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2. 东北大学 冶金学院, 沈阳 110819;
3. 东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室, 沈阳 110819;
4. 清华大学 材料学院, 北京 100084
随着红外探测技术和电子信息处理系统的日益提升，红外侦查、红外夜视、红外制导等技术越来越广泛地应用于军事领域，导致武器装备的生存受到前所未有的巨大考验[1]。为规避红外探测器的侦测，提升武器装备生存和突防能力，红外隐身技术已成为材料、冶金、物理和信息等领域备受关注的研究方向，是军事强国角逐军事高新技术的热点之一。传统红外隐身涂料基于金属或半导体等天然材料的低发射率特性有效实现了目标的红外隐身功能，其具有工艺简单、施工方便、不受目标表面形状限制等突出优点成为研究最广的红外隐身材料[2-4]。然而，红外隐身技术的发展推动了红外反隐身技术的革新，优异的多波段探测技术结合红外探测、雷达探测、可见光探测和激光探测对红外隐身材料提出前所未有的严峻考验[5-7]。由于不同波段探测方式的差异，新一代红外隐身材料需要在被动式探测的红外大气窗口波段(3~5 μm和8~14 μm)具有高反射、低发射，而在主动式探测的微波和激光波段具有低反射、高吸收的综合性能。同时，兼容隐身带来的电磁波能量吸收会造成隐身材料温度的升高进而恶化其红外隐身功能，因此，红外隐身材料还需要具有非红外大气窗口波段(5~8 μm)高发射的辐射散热功能。单纯依赖于天然材料本征属性的传统红外隐身涂料难于实现多波段光谱的灵活调控，而融合人工“原子”微观结构和人工结构双重设计的超材料则为实现多波段隐身兼容的新型红外隐身材料提供更为自由与多变的设计平台。
1 红外辐射红外电磁波是指波长在0.76~1000 μm之间的电磁波，其在电磁波谱中位于微波和可见光之间，根据波长由小到大可以将红外电磁波分为近红外、中红外、远红外和极远红外4类。热辐射的本质是能量以红外电磁波的形式传播出去。温度在绝对零度以上的物体，其内部的分子或原子在永不停歇地做无规则的热运动，当分子或原子由激发态降至低能态时会向外界辐射电磁波，能级间的能量差与红外电磁波能量相符，因而向外界辐射出红外电磁波。温度越高，分子或原子的热运动越剧烈，辐射的红外电磁波频率和能量越高。根据普朗克辐射定律，黑体单位表面积向整个半球空间发射的辐射功率Mbλ(T)与波长λ和温度T满足下列关系：
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(1) |
式中：c为真空中的光速，c=3×108 m/s；h为普朗克常量，h=6.6256×10-34 J·s；k为玻尔兹曼常量，k=1.38054×10-23 J/K；C1为第一辐射常量，C1=2πhc2=3.7415×108 W·μm4/m2；C2为第二辐射常量，C2=hc/k=1.43879×104 μm·K。黑体在不同温度下的辐射光谱如图 1所示，绿色、黄色和蓝色区域分别对应紫外、可见和红外波段。当黑体温度由人体温度310 K逐渐增大到太阳温度5770 K，其辐射总能量逐渐增大，光谱辐射出射度极大值对应的波长λm逐渐减小，满足维恩位移定律：λmT=2897.8 μm·K，如图 1中蓝色虚线所示。温度在1273 K以下的黑体辐射红外电磁波的波长集中在1~15 μm。根据斯特藩-玻尔兹曼定律，对黑体的辐射光谱进行波长积分，可得到黑体单位表面积向整个半球空间发射的总辐射出射度满足下式：
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图 1 黑体在不同温度下的辐射光谱Fig. 1 Radiation spectra of blackbody at different temperatures |
式中：σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，σ=π4C1/15C24=5.6687×10-8 W/(m2·K4)。可见，黑体光谱辐射出射度与温度和波长相关，黑体总辐射出射度只与温度相关，与构成黑体的材料无关。然而，实际物体与黑体有所不同。实际物体光谱辐射出射度除依赖于温度和波长以外，还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素息息相关。引入随材料性质及表面状态变化的发射率ε(λ, T)表征实际物体与黑体的差异，可得到实际物体的光谱辐射出射度：
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(3) |
当物体的发射率ε不随波长改变时，将式(3)左右两边进行波长由0到∞的积分，可得到物体的总辐射出射度公式，如式(4)所示，实际物体的总辐射出射度与物体的表面温度及其表面发射率成正比。
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(4) |
红外隐身是指利用一定的技术手段降低或改变目标的红外辐射特征，使其与背景环境的红外辐射特征之差小于红外探测器的分辨率，实现红外频段下目标与背景融为一体而不被敌方红外探测器侦察到的技术。考虑到红外隐身物体的温度和红外探测机理等实际问题，目前红外探测器所探测的红外电磁波的波长为3~5 μm或者8~14 μm两个波段，称为工作波段。因此，红外隐身主要是指在这两个红外波段实现目标与背景的融合[8]。根据式(4)可知，通过调控目标表面发射率ε可以在不改变物体表面温度的基础上降低其红外辐射特征，因此，红外波段低发射率材料成为实现红外隐身功能的关键。20世纪70年代，为在战争中取得绝对的优势，美国率先开始红外隐身技术的研究，且研究力度与日俱增，其他发达国家也陆续开展相关研究。突出研究成果包括：美国海军部门专利发布一种蓝灰色低红外发射率涂层，其在1~14 μm的波段发射率小于0.5[16]。美国空军部门专利发布一种由肟固化的有机硅黏合剂组成的低红外发射率涂料，其在0.2~5 μm波段发射率小于0.4[17]。早期，国外隐身涂料的发射率一般在0.5左右，随着红外探测技术的不断发展，红外隐身材料的发射率逐渐减小到0.3以下。同时，由于多波段探测技术在现代战场上广泛使用，红外隐身材料已经不仅仅追求低发射率，还需要满足多波段隐身的兼容问题。德国专利发布适用于可见光、红外和雷达多波段的隐身材料，其红外发射率最低在0.2以下[18]。Tului等[19]发明了在中远红外具有低发射率且在可见光和近红外具有低反射率的复合物，实现红外隐身和可见光隐身的兼容。国内对于红外隐身技术的研究起步较晚，但也有长足的发展，取得一定的进展。研究广泛的红外低发射率涂料主要由低发射率填料，黏合剂和着色剂组成。其中，填料可分为金属填料[20-23]和半导体填料[24]。金属填料涂料具有非常低的红外发射率，但金属填料的加入不利于雷达波和可见光的隐身，同时金属填料的加入大大增加了隐身层的质量阻碍其实际应用。半导体填料涂料有望实现多波段兼容隐身，然而，目前其红外发射率偏高不利于红外隐身。此外，核壳复合物[25-31]、多层膜结构[32-35]和纳米复合膜[36-39]等多功能复合结构均被用来实现红外隐身。它们虽然在一定红外波段可实现低发射率，但由于缺少多波段光谱的灵活调控，无法实现红外散热窗口和多波段隐身兼容。光子晶体[40-42]通过尺寸设计理论上可以在3~5 μm和8~14 μm宽波段实现低发射率，同时在5~8 μm得到高发射率的红外辐射散热窗口，为红外隐身材料的设计提供了崭新的思路。然而，单一尺寸的光子晶体只能实现极窄波段的光子带隙，想要实现宽波段的超低发射率，需要叠加多层不同尺寸的光子晶体，由于单层光子晶体的厚度与波长相当，多层叠加导致红外隐身层过厚，同时复杂的制备工艺势必阻碍其进一步的发展和应用。
3 红外隐身超材料对不同波段光谱进行灵活调控是实现先进红外隐身功能的关键。若想解决这一难题，可以从自然界中的动物得到启发。例如，变色龙在竞争、求偶以及躲避危险等活动中展现出复杂且快速的变色功能，进一步的研究发现变色龙不但可以调控可见光，还可以高效反射近红外光，使其在炎热的环境中得以生存[43]，变色龙皮肤虹色素细胞微观结构如图 2所示。变色龙皮肤的微观结构特征解释了其非凡的光谱调控功能。首先，通过调节表皮虹色素细胞中的鸟嘌呤纳米晶体(小于100 nm)的晶格间距，可以动态调节皮肤颜色。其次，深层虹色素细胞中尺寸稍大的长条形晶体结构(长约500 nm)可以反射掉太阳光谱中的大部分近红外光谱以抵抗炎热的环境。可见，不同尺寸、形状和周期的结构单元可以有效实现光谱调控。如今，这已经不仅仅是大自然的专利，超材料(metamaterials)—功能导向型人工材料，通过结构单元的人工设计成功实现了多波段的光谱调控[44-46]。天然材料是由原子构成，而超材料是由人工“原子”排列而成，人工“原子”是依据功能导向而设计的超材料结构单元，其尺寸通常大于真实原子。通过调节人工“原子”的尺寸和性能参数来设计出具有超常电磁响应的人工材料。超材料在电磁谐振频率附近可以提供数值为0甚至为负数的介电常数和磁导率，并且其电磁参数的数值可以进行人工调控。因此，科研人员利用超材料特异的电磁响应实现负折射[47-52]、零折射[53-60]、隐身斗篷[61-65]和完美吸波[66-79]等卓越的电磁波调控功能。红外隐身超材料的研究主要建立在吸波超材料的基础上，以下分别论述与雷达隐身兼容的红外隐身超材料[6, 9-13]、具有红外散热窗口的红外隐身超材料[6, 80-84]以及与激光[7, 15, 85]和可见光[86-87]隐身兼容的红外隐身超材料。
3.1 与雷达隐身兼容的红外隐身超材料
雷达探测技术的开发和应用早于红外探测，雷达波具有一定的穿透能力，不受雾、云和雨的阻挡，且白天和黑夜均能探测远距离的目标，具有全天候、全天时的优点，是目前应用最广成熟度最高的探测技术。雷达探测通常和红外探测配合使用，取长补短，大大降低了战场上武器的生存能力。因此，实现红外隐身的同时有必要考虑其与雷达隐身的兼容性[6]。雷达利用发射机和发射天线向空间发射雷达波，通过接收目标反射回来的电磁波对其进行定位、追踪和测速等。将雷达吸波材料附于目标表面可有效减少雷达回波，实现雷达隐身。吸波材料需要满足两点要求才能最大限度地吸收入射电磁波。首先，入射电磁波能够无反射地进入到吸波材料的内部。其次，吸波材料能通过各种损耗机制如电阻型损耗、电介质型损耗或者磁介质型损耗等将入射的电磁波完全损耗掉，导致电磁波没有透射波透过吸波材料。根据电磁波的能量守恒原理，无反射无透射才会使得电磁波能量全部被吸波材料吸收掉[67-72]。电磁波无反射要求吸波材料与空气满足阻抗匹配条件，材料的阻抗如式(5)所示：
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(5) |
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(6) |
式中：Z为材料的阻抗；ε′和ε″分别为材料介电常数的实部和虚部；μ′和μ″分别为材料磁导率的实部和虚部；ω为角频率。当等式(6)成立时，即材料的介电损耗角正切和磁损耗角正切相等时，材料的阻抗与空气阻抗相等。在传统吸波材料中，通常采用完全透波材料如塑料和泡沫等来实现阻抗匹配，因其介电常数和磁导率均与空气的电磁参数相近。无透射要求吸波材料含有有效的吸波剂，例如采用细小金属颗粒或石墨纤维等掺杂到透波材料中，最大限度地消耗掉入射的电磁波。传统吸波材料在设计时难以同时满足阻抗匹配条件又实现最大吸波效率，这是因为满足阻抗匹配条件的透波材料是不能吸波的，而吸波体的加入又使透波材料偏离阻抗匹配条件。因此传统吸波材料的制备要慎重考虑透波材料与吸收剂的配比来最大限度地提高吸收率。
超材料的出现为设计制备吸波材料提供了崭新的思路，当组成超材料的人工“原子”产生电谐振时，超材料的等效介电常数产生谐振。当组成超材料的人工“原子”产生磁谐振时，超材料的等效磁导率产生谐振。当超材料的人工“原子”同时产生电磁谐振时，超材料的等效介电常数和磁导率均被调制，如果两个电磁参数数值刚好相等，满足阻抗匹配条件，电磁波就会无反射地进入超材料内部被人工“原子”损耗掉，得到吸收率接近100%的完美吸波超材料。2008年，Landy等[72]理论模拟和实验验证了工作在微波波段的吸波超材料。该吸波超材料由典型的电谐振器和后面的金属线组成，入射电磁波的电场沿平行于电谐振器的金属线方向，这样外加电场会诱导电谐振器产生电谐振，而磁场会诱导电谐振器中间的金属线与其后面的金属线形成反向环形电流从而产生磁谐振，同时发生的电磁谐振调制了超材料的等效介电常数和磁导率数值，使它们在11.65 GHz时数值相等满足阻抗匹配条件，从而得到吸收率接近100%的吸收峰。虽然该吸波超材料工作在微波波段，但是通过调节人工“原子”的尺寸，其吸收峰可以工作在从微波到光频的任意波段。Hu等[68]利用相同的人工“原子”结构实现了太赫兹波段的吸波超材料。吸波超材料由于设计巧妙，且能得到窄带接近100%的吸收率，引起广大学者的研究热潮[66-79]。吸波超材料的吸波性能不断优化，研究重点为极化方向不敏感[88-94]、宽入射角[95-97]、多频[98-103]和宽频吸波超材料[104-107]，而雷达隐身超材料正是建立在宽频吸波超材料的基础上。实现雷达隐身需使隐身材料能够在宽波段范围内(1~30 GHz)最大限度地吸收雷达波以减少回波。这与红外隐身要求隐身材料在3~5 μm和8~14 μm波段具有低吸收、高反射的条件相反。因此，为了实现雷达与红外的兼容隐身，通常采用双功能层叠加的方式来构造隐身超材料。首先，在超材料的最表面为红外隐身功能层，其由金属方片以较小间隙(通常为0.1 mm)周期排列而成。该红外隐身层的发射率可通过经验公式求得：
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(7) |
式中：εs，εm和εd分别是红外隐身功能层、金属和间隙下面介质的发射率；fm为金属的面积占比。可见，适当增大金属的面积，减小间隙尺寸，可以降低发射率实现红外隐身功能。同时，雷达波会透过该红外隐身层到达雷达隐身功能层。通常，红外隐身功能层的设计较为相似，而雷达隐身功能层的设计有较大差别。与雷达隐身兼容的红外隐身超材料的结构设计与性能表征如图 3所示。图 3(a)为研究者利用金属线的各向异性产生相位相消，从而实现8.2~18 GHz的宽波段反射系数低于-10 dB的雷达隐身功能[13]。金属方形双环集总电阻器-介质-金属网格结构[9]和氧化铟锡(ITO)方形环-介质-金属板结构[10]可以分别实现3~8 GHz和8.2~18 GHz的吸收率超过90%，且电磁波入射角在30°内其吸收峰稳定存在(图 3(b)，(c))。中间层的金属结构产生电谐振，同时，中间层金属结构与背底金属层间的反向电流激发了磁谐振，电磁谐振的共同调控产生宽频吸波。同理，碳层[6]和电容电阻贴片-介质-金属网格结构[11]也可以用来实现雷达宽频吸波功能(图 3(d)，(e))。此外，如图 3(f)所示，低发射率的聚氨酯/Al复合涂层成功替代了窄间隙金属片周期阵列成为另一种形式的红外隐身功能层。该红外隐身功能层可使多层结构雷达吸波超材料的发射率由0.65降低到0.204，实现红外隐身与雷达隐身的兼容[12]。
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图 3 与雷达隐身兼容的红外隐身超材料(a)金属线[13]；(b)金属方形双环集总电阻器[9]；(c)ITO方形环[10]；(d)碳层[6]；(e)电容电阻贴片[11]；(f)聚氨酯/Al低发射率复合涂层[12]Fig. 3 Infrared stealth metamaterials compatible with radar stealth(a)metal wire[13]; (b)metal square double-ring lumped resistors[9]; (c)ITO square ring[10]; (d)carbon[6]; (e)capacitance resistance patch[11]; (f)polyurethane/Al low emissivity composite coating[12] |
目前，红外探测器所探测的红外电磁波的波长为3~5 μm或者8~14 μm两个波段，物体表面发射率在红外探测器工作波段应该尽可能的降低以减少红外电磁波辐射。而5~8 μm的红外电磁波位于大气红外窗口之外，其无法穿透大气被红外探测器接收。考虑多波段隐身兼容问题，雷达波、可见光与激光的吸收会使目标热量增加，如果目标不具备红外散热窗口，势必造成目标由于缺少热辐射而升温的现象。根据斯特藩-玻尔兹曼定律，温度的升高会显著增大工作波段的红外电磁辐射进而暴露目标。在5~8 μm的非工作波段内，需要尽可能调高物体的表面发射率以利于散热。根据基尔霍夫定律，热平衡状态下物体的发射率等于吸收率。吸波超材料在吸收峰波段内具有高吸收和高发射，因此可以用来实现红外散热窗口功能。具有红外散热窗口的红外隐身超材料如图 4所示，红外隐身超材料主要由金属-介质-金属3层结构组成，上层金属结构通常包括十字结构、圆片、方块和SRR环，介质层通常采用ZnS，CaF2，PMMA和Si等材料，底层金属为现在普遍使用的金属板。采用图 4(a)所示的十字超材料单元结构，研究者通过模拟设计和实验验证得到了6 μm处吸收率为97%的吸收峰，该吸收峰的产生源于超材料人工“原子”对电磁参数的协同调控，满足阻抗匹配条件，阻抗匹配使电磁波无反射进入超材料内部，而远厚于趋肤深度的底层金属板抑制了电磁波的透射，最终使电磁波陷于超材料人工“原子”内部，以介质损耗和欧姆损耗的方式被超材料吸收[84]。改变图 4(b)所示的超材料圆片单元的尺寸可以调控吸收峰的波段，通过尺寸优化将吸收峰移至5~8 μm波段可使其辐射能量较无结构表面增加1570%，大大增加了辐射散热，避免热失稳的发生[6]。对比分析基于方块、十字和SRR环结构单元的吸波超材料如图 4(c)所示，三者均可实现红外波段吸收峰，且可以通过尺寸参数调节吸收峰至所需波段，实现红外散热窗口[83]。由于吸波超材料的吸收峰源于人工“原子”的电磁谐振，不可避免地产生窄波段效应。然而，宽波段的吸收峰较窄波段吸收峰可更大程度地辐射热量。因此，研究者分别利用水平方向尺寸不同的圆片排列[82](图 4(d))、垂直方向厚度不同的介质层叠加[81](图 4(e))以及多个方片人工原子组合[80](图 4(f))的方式实现5~8 μm波段的宽谱吸收，进一步增加红外隐身超材料的辐射降温功能。
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图 4 具有红外散热窗口的红外隐身超材料(a)十字[84]；(b)圆片[6]；(c)方片、十字和SRR环[83]；(d)水平圆片组合[82]；(e)垂直膜组合[81]；(f)水平方片组合[80]Fig. 4 Infrared stealth metamaterials with infrared heat dissipation window(a)cross[84]; (b)disk[6]; (c)square, cross and SRR ring[83]; (d)horizontal disks[82]; (e)vertical layers[81]; (f)horizontal squares[80] |
激光隐身与雷达隐身类似，均通过接收目标反射回波进行识别和探测。不同的是，激光探测采用单频电磁波，其波长通常为1.064，1.54 μm和10.6 μm。可见，激光隐身要求隐身材料仅具有单频点的高吸收即可。对于10.6 μm的激光探测，其波长在红外探测器的工作频段，红外隐身要求隐身材料在10.6 μm处具有低吸收，而激光隐身则要求隐身材料在10.6 μm处具有高吸收，为了缓解这一矛盾，只能设计隐身材料在10.6 μm处的吸收波段尽可能窄，尽量在不产生回波的同时减少红外辐射能量，综合实现10.6 μm激光与红外隐身的兼容。与激光隐身兼容的红外隐身超材料如图 5所示，图 5(a)显示研究者利用方形金环和Helmholtz谐振腔阵列同时实现了1.064 μm和10.6 μm的双频完美吸波，而在其红外探测器工作波段具有低吸收，实现了1.064 μm和10.6 μm激光和红外隐身的兼容。电磁场分布表明双吸收峰分别源于局域表面等离子体谐振和Helmholtz谐振，具有极化不敏感和宽入射角的优点[85]。此外，通过水平或者垂直方向两种人工“原子”的组合可以实现所需的双吸收峰。例如，分别利用如图 5(b)所示的银圆片和银圆环在水平方向组合[7]和如图 5(c)所示的不同尺寸的银方片在垂直方向组合[15]，均可实现1.54 μm和6 μm的双频完美吸收峰，在红外探测器工作波段3~5 μm和8~14 μm两个波段具有低吸收，且6 μm的红外辐射窗口进一步优化了红外隐身性能，实现1.54 μm激光和红外隐身的兼容。同时，利用ITO材料可见光频段的高透过特性可实现可见光与红外波段的兼容隐身[86-87]。
红外隐身超材料是功能导向型人工材料，通过人工“原子”的排列组合，红外隐身超材料可以对电磁波谱进行任意剪裁，实现多波段隐身兼容的红外隐身功能。然而，机遇与挑战并存，红外隐身超材料的未来发展趋势是从实验室走向实战场，多方面的实际应用问题亟待解决。
(1) 结构简单、便于制备的红外隐身超材料。目前，红外隐身超材料的设计侧重于功能化，其结构通常较复杂，不适合实际大规模生产与应用。开发结构简单、便于制备的红外隐身超材料是其未来军事应用的基础。
(2) 柔性红外隐身超材料。实验室中，红外隐身超材料的制备大部分基于平整无变形的表面。然而，需要进行红外隐身的目标，例如飞机、坦克、舰船以及导弹等，通常具有弯曲和多变的复杂表面。在柔性、弯曲表面制备红外隐身超材料并研究其对光谱的调控规律是实现未来军事应用的重要研究方向。
(3) 耐磨、耐腐蚀和热稳定红外隐身超材料。实战场背景环境中可能存在摩擦磨损、酸碱腐蚀和高温等实际问题，因此，在实现红外隐身超材料的隐身功能的同时还需要更多研究其耐磨、耐腐蚀和热稳定性能。
(4) 智能红外隐身超材料。变色龙可以根据环境的颜色智能调控皮肤的颜色以达到实时隐身。而现有的红外隐身材料通常只适用于固定的背景环境，当背景环境变化较大时，目标便会失去红外隐身功能而暴露于探测器之下。已有研究者尝试在超材料中植入石墨和氧化钒等电/热可调功能层实现其红外发射率的可调谐性，但实时与环境融为一体的智能红外隐身超材料还是现阶段人造隐身材料发展的长期目标。
5 结束语本文介绍了实现红外隐身、雷达隐身、激光隐身、可见光隐身及其兼容隐身技术的基本原理和方法。概括传统红外隐身材料的实现手段并阐明其发展瓶颈问题。在此基础上，详细论述与雷达隐身兼容的红外隐身超材料、具有红外散热窗口的红外隐身超材料以及与激光和可见光隐身兼容的红外隐身超材料，总结红外隐身超材料的设计思想、研究现状和未来发展趋势。红外隐身超材料的出现为人类设计与调控光谱提供了崭新的途径，并为多波段隐身兼容的智能红外隐身技术的实现带来希望。红外隐身超材料充分展示出人类设计与改造材料的智慧与能力，未来可期。
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