機理不同，使得對材料的性能要求在一定程度上出現(xiàn)相互制約的關(guān)系，開發(fā)和研究新型材料、對不同的材料進行復(fù)合形成多層結(jié)構(gòu)的隱身材料是解決這個難題的突破點。

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