摘要：紅外探測與隱身技術在現(xiàn)代軍事領域得到越來越廣泛的應用。隨著飛行器等武器系統(tǒng)性能的提升，其固有紅外信號顯著增強，同時，基于光電效應的第三代紅外探測器探測比率、靈敏度等性能大幅提升，紅外隱身技術成為提高戰(zhàn)場生存力和戰(zhàn)斗力的必要手段。

本文從飛行器的紅外輻射特征出發(fā)，分析了紅外信號的分布和影響因素，歸納了以碲鎘汞為代表的第三代紅外探測材料的工作原理、探測性能和發(fā)展趨勢。

介紹了低紅外發(fā)射率涂層在紅外隱身領域的應用現(xiàn)狀，綜述了多元化的新興材料的隱身機制和研究進展，并根據(jù)服役要求，展望了紅外探測材料與紅外隱身材料的發(fā)展前景。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著飛行器性能的進一步提升，典型部件溫度升高導致紅外信號顯著增強，同時，紅外探測器件性能的提升加劇了飛行器被發(fā)現(xiàn)、跟蹤和識別的風險。1967年至1993年間，被擊落的飛機和直升機中89%是由紅外制導武器的攻擊擊落的。

伴隨先進新型半導體材料的出現(xiàn)和制備工藝的進步，紅外探測器向高性能、低成本、小型化方向發(fā)展，進一步增強了紅外制導武器的精確打擊能力。因此，為縮短飛行器被發(fā)現(xiàn)的距離、降低被攻擊的概率，提高在戰(zhàn)場環(huán)境下的生存力，紅外隱身材料和技術獲得了高度關注和快速發(fā)展。

紅外探測之“矛”與紅外隱身之“盾”的相互促進，推動了紅外識別技術的發(fā)展和紅外隱身機制的研究，帶動了半導體材料、隱身材料以及熱學研究領域中其他技術的進步。

本文分析了飛行器的紅外輻射特征，歸納了第三代紅外探測器的探測原理、性能與發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了紅外隱身材料的工作機理、應用與研究進展，并展望了紅外探測材料和隱身材料的未來發(fā)展趨勢。

1 飛行器紅外輻射分布

處于任意溫度下的物體均會向外輻射電磁波，波長處于0.78～1000 μm波段的電磁波稱為紅外輻射。由于大氣分子的吸收作用，可用于探測的波段只有0.76～1.1 μm、3～5 μm及8～14 μm三個波段。

飛行器的紅外輻射來源復雜，圖1所示為噴氣式飛機主要的紅外輻射源分布，包括工作時發(fā)動機（含被加熱的尾噴管等）產生的熱輻射、發(fā)動機排出的高溫尾焰輻射、氣動加熱使蒙皮升溫產生的輻射以及對環(huán)境輻射的反射等。

1.1 尾噴管輻射特性

在工程計算中，常將尾噴管看作溫度均勻、具有漫反射特性的圓柱體，總輻射功率P：

式中：L為光譜輻射亮度；A為輻射源面積，即噴口面積；θ為輻照源法線與觀測方向的夾角。

對于特定探測波段，輻射亮度LΔλ和輻射功率PΔλ分別為：

式中：Mλ為黑體的光譜輻出度；ε為發(fā)射率。

根據(jù)實際觀測，尾噴管為溫度由內向外逐漸降低的圓柱體空腔，空腔的排氣溫度約為進氣溫度的0.85倍。

根據(jù)上述推導，非加力狀態(tài)下，設噴口溫度為800 K，且尾噴管滿足一維定態(tài)熱傳導，則在尾噴管內端的溫度為 941 K；加力狀態(tài)下噴口溫度為1100 K，內端溫度為1294 K。由Wien位移定律λT =2897.79 μm?K，輻射功率集中分布在3～5 μm 波段。

1.2 蒙皮輻射特性

高速運動時，氣體的一部分動能不可逆地轉化為熱能，在蒙皮表面形成熱層，即氣動加熱現(xiàn)象。氣動加熱現(xiàn)象會引起蒙皮溫度場的變化，造成輻射性能的改變。基于經驗公式，通過求貼近蒙皮表面的駐點溫度可求得蒙皮的輻射：

式中：Ts為駐點溫度；Tair為大氣溫度；r為溫度恢復系數(shù)；γ為絕熱膨脹系數(shù)；Ma為飛行馬赫數(shù)。

或利用節(jié)點網格法（圖2），對任一有限面元k建立平衡方程：

式中：Qin、Qenv、Qcon分別代表內熱源被面元吸收的能量、環(huán)境輻射被面元吸收的能量和面元與相鄰面元之間的傳導熱量；Qcv和Qrad代表面元與空氣來流的對流換熱量和面元自身輻射的熱量。對方程進行求解后獲得蒙皮溫度及輻射能量。

圖2 蒙皮面元換熱示意圖

根據(jù)以上對有限面元的能量計算方法，建立三維模型，可基于流場計算軟件對蒙皮溫度場進行分析。通過定義轉變馬赫數(shù)（transition Mach number），Mahulikar 等定義了來流對蒙皮由冷卻作用向加熱作用的轉變。

夏新林等引入壁面熱流函數(shù)進行飛機內部傳熱分析，得到不同飛行狀態(tài)和不同艙段的蒙皮溫度。王杏濤采用標準的κ-ε湍流模型得到不同馬赫數(shù)下蒙皮的溫度場分布。根據(jù)仿真結果，蒙皮溫度為220～340 K，輻射功率集中分布在8～14 μm波段。

1.3 尾焰輻射特征

尾焰在飛行過程中可拖長數(shù)百米，如圖4（a）所示，在近紅外至中紅外波段都可產生較強的輻射，是飛行器被攔截或攻擊的主要危險源之一。

對噴氣飛機尾焰紅外輻射亮度的測量表明，輻射主要集中在噴管出口附近，180°方向尾焰輻射亮度曲線與發(fā)動機噴管形狀一致，90°方向呈對稱包絡分布。尾焰中CO2、H2O、CO等氣體分子的振動是紅外輻射的來源。

分子在不同能級之間的躍遷，發(fā)射或吸收特定能量的光子形成分子光譜。以描述CO振動的諧振子模型為例，其振動頻率νm可表示為：

式中：κ和m分別代表諧振子的力常數(shù)和折合質量。求解諧振子運動的波動方程可得振動能：

式中：υ為振動量子數(shù)，只能取整數(shù)值。

尾焰中高溫氣體的分子從高能級躍遷至低能級時，所發(fā)射光的波數(shù)由下式給定：

式中：ν’與ν”分別是高能態(tài)與低能態(tài)的振動量子數(shù)；h與c分別代表普朗克常數(shù)與光速。諧振子的振動量子數(shù)選擇定則為：

即輻射光的頻率與諧振子的頻率相等。因此，相比于尾噴管和蒙皮全波段分布的紅外輻射，尾焰的輻射信號與尾焰成分直接相關，具有明顯的波長選擇性。CO的輻射波長位于4.83 μm附近，CO2的主要紅外輻射光譜帶為2.65～2.80 μm，4.15～4.45 μm 和13.0～17.0 μm，H2O的為2.55～2.84 μm 和 5.6～7.6 μm。

綜上所述，根據(jù)上述飛行器紅外輻射特性，影響探測效果的因素包括：

（1）探測器的工作波段：在3～5 μm波段尾噴管和尾焰為主要的輻射源，8～14 μm波段蒙皮的輻射占主導地位，尾焰輻射與其成分相關，在2.7 μm和4.3 μm附近有很強的輻射；

（2）飛行狀態(tài)：如在3～5 μm波段下，非加力狀態(tài)下尾噴管的輻射大于尾焰輻射，加力狀態(tài)下尾焰為主要的輻射源，同理，高馬赫數(shù)時蒙皮在8～14 μm波段的輻射功率也更大；

（3）探測角度：尾噴管的輻射強度在沿其法線方向最高，隨探測角度增大而減小。此外飛機的高度特性、遮擋作用、環(huán)境因素等也會對其輻射信號造成影響。

針對目標物體的輻射波長分布和輻射強度，開發(fā)適用于紅外波段的探測器，實現(xiàn)對目標物體紅外信號的實時準確識別，是紅外制導武器、紅外追蹤偵察及紅外預警的首要條件。半導體制備技術的發(fā)展和二維材料的涌現(xiàn)為開發(fā)低成本、高靈敏度、可快速響應的紅外探測器件提供了可能。

2 紅外探測技術

紅外探測器是可以靈敏吸收某一波段的紅外輻射，并將其轉化為可被測量信號的一類能量轉換器件。根據(jù)能量轉換方式的不同，可將紅外探測器分為光熱型和光子型，其中光子型探測器是紅外光子作用后改變材料的電子狀態(tài)，探測效率高，響應速率快。

光子型探測器又可分為光導型和光伏型，前者是吸收光子能量后將電子從半導體價帶轉移到導帶上，改變探測材料的電導率；后者是將光子能量轉化為電子能量，造成半導體的電子-空穴分離態(tài)，從而提供電壓信號。

因此，光子能量大于半導體的帶隙（導帶-價帶能量差）時，便可引發(fā)電子躍遷，即探測器對該輻射波長產生響應。換言之，半導體的帶隙決定了材料可以吸收檢測的紅外光的范圍。

經歷了第一代長線列掃描系統(tǒng)焦平面和第二代凝視系統(tǒng)探測器的發(fā)展，Rogalski等提出，第三代紅外探測器應滿足高性能高分辨多波段探測、非制冷焦平面或低成本的要求之一。本章將針對第三代紅外探測器，概述經典碲鎘汞和量子阱、Ⅱ類超晶格、二維材料等前沿領域的紅外探測材料發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 窄帶隙本征半導體材料

碲鎘汞（HgCdTe，MCT）是基于本征能帶躍遷的窄帶隙直接半導體材料，具有高量子效率和高紅外響應靈敏度及小的暗電流，是目前綜合性能最為優(yōu)異、應用最廣泛的光電探測器。

HgCdTe是由HgTe和CdTe混合而成的贗二元系統(tǒng)，通過連續(xù)的組分調節(jié)可獲得1～30 μm連續(xù)波長的響應。相比于光導型HgCdTe探測器，異質結構的光伏型器件可實現(xiàn)多色成像。中科院上海技術物理研究所對HgCdTe的數(shù)值模型、界面特性、暗電流性質等進行了系統(tǒng)的研究。

目前比較成熟的HgCdTe制備方法一般為液相外延法，分子束外延法或有機化合物氣相沉積法可用于制備復雜HgCdTe結構；但汞碲元素之間的鍵合力較弱，并且汞在高溫條件下易揮發(fā)，不利于摻雜濃度的精準控制，給工藝成本、工藝難度和可重復性都帶來了挑戰(zhàn)。

因此，尋求性能上與HgCdTe相當，在大規(guī)模陣列制備上優(yōu)于HgCdTe的探測材料是目前的研究方向。

近紅外波段的光電傳感器以InGaAs為主。國外已有UTC Aerospace Systems、Sofradir等多家公司關于InGaAs近紅外焦平面探測器的報道，國內中科院上海技術物理研究所在發(fā)展InGaAs高靈敏度常規(guī)波長焦平面探測器領域已經有了顯著的進展，可以制備多規(guī)格大面陣的焦平面探測器。

InSb探測器可用于3～5 μm波段，具有量子效率高、可靠性好、均勻性好的優(yōu)勢，被廣泛應用于空空導彈等武器裝備中，但其存在工作溫度較低、探測波長不可調的限制。

2.2 量子阱紅外探測器

在單質、二元和三元半導體材料的性能難以超越碲鎘汞后，研究逐漸轉向通過調控復合光敏結構的能帶來檢測紅外線。依托現(xiàn)有較為成熟的材料制備工藝，均勻性好、成品率高且關鍵參數(shù)可控性強的量子阱紅外探測器（quantum well infrared detector，QWIP）獲得關注，其中典型代表為GaAs/AlGaAs。

半導體內的導帶/價帶不連續(xù)，形成多周期量子阱，雜質電子占據(jù)量子阱內能級，電子吸收紅外輻射光子躍遷到激發(fā)態(tài)后形成光電流。NASA所報道的焦平面QWIP在中遠紅外范圍內的探測性能已與現(xiàn)有的HgCdTe接近；

但QWIP存在工作溫度低、光吸收量子效率低以及對垂直光不能直接吸收等問題，其暗電流也大于HgCdTe探測器，與應用需求之間仍有較大差距。

2.3 Ⅱ類超晶格

Ⅱ類超晶格半導體材料具有與QWIP相似的周期性結構，但在能帶結構上存在差異。如圖6所示，構成Ⅱ類超晶格的兩種材料，其中一種的禁帶結構不完全包含于另一種，如禁帶錯位型Ⅱ類超晶格InAs/GaSb。

InAs/GaSb類型的材料可以實現(xiàn)電子-空穴的有效分離，電子將集中于超晶格材料的某一層，而空穴會處于材料的另外一層，這種有效的分離會顯著抑制電荷-空穴的俄歇復合，有望表現(xiàn)出優(yōu)于HgCdTe的探測性能。

西北大學報道的M-載流子摻雜的InAs/GaSb超晶格結構在77 K時的探測率與HgCdTe相當。調整超晶格的結構參數(shù)可實現(xiàn)對探測波長的調節(jié)，避免了材料成分對性能的影響。徐志成等提出的MBE方法制備的Ⅱ類超晶格探測材料已率先應用于國內焦平面紅外探測器。

2.4 二維材料及其異質結構

隨著微納制造技術及層裝材料組裝技術的發(fā)展，石墨烯為代表的二維材料以及異質結構因其獨特的光學性質，展現(xiàn)出在紅外探測領域的應用潛力。石墨烯與硅波導結構復合或制備石墨烯基Fabry-Perot微腔，可極大提高探測器的光增益。

將石墨烯與量子點（quantum dots，QDs）復合，也可獲得超高增益。石墨烯自身的零帶隙特征限制了其光響應率，異質結構可有效控制電荷傳輸，降低暗電流，石墨烯/砷化銦（InAs）納米線異質結構的光響應率可達傳統(tǒng)石墨烯結構的5000倍。

除石墨烯外，目前處于研究中有望應用于中紅外檢測的二維材料還包括硒化物、黑磷和黑磷砷（b-P/b-PAs）等。二維材料光電轉換過程的多種物理機制，包括Seebeck效應、光誘導局域場調控等，為量子效率高、靈敏度好的高性能紅外探測器件設計與制備提供了理論基礎。

同時，發(fā)展低成本高穩(wěn)定性的二維材料探測器件是滿足大規(guī)模市場化應用的必然需求。

對新型探測材料的評價標準包括探測比率、靈敏度、量子效率等參數(shù)，其與HgCdTe的性能對比如表1所示。憑借優(yōu)異的探測性能，碲鎘汞探測器已獲得大規(guī)模應用，隨基礎理論研究與制備技術的進步，開發(fā)探測性能與HgCdTe相比擬，且可大規(guī)模制備、服役性能穩(wěn)定的新型光電探測材料是未來紅外探測發(fā)展的方向。

3 紅外隱身材料

為應對探測器發(fā)展所帶來的紅外威脅，對紅外隱身技術的需求日益迫切。物體的輻射強度取決于其溫度和發(fā)射率，涂敷低發(fā)射率材料可在不改變整體設計的前提下，直接改變物體的輻射特性，因此現(xiàn)有紅外隱身材料多集中于低發(fā)射率涂層的研制；變發(fā)射率材料和隔熱氣凝膠等新興材料的出現(xiàn)則為實現(xiàn)紅外隱身提供了新的思路。

3.1 低紅外發(fā)射率材料

傳統(tǒng)的紅外隱身材料多具有低紅外發(fā)射率特性。金屬材料與電磁波的相互作用體現(xiàn)在金屬導帶內自由價電子的帶內躍遷，其吸收波長通常在可見或紫外線波段，在紅外波段表現(xiàn)出極低的發(fā)射率。

在遠離其帶隙波長的中紅外和遠紅外區(qū)域，半導體材料的自由載流子與紅外光的相互作用類似于金屬，但半導體材料可以通過改變摻雜濃度調整介電參數(shù)，獲得兼容隱身材料。

對于極性晶體，光波電磁場與晶體的橫光學模相互耦合很強，在橫光學模振動特征頻率所對應的狹窄范圍內，反射率可接近100%，這一狹窄頻段的光譜帶被稱為剩余射線區(qū)域。

在自由載流子濃度很低的情況下，材料在剩余射線區(qū)的反射率很高，然而大多數(shù)極性晶體的剩余反射區(qū)都在遠紅外區(qū)，不滿足實際紅外隱身波段的需求。

材料表面的幾何性質（如粗糙度等）對涂層材料的發(fā)射率有直接的影響。相比于光滑表面，粗糙表面可直接增大輻射面積，且光線在粗糙表面微觀形貌之間的往復反射也會增大輻射功率。

考慮發(fā)射率隨角度的變化，假設光滑金屬表面的發(fā)射率在0°和60°方向分別為ε（0°）=0.04，ε（60°）=0.05，相應的輻射強度為0.114，粗糙表面總的輻射強度接近光滑平面的三倍。

3.1.1 金屬涂層材料

除了上述極低的紅外發(fā)射率外，金屬兼具了高熔點、耐化學腐蝕以及良好的抗氧化性和熱穩(wěn)定性，可用作高溫環(huán)境下服役的低紅外發(fā)射率涂層，如應用于尾噴管腔體中的末級渦輪葉片、中心錐、支板等部件表面。

在高溫合金基體上磁控濺射制備Pt或Au/Ni涂層，可在600 ℃下較長時間內保持低發(fā)射率（約0.2）。Sivasankar驗證了粗糙度對涂層發(fā)射率的影響，改變Ag薄膜和玻璃基底之間的浸潤性，發(fā)射率可由0.22降至0.09，旋涂法制備的納米銀涂層也表現(xiàn)出這一性質。

Li等報道的橋接納米Pt和電沉積Ag薄膜的方法實現(xiàn)了可調整的紅外輻射。但金屬涂層在高溫使用過程中基體元素擴散會引起發(fā)射率急劇升高，需要在涂層和基體之間引入阻擴散層，以實現(xiàn)涂層的長期穩(wěn)定服役。

再者金屬薄膜的制備對設備要求較高，且工件大小受限于設備尺寸，需要開發(fā)適用于大型構件表面的涂層制備工藝。

3.1.2 半導體材料

作為低發(fā)射率半導體材料的代表，摻錫氧化銦（ITO）對紅外線的反射率 》 70%，透光率 》 95%，可滿足兼容隱身的需求。磁控濺射法制備的ITO薄膜的發(fā)射率低于0.2，在700 ℃條件下服役150 h后仍性能穩(wěn)定。

超結構ITO薄膜可兼具雷達隱身和紅外隱身性能。相比于ITO，Al、Ga等摻雜ZnO形成的摻鋁氧化鋅（AZO）和摻鎵氧化鋅（GZO）價格低廉，調整制備工藝或涂層結構，AZO發(fā)射率可降至0.45左右。通過調控材料性能，提升兼容隱身性能，半導體材料有望滿足寬波段隱身的發(fā)展需求。

3.1.3 填料/黏結劑涂層

填料/黏結劑涂層主要由低發(fā)射率填料（金屬微粉、半導體材料微粉等）和紅外透明黏結劑（環(huán)氧樹脂、三元乙丙橡膠等）構成。受樹脂工作溫度限制，此類涂層多應用于飛機蒙皮或坦克表面等溫度較低的部位。

為應對更高服役溫度的需求，目前對黏結劑的研究熱點集中于高溫黏結劑，包括無機耐高溫黏結劑（硅酸鹽和磷酸鹽等）和有機耐高溫黏結劑（聚氨酯和有機硅等）。

根據(jù)漫反射條件下的二能流理論，涂層反射率由填料粒子形狀、尺寸參數(shù)、電磁參數(shù)以及粒子的濃度等因素決定，圖8直觀展現(xiàn)了填料性質對涂層發(fā)射率的影響，相比于球形填料，相同比例下片狀填料反射率更高、發(fā)射率更低；

填料/黏結劑體系因制備工藝簡單、便于實現(xiàn)性能調控，應用更為廣泛。涂層耐候性及服役性能也是目前研究的重點內容。

在3～5 μm和8～14 μm波段陶瓷材料的發(fā)射率一般較高，因此低發(fā)射率陶瓷涂層的設計多從結構角度入手，如zig-zag或多層結構。總體來看，并沒有關于低紅外發(fā)射率陶瓷涂層成熟應用的報道。

金屬涂層在高溫下也表現(xiàn)出極低的發(fā)射率，但仍需提高涂層的服役穩(wěn)定性，并降低涂層制備對設備的依賴性，以實現(xiàn)在更高溫度下的大規(guī)模應用。對半導體材料成分、結構的準確調控是獲得兼容隱身的有效途徑。

為適用于日益苛刻的服役環(huán)境要求，填料/黏結劑涂層需降低黏結劑的本征發(fā)射率并提高其在高溫復雜環(huán)境下的力學性能。

對涂敷低發(fā)射率涂層的飛行器輻射特性模擬結果表明，改變蒙皮、中心錐和混合器的發(fā)射率，在機身正后向小角度范圍內3～5 μm波段輻射強度明顯降低，8～14 μm波段的輻射強度在所有方向均可降低40%以上。

相同工況下對排氣系統(tǒng)的實驗測量結果顯示，相比于僅涂敷軸對稱收斂噴管的中心錐或混合器內表面，二者同時涂敷低發(fā)射率涂層時的紅外抑制效果最好。

3.2 新興紅外隱身材料

根據(jù)外界環(huán)境變化主動調整自身的紅外輻射特性，增強自身與外界環(huán)境的融合程度，實現(xiàn)動態(tài)隱身效果，是復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境發(fā)展的必然需求。對目標物體進行有效的熱管理也是實現(xiàn)紅外隱身的途徑之一。因此相變材料、氣凝膠等新興的材料因其獨特的光學或熱學性質進入了人們的視野。

3.2.1 相變材料

輻射功率受發(fā)射率ε的直接影響，對大多數(shù)材料而言，發(fā)射率受溫度變化的影響較小，可將發(fā)射率視為常數(shù)，但隨溫度等外界條件的變化，相變材料的結構會發(fā)生明顯改變，同時產生光學/電學性質的突變，實現(xiàn)紅外偽裝目的。

作為一種典型的相變材料，二氧化釩（VO2）在341 K時發(fā)生絕緣體-金屬的一級結構轉變，由圖9（a）所示的單斜相（M）轉變?yōu)閳D9（b）所示的金紅石相（R）。相變前后電阻發(fā)生突變，同時發(fā)射率突變可達0.6，可達到動態(tài)隱身效果。

VO2粉末憑借技術和經濟優(yōu)勢，更適用于大規(guī)模復雜表面，如VO2粉末與樹脂混合在織物上制備成涂層可用于軍事駐點的紅外偽裝，且粉末結構有利于相變應力釋放。Ji等提出了蘋果酸輔助水熱法合成VO2納米粉末，進一步簡化粉末制備流程。

關于相變過程的物理機制仍存在爭議，主流觀點包括了電子關聯(lián)驅動的Mott轉變、晶格結構驅動的Peierls轉變或是兩種機制共同驅動的轉變，近場紅外掃描顯微鏡、飛秒激光泵浦-探測等進一步推動了對相變機制的研究。

熱致相變的溫度直接影響VO2的實際應用，W、Mo等元素的摻雜可調整VO2晶格的局部電子密度，改變其相變溫度。

除VO2外，其他相變材料也引起關注。具有無滯后漸進式相變性質的SmNiO3的發(fā)射率與溫度的四次方成反比關系，由Stefan-Boltzmann定律可知，其宏觀表現(xiàn)為輻射功率不隨溫度改變。

熱處理或激光脈沖處理可改變Ge2Sb2Te5（GST）的晶體結構，使其處于晶態(tài)、非晶態(tài)或混合狀態(tài)而表現(xiàn)出不同的輻射性能。稀土鎳酸鹽及NaOsO3等相變材料均有作為紅外隱身材料的潛質。

相變材料為實現(xiàn)自適應隱身提供了新的研究方向，闡明VO2等相變材料的相變機制、實現(xiàn)對相變溫度等性質的精確調控，是相變材料隱身設計及獲得實際應用的前提。

3.2.2 電致變色材料

除溫度變化導致相變引起的材料發(fā)射率變化外，施加電壓也會引起材料光學性質改變，即電致變色作用。電致變色器件的結構如圖10所示，包括基底、電極、電致變色層、電解質層和離子儲存層，其中電致變色層置于電解層和電極之間，離子儲存層起平衡電荷作用。

常見的電致變色材料包括WO3、導電高分子（CPs）如聚苯胺（PANI）、聚苯二胺（PDPA）等。相比于傳統(tǒng)非晶型WO3，低成本的電泳沉積工藝所制備的納米WO3具有更高的電荷密度及相當?shù)淖兩省?/p>

Prasanna 的報道展現(xiàn)了CPs從可見光至遠紅外范圍內在大型柔性器件中的應用前景。

3.2.3 微納結構金屬粒子

通過調整目標物體的光譜輻射分布也可實現(xiàn)對紅外信號的掩蔽。由1.3節(jié)可知尾焰成分中氣體分子的振動是其紅外輻射的主要來源。實現(xiàn)尾焰紅外隱身的重要手段是將這些處于第一振動激發(fā)態(tài)（4～5 μm）的高溫氣體的能量在擋板上快速耗散掉，或者轉移到非紅外視窗的波段（5～8 μm）。

Li 等通過發(fā)展新興的超快激光多維振動光譜，利用超快紅外激光與氣體分子的作用，將氣體分子化學鍵選擇性置于第一振動激發(fā)態(tài)，以模擬尾噴口的高溫氣體紅外輻射，系統(tǒng)地研究了金屬不同微結構表面的氣體分子振動耗散動力學及能量轉換。

研究結果直接證明了吸附分子能量弛豫在金屬界面引起熱傳導，導致非紅外視窗區(qū)分子光譜變化。以貴金屬Pt納米粒子對尾焰成分CO的作用為例，一方面吸附于Pt不同晶格位置的CO分子表現(xiàn)出不同的振動波長；

另一方面，理論和實驗結果均表明，在皮秒時間尺度內，通過振動/電子耦合，CO分子可將其振動能量轉化為熱能，并通過金屬晶格振動耗散，降低CO在目標波段的信號強度。

對Pt和CO相互作用超快過程的研究表明，振動/電子耦合過程受金屬納米粒子種類、尺寸及吸附位置的影響。這一研究為尾噴口擋板材料設計、抑制探測器對尾焰紅外信號的追蹤提供了思路。

3.2.4 隔熱氣凝膠

氣凝膠的多孔結構使其具有極低的密度和極好的隔熱性能，可實現(xiàn)有效的熱管理，降低物體的輻射功率。陶瓷氣凝膠更適用于高溫領域，為克服其脆性及結晶粉化等缺陷，Xu等設計制備的雙負泊松比BN陶瓷氣凝膠，除具有極低的熱導率（室溫大氣環(huán)境下約20 mW?m-1 ?K-1）外，在熱沖擊或熱應力等極端條件下仍表現(xiàn)出理想的魯棒性。

在SiC納米線表面引入SiO2殼層作為聲子屏障，所制備的核殼結構 SiC@SiO2氣凝膠納米線表現(xiàn)出更低的熱導率（約14 mW?m-1?K-1）。氣凝膠與相變材料或金屬納米粒子復合，可進一步提高儲能性質。得益于陶瓷氣凝膠力學性能的提升，氣凝膠展示出在高溫隱身領域的應用潛力，且多孔結構是實現(xiàn)多功能一體化設計的重要途徑。

3.2.5 超材料

超材料的概念最先于1968年由蘇聯(lián)物理學家Veselago提出，是一種具有人工設計結構而表現(xiàn)出天然材料所沒有的超常物理性質的材料或結構。由于其特殊的物理性質，在電磁、通信等方面具有廣闊的應用前景，在紅外隱身領域也獲得了廣泛研究。

光子晶體是由兩種或兩種以上具有不同介電常數(shù)的介質材料在空間呈周期性排列所構成的超材料，結構單元的尺度在光波數(shù)量級。如圖11所示，根據(jù)光子晶體的結構空間分布特征，可分為一維、二維和三維光子晶體。

周期性結構能夠在晶體內部產生“光子禁帶”，對相應頻率的入射電磁波產生全反射，調整光子晶體的結構使其對紅外波段入射光全反射，即可達到發(fā)射率接近0的目的。

熱學超材料是指依據(jù)穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的熱變換理論，人工設計實現(xiàn)熱導系數(shù)非均勻分布的材料或異質結構，以屏蔽物體的溫度場，實現(xiàn)紅外隱身的目的。

等離子激元超晶格材料可通過調整表層的載流子濃度，實現(xiàn)對隱身器件輻射性能的動態(tài)調整，如在ITO薄膜上沉積ZnO后制備周期性排布的金諧振器，紫外激發(fā)調整載流子濃度，或利用相變材料GST實現(xiàn)對表層金薄膜載流子濃度的調整。

超材料特殊的光學/熱學特性，從多種途徑為實現(xiàn)紅外隱身提供了設計思路，但因需要實現(xiàn)對材料結構的精確控制，受限于制備工藝，與獲得大規(guī)模應用仍有一定距離。

3.2.6 仿生材料

受自然界中生物躲避天敵的隱身方式啟發(fā)，智能仿生材料的概念也應用于隱身領域的研究。頭足綱動物通過適應性色素細胞與橈骨肌細胞的配合改變外表顏色以實現(xiàn)隱身目的。

Xu等模仿其變色機制，以介電彈性體薄膜為基底，沉積Al或TiO2/SiO2，彈性體對外界刺激產生響應，實現(xiàn)器件整體紅外發(fā)射率的動態(tài)變化。同樣，受頭足綱動物的啟發(fā)，Stephen等在軟體器械的微流體網絡中流過控溫液體，對溫度進行調整以控制紅外輻射。

對新興材料的隱身原理及實施案例總結如表4所示，新興材料實現(xiàn)紅外隱身的方式更為多元。相變材料和電致變色材料根據(jù)周圍環(huán)境實現(xiàn)目標物體發(fā)射率的動態(tài)改變，從而改變輻射性能。

微納結構金屬粒子有針對性地對尾焰中氣體輻射波長進行調整，將其轉移到可探測波段之外。熱學超材料和高溫氣凝膠可對目標物體進行有效的熱管理，光學超材料如光子晶體則對目標物體的光學性質進行調整。

自然界中生物的隱身方式為紅外隱身材料提供了設計制備靈感。相比于傳統(tǒng)的低發(fā)射率材料，新興材料在適應復雜的外界環(huán)境和苛刻的服役條件等方面展現(xiàn)出很大的發(fā)展?jié)摿Γ珜ζ潆[身機制的探究、材料制備工藝的控制以及隱身性能的評價仍處于起步階段，需針對實際服役條件要求，提升材料的隱身效果、力學性能、服役穩(wěn)定性、可制備性等多個維度的性能。

4 結束語

按照SWaP3體積小、重量輕、功耗低、性能高、成本低的要求，紅外探測技術的發(fā)展方向包括：（

1）發(fā)展非制冷型探測器，推動探測器件的小型化與低成本化；

（2）提高探測器件的靈敏度、空間分辨率、光譜分辨率性能；

（3）增強探測信號的快速處理能力，提升紅外探測系統(tǒng)的智能化水平和響應速度。

為應對服役環(huán)境的日益復雜和探測器技術的進步，降低飛行器被探測和跟蹤的風險，紅外隱身材料發(fā)展趨勢包括：

（1）發(fā)展可在高溫、積碳、應力復雜的尾噴管等熱端部件上穩(wěn)定服役的紅外隱身材料；

（2）研制紅外-雷達兼容多波段隱身材料；

（3）提高紅外隱身材料的環(huán)境動態(tài)適應性；

（4）開發(fā)具有光譜選擇性輻射的材料和具有熱流散熱作用的器件。

本文內容轉載自《航空材料學報》2021年第3期，版權歸《航空材料學報》編輯部所有。

文嬌，李介博，孫井永，魏亮亮，郭洪波

編輯：jq