運用各種偵察探測手段，實現(xiàn)戰(zhàn)場透明化是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的一個基本特點。紅外探測和雷達探測被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場，這促使紅外和雷達兼容隱身技術(shù)成為了對抗探測的研究重點。相較于傳統(tǒng)紅外和雷達兼容隱身材料，基于超構(gòu)材料的新型紅外和雷達兼容隱身材料表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，國防科技大學(xué)和中國人民解放軍96901部隊的科研團隊在《材料導(dǎo)報》期刊上發(fā)表了以“基于超材料的紅外／雷達兼容隱身材料研究進”為主題的文章。該文章第一作者為孟真，通訊作者為劉東青副教授，主要從事紅外輻射調(diào)控材料及其在自適應(yīng)偽裝、紅外隱身和智能熱控等技術(shù)的應(yīng)用研究工作。

本文對實現(xiàn)紅外和雷達兼容隱身的原理和途徑進行了闡述，重點綜述了基于光子晶體、吸波超構(gòu)材料和編碼超構(gòu)材料的紅外和雷達兼容隱身材料的研究現(xiàn)狀以及進展，并分析了紅外和雷達兼容隱身材料的發(fā)展趨勢。

紅外和雷達兼容隱身原理與途徑

紅外隱身，顧名思義就是降低目標被紅外探測器（紅外探測系統(tǒng)）發(fā)現(xiàn)的概率，達到隱身的目的。紅外探測器通過對物體發(fā)射的紅外線進行感光成像，進而可以發(fā)現(xiàn)與背景存在較大紅外輻射差異的位置。一般而言，武器裝備以及作戰(zhàn)人員相較于環(huán)境背景均具有較強的紅外輻射?？刂颇繕思t外輻射實現(xiàn)紅外隱身的兩個途徑：一是控制目標表面的紅外發(fā)射率；二是控制目標的表面溫度。通常為了實現(xiàn)軍事目標的紅外隱身，需要盡可能降低其表面溫度和所用材料的紅外發(fā)射率。

雷達通過主動發(fā)射并接收目標被動反射的電磁波實現(xiàn)對目標的探測。雷達隱身的目的就是降低目標被雷達探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)的概率。雷達散射截面（RCS）就是反映目標在受到電磁波照射后，向雷達接收方向散射電磁波能力的量。通過降低目標的RCS可以減小目標被探測的距離，進而降低目標被發(fā)現(xiàn)的概率。降低武器裝備RCS的主要途徑有：一是通過外形設(shè)計等方法來改變散射波的方向；二是通過雷達吸波材料吸收入射的電磁波。

紅外和雷達兼容隱身材料要能夠在紅外和雷達兩個頻段同時具有隱身能力，然而不同頻段對隱身材料的電磁特性一般具有不同的要求，甚至在某些方面是相互限制的。紅外隱身一般要求材料具有低發(fā)射率，根據(jù)基爾霍夫定律也就是低吸收率；而雷達隱身為了更好地吸收入射電磁波，則一般要求材料具有高吸收率，這就導(dǎo)致紅外隱身和雷達隱身在隱身材料吸收率上存在機理上的矛盾，這也正是紅外隱身和雷達隱身兼容的科學(xué)難點所在。因此，紅外和雷達兼容隱身材料的研究重點是在借助上述能夠?qū)崿F(xiàn)紅外隱身和雷達隱身的途徑的基礎(chǔ)上，盡可能降低兩者在隱身性能上的相互影響。目前常見的紅外和雷達兼容的隱身材料實現(xiàn)的途徑可概括為以下兩種：第一，通過研制單一型材料，使其能夠同時實現(xiàn)紅外低輻射和雷達高吸收，實現(xiàn)紅外和雷達兼容隱身。第二，將能夠分別實現(xiàn)紅外隱身和雷達隱身的兩種材料進行復(fù)合，且復(fù)合后兩種材料依然能夠較好地保持各自的隱身性能。

紅外隱身材料和雷達隱身材料在材料吸收率上存在隱身機理方面的矛盾，這導(dǎo)致通過單一型傳統(tǒng)材料實現(xiàn)兩者的兼容難度較大。但是通過單一型傳統(tǒng)材料實現(xiàn)紅外和雷達兼容依然是夢寐以求的，為此很多學(xué)者也進行了大量研究。目前國內(nèi)外研究較多的單一型傳統(tǒng)紅外和雷達兼容隱身材料可分為導(dǎo)電聚合物、納米材料和摻雜氧化物半導(dǎo)體三類。

超構(gòu)材料（Metamaterials）是一種由亞波長的周期性或非周期性單元結(jié)構(gòu)組成的人工材料。通過設(shè)計可以實現(xiàn)天然材料所不具備的超常物理特性。不同于傳統(tǒng)材料，超構(gòu)材料的性質(zhì)不由其化學(xué)組成成分的固有性質(zhì)所決定，而是取決于組成材料的周期單元的性質(zhì)。隨著研究的深入，超構(gòu)材料的概念也在不斷地發(fā)展完善，其涵蓋的研究領(lǐng)域及涉及范圍也不斷擴大，包括左手材料、電磁超構(gòu)材料、光學(xué)超構(gòu)材料、聲學(xué)超構(gòu)材料、力學(xué)超構(gòu)材料等。

其中，電磁超構(gòu)材料通過調(diào)節(jié)其人工結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可實現(xiàn)對超構(gòu)材料電磁參數(shù)的自由設(shè)計，進而實現(xiàn)對在其中傳播的電磁波的相位、幅值、極化等的自由調(diào)控。光子晶體是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)周期性排列而成的、能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波調(diào)控的人工結(jié)構(gòu)材料，因此通常被認為是電磁超構(gòu)材料的一個分支。吸波超構(gòu)材料，也被稱作超構(gòu)材料吸波體，是指由超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)和介質(zhì)基板組成的一類復(fù)合吸波材料，它基于阻抗匹配和電磁諧振機理能夠?qū)崿F(xiàn)對入射電磁波的完美吸收，也是電磁超構(gòu)材料的一個重要分支。相較于傳統(tǒng)吸波材料，吸波超構(gòu)材料具有厚度薄、質(zhì)量輕、吸收強以及電磁參數(shù)可調(diào)等優(yōu)點，在隱身領(lǐng)域表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。編碼超構(gòu)材料是電磁超構(gòu)材料的一個新興分支，它將數(shù)字編碼的思想融入到了超構(gòu)材料設(shè)計，將具有不同相位響應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元進行編碼，通過設(shè)計編碼序列可以實現(xiàn)對電磁波的調(diào)控。

光子晶體、吸波超構(gòu)材料和編碼超構(gòu)材料均屬于電磁超構(gòu)材料的范疇，都具有超構(gòu)材料的人工設(shè)計和亞波長周期結(jié)構(gòu)的特性，其對電磁波的調(diào)控特性更大程度上取決于其周期結(jié)構(gòu)而不是材料本身的性質(zhì)。三者的不同之處在于具有不同的調(diào)控機理，光子晶體通過調(diào)控光子禁帶的位置實現(xiàn)對電磁波反射和透過的控制，吸波超構(gòu)材料借助于阻抗匹配和電磁諧振實現(xiàn)完美吸收，編碼超構(gòu)材料則是通過對電磁波反射相位的控制實現(xiàn)了對電磁波的操控。

由于超構(gòu)材料能夠靈活地調(diào)控電磁波，其在隱身技術(shù)領(lǐng)域的研究價值也日益凸顯，相關(guān)方面的研究也逐漸深入。超構(gòu)材料的出現(xiàn)也為紅外和雷達兼容隱身材料設(shè)計提供了一種全新的思路，基于光子晶體、吸波超構(gòu)材料和編碼超構(gòu)材料的紅外和雷達兼容隱身材料也得到了迅速的發(fā)展。

紅外和雷達兼容隱身超構(gòu)材料

基于光子晶體的紅外和雷達兼容隱身材料

光子晶體是一種由不同介電常數(shù)的材料周期性排列組成的具有光子禁帶的新型人工結(jié)構(gòu)材料。1987年Yablonovitch和John幾乎同時提出了光子晶體的概念。光子晶體對處于光子禁帶范圍內(nèi)的電磁波表現(xiàn)出高反射的特性，而對處于光子晶體通帶范圍內(nèi)的電磁波表現(xiàn)出高透過的特性。通過人工設(shè)計材料組成、材料介電常數(shù)以及晶格參數(shù)等可以實現(xiàn)對光子帶隙位置的調(diào)控，將其禁帶調(diào)控至紅外探測波段，則可以有效地抑制紅外輻射，實現(xiàn)紅外隱身的目的。利用雷達透波材料進行光子晶體的設(shè)計，是實現(xiàn)紅外和雷達的兼容隱身的常見技術(shù)手段之一。

2014年，Wang等基于薄膜光學(xué)理論的傳輸矩陣方法，研究了由不同厚度的Ge和ZnS交替疊層構(gòu)成結(jié)構(gòu)的傳輸特性?；诶碚撗芯炕A(chǔ)設(shè)計并制備了一種新型一維雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合光子晶體（CPC），制備樣品橫截面的SEM照片如圖1a所示。2020年，汪家春等提出了一種基于光子晶體薄膜材料的多波段隱身衣，該隱身衣的組成如圖2a所示，包括光子晶體光學(xué)紅外復(fù)合隱身層和柔性雷達吸波基布層兩部分。光子晶體光學(xué)紅外復(fù)合隱身層是一種如圖2c所示的薄膜結(jié)構(gòu)。同年，該團隊的程立又提出將能夠?qū)崿F(xiàn)雷達隱身的等離子體層和能夠?qū)崿F(xiàn)紅外隱身且允許雷達波無損透射的光子晶體薄膜整合，實現(xiàn)了紅外和雷達兼容隱身。

圖1 （a）CPC樣品橫截面的SEM照片；（b）玻璃基CPC和玻璃基板在2 ～ 18 GHz的透過率對比曲線；（c）摻雜結(jié)構(gòu)一維光子晶體微觀結(jié)

圖2 隱身衣（a）組成示意圖和（b）結(jié)構(gòu)示意圖；（c）隱身衣光子晶體結(jié)構(gòu)示意

光子晶體除了被用于進行紅外和雷達兼容隱身設(shè)計外，還被廣泛用于進行紅外與可見光、激光等其他頻段的多頻譜兼容隱身設(shè)計。光子晶體依靠其可設(shè)計性強、性能易調(diào)控的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于紅外隱身材料的設(shè)計，利用微波高透材料進行光子晶體設(shè)計再結(jié)合雷達吸波材料則可以實現(xiàn)紅外隱身與雷達隱身的兼容。利用光譜挖空原理和薄膜干涉等理論，光子晶體可以進一步實現(xiàn)與激光、可見光隱身的兼容，使其在多頻譜兼容隱身材料設(shè)計方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。然而，在實際工程應(yīng)用方面來看，光子晶體對材料體系的選擇比較苛刻，很多常用的半導(dǎo)體材料價格昂貴，大規(guī)模制造依然成本較高；并且膜層厚度以及均勻程度對其性能影響較大，這也對制備工藝提出了較高的要求。此外，目前針對紅外和雷達兼容隱身光子晶體的研究還主要集中在一維光子晶體，其層層堆疊的制備形式較為單一，限制了其發(fā)展，后續(xù)應(yīng)該拓寬研究思路，進一步加強二維以及三維光子晶體用于紅外和雷達兼容隱身設(shè)計的研究。

基于吸波超構(gòu)材料的紅外和雷達兼容隱身材料

基于阻抗匹配和電磁諧振理論，吸波超構(gòu)材料能夠?qū)崿F(xiàn)對入射電磁波的完美吸收。2008年，Landy等最早設(shè)計出一種能夠在GHz頻段實現(xiàn)接近100%“完美”吸收的超構(gòu)材料吸波體，其結(jié)構(gòu)單元包含電諧振器和磁諧振器兩部分，能夠分別跟電場和磁場進行耦合。因此吸波超構(gòu)材料能夠高效地吸收入射電磁波，顯著降低目標的回波強度，有效地降低目標RCS，實現(xiàn)雷達隱身。

2013年，Tian等最早提出在雷達吸波材料表面覆蓋一層微波高透且紅外高反射的頻率選擇表面以實現(xiàn)紅外和雷達兼容隱身，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3a所示。頻率選擇表面是一種具有二維周期性結(jié)構(gòu)，通過人工設(shè)計可以對特定頻段電磁波實現(xiàn)帶通或帶阻特性的空間濾波器，屬于超構(gòu)材料的一種，在電磁隱身領(lǐng)域多被應(yīng)用于雷達天線帶通天線罩的設(shè)計。2019年，劉東青等基于上述設(shè)計原理，將具有選擇性輻射特性的Ag/Ge薄膜層進行了容性頻率選擇表面的設(shè)計，并將其與雷達吸波功能層進行了如圖3b所示的疊加，疊加后的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了紅外選擇性輻射（3～5 μm和8～14 μm波段低發(fā)射率、5～8 μm波段高發(fā)射率），同時在雷達X和Ku波段具有高吸收率。同年，Kim等利用如圖3c所示的分層超構(gòu)材料（HMM）結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了紅外選擇性輻射與雷達吸波的兼容隱身。其中，層Ⅰ和層Ⅱ共同組成了紅外選擇性輻射體（ISE），其圖案化設(shè)計允許微波透過并進入由層Ⅱ與層Ⅲ共同組成的微波吸波體（MSA），實現(xiàn)對透過微波的高吸收。該HMM在5～8 μm波段的紅外發(fā)射率比Au高1570%，同時其在8～12 μm的紅外波段和2.5～ 3.8 cm的微波波段的特征信號分別降低了95%和99%。

圖3 （a）紅外和雷達兼容隱身結(jié)構(gòu)的三維視圖；（b）選擇性紅外輻射和雷達吸波兼容隱身材料的結(jié)構(gòu)示意圖；（c）分層超構(gòu)材料（HMM）的微波入射和紅外反射示意圖以及整合了ISE和MSA層的HMM的結(jié)構(gòu)和組成示意

之后很多課題組又從不同的方向?qū)t外和雷達兼容隱身超構(gòu)材料進行了探索。2019年，Zhang等提出了一個如圖4a所示的柔性透明的紅外和雷達兼容隱身結(jié)構(gòu)，同時實現(xiàn)了微波波段的高吸收、紅外波段的低發(fā)射和光學(xué)透明三者的兼容。2020年，該團隊的Feng等提出了一種用于激光、熱紅外探測器和雷達偽裝的分層超構(gòu)材料（HMM），其結(jié)構(gòu)如圖4b所示。HMM由一個全金屬超構(gòu)表面陣列與微波吸收器組合構(gòu)成，其全金屬超構(gòu)表面陣列除了作為紅外屏蔽和微波透過層外，還通過裁剪波陣面將能量反射到非鏡面角度，將1.06 μm激光波長下的鏡面反射減少到5%以下，在實現(xiàn)紅外和雷達兼容隱身的基礎(chǔ)上進一步兼容了激光隱身。

圖4 （a）紅外和雷達雙隱身結(jié)構(gòu)示意圖及樣品圖片；（b）HMM的工作原理示意圖，展示了入射微波、反射紅外波和散射入射激光在上半空間的情況

2020年，Xu等為了簡化整體結(jié)構(gòu)，提出了一種光學(xué)透明的ITO/介質(zhì)/ITO三明治結(jié)構(gòu)紅外和雷達兼容隱身超構(gòu)材料（見圖5a），該材料無需單獨覆蓋紅外隱身層就實現(xiàn)了紅外和雷達兼容隱身的目的。2021年，Zhu等在紅外和雷達兼容隱身的基礎(chǔ)上對多頻譜兼容隱身做了進一步探索，設(shè)計了如圖5b所示的結(jié)構(gòu)，上層的Ge/ZnS的多層結(jié)構(gòu)主要作用于可見光、紅外和激光。

圖5 （a）一體化紅外和雷達兼容隱身結(jié)構(gòu)示意圖；（b）多頻譜兼容隱身結(jié)構(gòu)示意

上述紅外和雷達兼容隱身材料都是通過采用低紅外發(fā)射率材料來實現(xiàn)紅外隱身的，此外還有一些工作是通過控制材料溫度來實現(xiàn)的。2018年，Shen等提出了一種如圖6a所示以水為基底的透明超構(gòu)材料吸收體。利用水循環(huán)系統(tǒng)，通過調(diào)控注入水的溫度實現(xiàn)了可調(diào)諧紅外的目的，實現(xiàn)了寬帶雷達吸波與可調(diào)諧紅外兼容隱身。2021年，Li等提出了一種如圖6b所示的水基紅外和雷達兼容的光學(xué)透明隱身結(jié)構(gòu)。

圖6 （a）透明水基超構(gòu)材料吸波體結(jié)構(gòu)示意圖；（b）具有低紅外輻射特性的光學(xué)透明水基寬帶可切換雷達吸收/反射器結(jié)構(gòu)示意

基于編碼超構(gòu)材料的紅外和雷達兼容隱身材料

實現(xiàn)雷達隱身的技術(shù)途徑除了利用吸波材料吸收入射的電磁波外，還可以通過外形設(shè)計等方法來改變散射波的方向。2007年，Paquay等通過將具有相反反射相位的人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)（AMC）和完美電導(dǎo)體（PEC）結(jié)構(gòu)單元進行棋盤狀排布，實現(xiàn)了對垂直入射電磁波的反射相消，進而達到了RCS縮減的目的。2019年，Xie等提出了一種由具有空間不同取向的亞波長金屬光柵結(jié)合組成的超構(gòu)表面，實現(xiàn)了耐高溫紅外和雷達兼容隱身材料的設(shè)計制備，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7a所示。該超構(gòu)表面利用金屬的固有物理特性實現(xiàn)了耐高溫和紅外低發(fā)射率的目的，通過對不同取向光柵結(jié)構(gòu)的空間布局進行設(shè)計實現(xiàn)了RCS縮減的目的，其性能測試結(jié)果如圖7b、c所示。

圖7 （a）耐熱金屬超構(gòu)表面示意圖；（b）制備樣品的高溫RCS縮減測量結(jié)果；（c）室溫下超構(gòu)表面的紅外發(fā)射特

2021年，Zhong等則將隨機金屬網(wǎng)格和編碼超構(gòu)表面相結(jié)合，設(shè)計了如圖8所示的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了基于隨機金屬網(wǎng)格的編碼超構(gòu)表面，在保持可見光到紅外高透光率的前提下，實現(xiàn)了靈活的微波操控。2021年，Liu等設(shè)計了一種由紅外屏蔽層（ISL）和微波異常反射層（MARL）組成的紅外和雷達兼容隱身超構(gòu)材料，同時實現(xiàn)了紅外低發(fā)射和微波低反射，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9a所示。

圖8 （a）隨機金屬網(wǎng)格編碼超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)示意圖；（b）數(shù)字單元“0”和“1”的反射相位和幅

圖9 單元和超單元的設(shè)計示意圖：（a）由MARL和ISL組成的單元結(jié)構(gòu)示意圖；（b）由單元Ⅰ-Ⅴ組成的超單元俯視圖；（c）單元Ⅰ-Ⅴ反射幅度和（d）反射相位的仿真結(jié)

總體來看，隨著研究的不斷深入，基于光子晶體、吸波超構(gòu)材料和編碼超構(gòu)材料的紅外和雷達兼容隱身材料表現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：（1）兼容隱身性能不斷提升，主要表現(xiàn)為從僅考慮控制紅外全波段（3～14 μｍ）發(fā)射率擴展到控制溫度和實現(xiàn)紅外選擇性輻射，雷達吸波帶寬不斷提升；（2）在實現(xiàn)紅外和雷達兼容基礎(chǔ)上進一步兼容其他頻段，主要表現(xiàn)為進一步兼容可見光透明或變色，兼容激光隱身；（3）通過一體化設(shè)計實現(xiàn)紅外和雷達兼容，降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。通過表1對目前紅外和雷達兼容隱身材料較為關(guān)注的技術(shù)指進行了總結(jié)，可以看出基于超構(gòu)材料的紅外和雷達兼容隱身材料相比基于傳統(tǒng)材料的紅外和雷達兼容隱身材料在雷達吸波帶寬、紅外發(fā)射率等主要指標上都表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能，在進一步兼容可見光隱身、激光隱身等方面也表現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。

然而，目前針對超構(gòu)材料的研究還主要集中在實驗室條件下進行，其常見的制備工藝（如光刻工藝、平板刻蝕工藝（離子束刻蝕、電子束刻蝕、X射線刻蝕等）、絲網(wǎng)印刷以及3D打印工藝等）也普遍存在成本高、工藝復(fù)雜、對高精度儀器設(shè)備依賴性強等問題，一定程度上限制了超構(gòu)材料的應(yīng)用。因此進一步發(fā)展高精度制造工藝、降低制造成本、提高隱身超構(gòu)材料在服役環(huán)境下的穩(wěn)定性是推進其應(yīng)用的必經(jīng)之路，也必將是下一步的研究重點。此外，隨著人工智能探測技術(shù)的迅速發(fā)展，武器裝備受到了更加嚴重的威脅，光譜動態(tài)可調(diào)的隱身技術(shù)是未來發(fā)展的方向。目前可調(diào)諧超構(gòu)材料、相變材料以及電致變色/變發(fā)射率器件等光譜可調(diào)材料得到了迅速的發(fā)展，然而針對紅外和雷達兼容隱身材料的研究依然主要集中在靜態(tài)偽裝，其紅外發(fā)射率、雷達吸波頻段和強度等特性一旦被設(shè)計制造后就被固化下來，導(dǎo)致其只能適用于特定類型的背景環(huán)境。因此，光譜可調(diào)的動態(tài)紅外和雷達兼容隱身材料必將是未來的研究熱點。

結(jié)語

基于超構(gòu)材料的紅外和雷達兼容隱身材料相較于傳統(tǒng)紅外和雷達兼容隱身材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的兼容隱身性能，具有可設(shè)計性強、自由度高等優(yōu)點。然而在材料穩(wěn)定性、制備成本和制備工藝等方面依然存在很多問題亟待解決，依然無法滿足實際工程應(yīng)用的需求，這也是后期值得深入研究的方面。結(jié)合未來發(fā)展方向，應(yīng)對人工智能探測設(shè)備的迅速發(fā)展，光譜可調(diào)的多頻譜兼容隱身材料將具有更加廣闊的研究前景。

審核編輯：黃飛

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