許毅輝，賈凌杰，賈賢補(bǔ)，陳爾余

紅外隱身防護(hù)材料研究進(jìn)展

許毅輝，賈凌杰，賈賢補(bǔ)，陳爾余

（武警士官學(xué)校，杭州 310000）

綜述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的紅外隱身防護(hù)材料技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)紅外隱身材料的未來(lái)進(jìn)行展望。從紅外探測(cè)技術(shù)與紅外隱身原理出發(fā)，著重介紹低發(fā)射率材料、控溫材料、新型智能紅外隱身材料以及協(xié)同復(fù)合材料等一系列有優(yōu)異性能的材料。紅外隱身可通過(guò)降低物體表面溫度及降低物體表面輻射率來(lái)實(shí)現(xiàn)，依據(jù)這兩方面原理研制的紅外隱身防護(hù)材料具有良好的隱身效果。不同種類(lèi)的紅外隱身材料具有不同的特點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于軍事裝備、織物等方面，但依然存在一些不足，未來(lái)要針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境要求進(jìn)一步優(yōu)化，以期滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)需求。

紅外隱身；低發(fā)射率材料；控溫材料；復(fù)合材料

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)逐漸向著信息化、智能化發(fā)展，隨著探測(cè)技術(shù)與傳感技術(shù)的迅猛發(fā)展，紅外探測(cè)裝置的精確度與分辨率也不斷提高[1]。人員信息很容易被紅外探測(cè)設(shè)備所偵察，戰(zhàn)士在戰(zhàn)場(chǎng)中面臨的安全問(wèn)題也越發(fā)凸顯。隱身技術(shù)是用來(lái)對(duì)抗探測(cè)技術(shù)的手段。紅外隱身技術(shù)是通過(guò)減少目標(biāo)的紅外輻射特征來(lái)應(yīng)對(duì)紅外波段工作的各種探測(cè)器。為實(shí)現(xiàn)紅外隱身，有效降低目標(biāo)被紅外發(fā)現(xiàn)的概率，可以通過(guò)涂覆低發(fā)射率材料、用低發(fā)射率材料遮擋物體等方式來(lái)減少物體紅外輻射量[2]。為適應(yīng)軍事發(fā)展需要，紅外隱身技術(shù)尤其是材料方面一直是各國(guó)軍事研究重點(diǎn)。美國(guó)早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始對(duì)紅外隱身材料進(jìn)行研究，其技術(shù)水平目前處于世界領(lǐng)先地位，而我國(guó)從20世紀(jì)70年代末才對(duì)紅外隱身材料展開(kāi)研究，起步相對(duì)較晚。本文從材料種類(lèi)出發(fā)，綜述近年來(lái)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的紅外隱身防護(hù)材料技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)紅外隱身材料的未來(lái)進(jìn)行展望。

1 紅外隱身技術(shù)

1.1 紅外探測(cè)

人和物體無(wú)時(shí)無(wú)刻不在向外界輻射紅外能量，也就是紅外線。紅外線在空氣中傳播時(shí)，會(huì)遇到水分子、二氧化碳、一氧化氮等極性分子以及固體顆粒物的阻礙，這些物質(zhì)會(huì)對(duì)紅外線進(jìn)行一定程度的吸收和散射，因此紅外射線在空氣中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生能量衰減。波長(zhǎng)在0.76～2.6 μm、3～5 μm以及8～14 μm這3種波段內(nèi)的紅外線在空氣中傳播時(shí)不受阻礙，這幾個(gè)波段通常被稱作“大氣窗口”，可以通過(guò)紅外探測(cè)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)[3-4]。其中8～14 μm波段主要應(yīng)用于熱成像系統(tǒng)，3～5 μm波段主要應(yīng)用于紅外制導(dǎo)技術(shù)。

紅外熱成像儀探測(cè)原理為通過(guò)獲取物體的紅外輻射，再與環(huán)境的紅外輻射進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的探測(cè)。物體向外發(fā)射紅外輻射，探測(cè)儀將其接收，再通過(guò)計(jì)算換算成人眼能夠識(shí)別的圖像信息[5]，即在顯示屏上將物體表面每個(gè)點(diǎn)賦予不同顏色，顏色深淺由物體表面溫度決定。人眼根據(jù)物體與周?chē)h(huán)境所呈現(xiàn)出不同的顏色差異來(lái)鎖定目標(biāo)。紅外熱成像儀因其識(shí)別精度高、抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在軍事偵察領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[6]。

1.2 紅外隱身原理

當(dāng)目標(biāo)物體與周?chē)h(huán)境所發(fā)出的紅外輻射相近時(shí)，紅外探測(cè)儀不易區(qū)分目標(biāo)與環(huán)境，可達(dá)到紅外隱身效果。物體的紅外輻射強(qiáng)度遵循斯蒂芬–玻爾茲曼定律[7]，見(jiàn)式（1）。

式中：為物體表面的紅外發(fā)射率；為斯特藩常量；為絕對(duì)溫度。

由式（1）可知，物體表面溫度、輻射率越高，物體的紅外輻射強(qiáng)度就越高。在物體溫度較低時(shí)，表面紅外輻射率對(duì)輻射強(qiáng)度影響占主導(dǎo)，而當(dāng)物體表面溫度較高時(shí)，表面溫度對(duì)輻射強(qiáng)度影響占主導(dǎo)。想要實(shí)現(xiàn)紅外隱身，可以從以下方面進(jìn)行考慮：改變物體的紅外發(fā)射率；將物體的表面溫度改變至與周?chē)h(huán)境接近；在物體輻射紅外線的途徑中進(jìn)行阻隔，使其在傳播途徑中發(fā)生吸收或散射。目前紅外隱身材料大多依據(jù)前2點(diǎn)來(lái)進(jìn)行研制，通過(guò)在物體表面涂覆低發(fā)射率涂層來(lái)降低物體表面的紅外輻射率，或者采用吸熱、隔熱材料將物體包裹，降低物體與環(huán)境的紅外輻射溫度差。

2 低發(fā)射率紅外隱身材料

2.1 低發(fā)射率涂層

選用低發(fā)射率涂層材料涂覆在物體表面，可以有效地降低目標(biāo)紅外輻射強(qiáng)度。涂層通常由黏合劑和低發(fā)射率填料（如金屬、半導(dǎo)體等）組成。較多選用金屬粉末作為涂層填料是因?yàn)樵S多金屬在紅外波段所表現(xiàn)出的發(fā)射率極低，如銅、銀、金、鋁、鉑、鎳等，在不同溫度下這些金屬的紅外發(fā)射率見(jiàn)表1。綜合考慮成本問(wèn)題，目前填料選用鋁粉和銅粉較多。

表1 不同溫度下常見(jiàn)金屬的紅外發(fā)射率[8]

Tab.1 Infrared emissivity of common metal at different temperature[8]

Shi等[9]制備了聚氨酯/鋁粉復(fù)合涂層，涂敷于超材料吸波器表面，研究鋁粉含量及漂浮率對(duì)8～14 μm波段紅外發(fā)射率的影響。當(dāng)鋁粉質(zhì)量為總質(zhì)量的五分之一、漂浮率約為90%時(shí)，涂有該涂層的超材料吸波器的紅外發(fā)射率從0.65大幅降至0.204，同時(shí)仍能保持良好的吸波性能。He等[10]利用石墨烯表面改性的片狀鋁絡(luò)合粉末作為填料，制備了一種低紅外發(fā)射率涂層，在8～14 μm紅外波段的發(fā)射率能夠保持在0.238～0.247，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的涂層且經(jīng)過(guò)500 h鹽霧試驗(yàn)仍能保持其外觀。Zhao等[11]以聚硅氧烷樹(shù)脂為黏合劑，片狀鋁為顏料合成出一種耐高溫的低發(fā)射率涂層，當(dāng)顏基比為1.0時(shí)，涂層可以在600 ℃下保持完好且紅外發(fā)射率低至0.27。Zhang等[12]以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，片狀鋁粉為功能顏料，硅烷偶聯(lián)劑和鄰苯二甲酸二辛酯為改性劑，制備出耐鹽且力學(xué)性能良好的低紅外發(fā)射率涂層。當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，紅外反射率為0.053。

金屬由于其較低的紅外發(fā)射率能夠作為填料制備涂層，但是也存在一些不足。首先，金屬材料耐高溫性能不強(qiáng)，普遍工作環(huán)境溫度為600～800 ℃，在更高溫度環(huán)境下不能長(zhǎng)時(shí)間工作[13]。其次金屬本身的高反射率使得制備的涂層反而更易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。摻雜半導(dǎo)體材料可以通過(guò)調(diào)整材料中各組分含量對(duì)紅外發(fā)射率進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)/紅外雙重隱形。例如摻錫氧化銦（ITO）[14]為典型的摻雜半導(dǎo)體材料，其對(duì)紅外的反射率大于70%，透光率大于95%，可實(shí)現(xiàn)兼容隱身。除此以外還有摻鋁氧化鋅（ZAO）[15]、摻銻氧化錫（ATO）[16]等，因此，選用摻雜半導(dǎo)體材料作為填料制備的低紅外發(fā)射率涂層應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。

Zhou等[17]制備了摻鋁氧化鋅（AZO）和靜電碳纖維雜化顏料增強(qiáng)的復(fù)合涂料，制備流程示意圖如圖1所示。研究AZO中Al的摻雜比例對(duì)發(fā)射率的影響可得，摻雜了體積分?jǐn)?shù)為7%的AZO的復(fù)合涂層的紅外發(fā)射率最低，且該涂層還具有靜電耗散性能。Wang等[18]選用CeO2半導(dǎo)體作為填料，用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙二醇（PEG 400）進(jìn)行改性，制備出一種具有耐高溫性能的低紅外發(fā)射率涂層。在600 ℃下，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PEG 400的涂層的最小發(fā)射率達(dá)0.348。Wu等[19]采用兩步微波輔助胺化工藝制得殼聚糖改性MoSe2半導(dǎo)體材料，在8～14 μm紅外波段具有80%左右的紅外反射率，可以將物體70 ℃的輻射溫度降至28 ℃。

圖1 ATO及復(fù)合涂層制備流程示意圖[17]

Fig.1 Schematic diagram of the preparation process of AZO and composite coating[17]

2.2 低發(fā)射率纖維和薄膜

低紅外發(fā)射率的纖維膜具有柔韌輕便的特點(diǎn)，在紅外隱身領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。低紅外發(fā)射率纖維可通過(guò)靜電紡絲以及熔融紡絲等方法制得，具體方法是在紡絲液中加入導(dǎo)電金屬粉體、碳基材料粉體等制備[20]。利用金屬或碳基材料對(duì)紅外進(jìn)行吸收和反射，達(dá)到紅外隱身效果。

Fang等[21]利用靜電紡絲方法制備了單壁碳納米管修飾的聚偏氟乙烯纖維膜，再利用金納米顆粒對(duì)其進(jìn)行修飾，在2～22 μm紅外波段的紅外發(fā)射率為0.68。汪心坤等[22]成功合成出多壁碳納米管/ Zn0.96Co0.04O纖維，當(dāng)多壁碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，發(fā)射率低至0.61，該纖維還具有紅外、雷達(dá)兼容的隱身效果。Lyu等[23]制備出柔性可折疊的凱夫拉納米纖維氣凝膠膜，并與聚乙二醇復(fù)合，制得的復(fù)合膜具有優(yōu)異的隔熱和紅外隱身性能。Zhang等[24]在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯表面磁控濺射ITO并噴涂MXene納米涂層，制備出的復(fù)合膜具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及紅外隱身性能。Xia等[25]結(jié)合熱處理工藝用靜電紡絲法制得Sn0.84Sm0.08Sb0.08O2微納米纖維。結(jié)果表明該纖維在3～5 μm和8～14 μm 2個(gè)波段的紅外發(fā)射率分別為0.573和0.691，具有良好的紅外隱身效果，同時(shí)該纖維兼具激光隱身性能。汪心坤等[26]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)結(jié)合熱處理制備了Zn1?xCeO納米纖維，結(jié)果表明紅外發(fā)射率隨Ce3+摻雜量升高而先減小后升高，且當(dāng)=0.04時(shí)具有最低的發(fā)射率為0.78，該納米纖維有望成為良好的紅外隱身材料。

3 控溫材料

根據(jù)紅外輻射強(qiáng)度公式可知，實(shí)現(xiàn)紅外隱身除了可以通過(guò)降低物體紅外輻射率，還可以通過(guò)控制物體表面溫度實(shí)現(xiàn)?？刂莆矬w表面溫度又稱熱抑制法，可以利用隔熱材料、相變材料等來(lái)控制物體表面溫度，減少目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)紅外隱身目的。

3.1 隔熱材料

隔熱材料通常是利用低熱導(dǎo)率材料對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行包裹或涂覆，從而對(duì)物體散發(fā)出的熱量進(jìn)行隔絕，實(shí)現(xiàn)紅外隱身效果。常見(jiàn)隔熱材料有中空纖維[27]、中空微珠[28-29]、SiO2氣凝膠[30-31]等。中空微珠的粒徑通常在幾微米到一百微米之間，具有空心或多層結(jié)構(gòu)，因其質(zhì)量輕，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)是優(yōu)秀的保溫隔熱填料。SiO2氣凝膠是一種擁有三維網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)的多孔納米材料，具有高孔隙率和比表面積，是體積密度極低、導(dǎo)熱率極小的材料之一[32]。

Xu等[33]通過(guò)聚苯胺（PANI）的原位聚合法，再利用化學(xué)鍍銀法制備了鍍銀的中空玻璃微球，再制備成涂層涂覆于織物表面。在低紅外輻射的加熱下，織物表面的溫度僅略微升高，屏蔽效果可以達(dá)26.8 dB。結(jié)果表明該材料具有出色的屏蔽熱輻射和紅外隱身性能。Zhou等[34]通過(guò)聚苯胺的原位聚合制備摻雜ZnO納米顆粒的中空玻璃微球，將所得的物質(zhì)涂覆于沉積Ag的纖維素織物上。采用紅外熱成像儀評(píng)估其紅外隱身性能，在中空玻璃微球、ZnO納米粒子和Ag鏡面結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用下，織物表現(xiàn)出良好的紅外隱身性能以及抗電磁干擾能力。Lin等[35]將光學(xué)活性聚氨酯（OPU）和SiO2氣凝膠共混制備的涂層涂覆于織物上，得到了具有良好力學(xué)性能和熱防護(hù)性能的織物。與未涂敷的織物相比，保溫效果可相差4 ℃。程凱等[36]制備了具有疏水性能的SiO2氣凝膠，并與TiO2一起為填料制備隔熱涂層，結(jié)果表明涂有涂層的表面與未涂一面的溫差達(dá)到7.4 ℃。

3.2 相變控溫材料

相變材料因環(huán)境溫度變化發(fā)生相變過(guò)程中，對(duì)熱量進(jìn)行釋放或儲(chǔ)存，可以使被保護(hù)物體表面溫度與周?chē)h(huán)境溫度保持一致[37]。在紅外隱身領(lǐng)域，相變材料應(yīng)用較多的有2種，分別為固液相變材料和固固相變材料。

固液相變材料的應(yīng)用主要是微膠囊相變材料[38]，內(nèi)部被包裹的相變材料稱為囊芯，外部成膜材料稱為壁材。當(dāng)物體表面散發(fā)熱量時(shí)，外部壁材保持固態(tài)不變，內(nèi)部的相變材料會(huì)因相轉(zhuǎn)變吸收熱量，控制物體溫度，實(shí)現(xiàn)紅外隱身。微膠囊相變材料的制備方法包括：界面聚合法、原位聚合法和復(fù)合凝聚法[39]。Xu等[40]用石蠟和脲醛樹(shù)脂制備了一種相變微膠囊材料，可有效降低涂覆織物溫度5～10 ℃。Gu等[41]以二十烷為芯材，三聚氰胺、尿素和甲醛為壁材制備微膠囊，再將聚苯胺沉積在微膠囊表面，制備出了具有低紅外發(fā)射率的雙殼微膠囊（Double-Shell Microcapsules, DSM）材料，制備流程如圖2所示。將雙殼微膠囊涂覆在滌綸織物上，其紅外發(fā)射率為0.794，與未處理織物相比，該織物可降溫11.2 ℃，并可持續(xù)27 min。Ke等[42]以硬脂酸為芯材料，納米鐵摻雜碳酸鈣為壁材，制備微膠囊。研究結(jié)果表明，納米鐵的摻雜，能夠使紅外發(fā)射率降低約54.7%。

固固相變材料即晶相轉(zhuǎn)變材料，當(dāng)外界溫度達(dá)到相變溫度，其晶格結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，從而有效調(diào)節(jié)紅外發(fā)射率[43]。最典型的材料為二氧化釩（VO2），二氧化釩在68 ℃附近會(huì)發(fā)生相變，結(jié)構(gòu)從單斜晶向變?yōu)樗姆骄颍梢詫?shí)現(xiàn)紅外從透射變?yōu)榉瓷?，因此這種能夠調(diào)控紅外發(fā)射率的相變材料在動(dòng)態(tài)隱身領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Xiao等[44]將二氧化釩與石墨烯、碳納米管結(jié)合，制備出柔性納米級(jí)厚度的復(fù)合膜。只需通電加熱就能極大改變?cè)O(shè)備的發(fā)射率，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)隱身效果，且柔性特征能使各種不規(guī)則形狀物體實(shí)現(xiàn)隱身，應(yīng)用前景廣闊。

4 新型智能紅外隱身材料

4.1 超材料

超材料是一種人工合成具有超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料，其特殊性質(zhì)來(lái)源于人工設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)，在電磁、通信、紅外隱身等領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用[45]。

光學(xué)超材料如光子晶體，其可以通過(guò)微結(jié)構(gòu)的周期性變化來(lái)調(diào)控電磁波的傳播。周期性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光子禁帶對(duì)相應(yīng)頻段的電磁波高反射，且能抑制其自發(fā)輻射[46]。光子晶體結(jié)合響應(yīng)性材料能夠制備出具有自適應(yīng)性的智能紅外隱身材料。Hurtado等[47]在微米級(jí)中空管制成的光子晶體陣列中合成了可熱控制的二氧化釩納米顆粒，通過(guò)溫度調(diào)節(jié)二氧化釩的相變和折射率來(lái)改變光子禁帶的寬度，制得可溫度調(diào)控的自適應(yīng)紅外隱身材料。Yang等[48]通過(guò)包覆和自組裝制得SiO2@ZnO非晶光子晶體，其中ZnO的加入是用于降低材料在3～5 μm波段的紅外發(fā)射率。該團(tuán)隊(duì)研究了SiO2粒徑和ZnO附著量對(duì)紅外性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)SiO2尺寸為250 nm、SiO2/ZnO質(zhì)量比為1∶4時(shí)，材料的紅外發(fā)射率為0.236且顏色為淺綠色，可用于紅外隱身以及在綠色植被中的偽裝。

圖2 雙殼微膠囊以及紅外隱身織物的制備原理圖[41]

Fig.2 Schematic diagram of preparation of DSMs and infraredstealth fabric[41]

熱學(xué)超材料作為超材料家族的一大分支，是人工合成具有各向異性、非均一性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的材料，與自然界中的均質(zhì)材料相比在熱學(xué)方面展現(xiàn)出特別的性能。通過(guò)人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)按需分布，屏蔽物體溫度場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外隱身[49]。Xu等[50]利用一種半透明液體和可控微磁性粒子組成了可重構(gòu)的兩相熱超材料可以進(jìn)行熱場(chǎng)操縱。通過(guò)改變粒子的分布可以有效地影響熱傳遞，有望應(yīng)用于紅外隱身領(lǐng)域。超材料因其特殊的光學(xué)或者熱學(xué)性能為紅外隱身材料的設(shè)計(jì)提供了新思路，但其對(duì)材料結(jié)構(gòu)控制的要求相對(duì)較高，目前來(lái)看實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的難度較大。

4.2 紅外隱身仿生材料

受自然界中眾多“偽裝大師”的啟發(fā)，在隱身領(lǐng)域，仿生材料也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一[51]。例如許多生物可以通過(guò)色素細(xì)胞等改變自身顏色，在1 s內(nèi)就可融入周?chē)h(huán)境，達(dá)到隱身效果。Xu等[52]受烏賊啟發(fā)，研發(fā)出一種具有自適應(yīng)紅外反射性質(zhì)的材料，可以在機(jī)械力和電刺激下，改變介電彈性體膜的厚度和面積，就如同烏賊皮膚上的色素細(xì)胞可通過(guò)伸縮來(lái)吸收和反射光一樣，改變調(diào)節(jié)材料的紅外反射特性，且過(guò)程可逆。借助溫度傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)溫度升高，電壓改變，材料會(huì)變的更大更平，紅外反射增加。許多動(dòng)物得益于其毛發(fā)的特殊結(jié)構(gòu)，可以生活在極其寒冷的區(qū)域，并展現(xiàn)出極佳的保溫性能。Cui等[53]受北極熊毛的啟發(fā)，利用“冷凍紡絲法”研制出一種新型的具有多孔結(jié)構(gòu)的隔熱纖維（流程示意圖如圖3所示）。該織物可以使物體在紅外熱成像儀下實(shí)現(xiàn)隱身。同時(shí)當(dāng)摻雜碳納米管等電熱材料時(shí)，該織物還可以作為可穿戴的加熱器，在保持其柔軟多孔性的同時(shí)，可誘導(dǎo)快速熱響應(yīng)。

5 協(xié)同復(fù)合材料

為實(shí)現(xiàn)高效的紅外隱身，單一的改變紅外發(fā)射率或者控制溫度都具有一定的局限性，協(xié)同利用低發(fā)射率材料和控溫法可以更加有效地實(shí)現(xiàn)紅外隱身。目前的策略通常是將控溫材料、低發(fā)射率材料或者是超材料復(fù)合形成更高效的紅外隱身材料。

Xu等[54]設(shè)計(jì)了一種具有良好隔熱性能的夾層，再在織物表面涂覆低發(fā)射率材料（ZAO），該織物紅外發(fā)射率為0.50，導(dǎo)熱率為0.013 W/(m·K)，具有十分優(yōu)異的紅外隱身性能。Ma等[55]設(shè)計(jì)了一種具有夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合織物，其中鋁箔（AF）用于低發(fā)射率層、空心玻璃微球（HGMs@Y2O3,）為隔熱層，該織物屏蔽加熱物體（62.8 ℃）后被紅外熱成像儀測(cè)到的溫度僅為32.4 ℃，具有優(yōu)異的紅外偽裝效果。Gu等[56]設(shè)計(jì)了一種紅外隱形織物，如圖4所示，該織物由化學(xué)鍍銀織物和相變材料涂層組成?；瘜W(xué)鍍銀可以將紅外發(fā)射率降低到0.692（1～22 μm）、0.687（8～14 μm）和0.655（3～5 μm），相變材料涂層提供的相變潛熱可以進(jìn)一步降低溫度。測(cè)量結(jié)果表明，相變材料涂層可以在65 ℃的熱板上與未經(jīng)處理的織物產(chǎn)生的最大實(shí)際溫差為21.6 ℃，并將表面實(shí)際溫度保持在38 ℃以下，最多可持續(xù)300 s。紅外攝像機(jī)圖像顯示，與未經(jīng)處理的織物相比，制備的紅外隱形織物具有顯著屏蔽或干擾目標(biāo)的紅外熱特征，具有很大的實(shí)際應(yīng)用潛力。Quan等[57]提出了一種用于可調(diào)諧紅外隱身和偽裝的相變超材料，并進(jìn)行了數(shù)值研究。該超材料將耐高溫金屬M(fèi)o與相變材料Ge2Sb2Te5（GST）相結(jié)合，通過(guò)GST的相變過(guò)程可以在紅外隱身和非隱身狀態(tài)之間切換。該材料采用簡(jiǎn)單的多層結(jié)構(gòu)，可以大規(guī)模制造。

圖3 “冷凍紡絲”流程示意圖[53]

圖4 紅外隱身協(xié)同復(fù)合材料[56]

6 紅外隱身材料在軍事裝備中的應(yīng)用

紅外隱身材料在飛機(jī)、裝甲車(chē)輛和艦艇等軍事目標(biāo)上也有著廣泛的應(yīng)用。利用低發(fā)射率涂層、薄膜或者借助隔熱材料、吸熱材料以及光子晶體等，可以實(shí)現(xiàn)裝備對(duì)紅外的隱身。

美國(guó)戰(zhàn)機(jī)上已使用低發(fā)射率紅外隱身涂層，戰(zhàn)機(jī)尾噴管上也采用特殊涂層來(lái)降低紅外特征信號(hào)[58]。美國(guó)隱身轟炸機(jī)機(jī)體采用50%～60%的新型降溫隔熱復(fù)合材料達(dá)到紅外隱身目的。法國(guó)、德國(guó)和俄羅斯等國(guó)也研制具有防腐蝕能力強(qiáng)、低紅外發(fā)射率的隱身涂料，涂料最終形成的涂層僅使蒙皮厚度增加幾毫米，且適用于任何材料及結(jié)構(gòu)[59]。某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪葉片上采用低紅外發(fā)射率材料，其發(fā)射率由0.9降到0.2，整個(gè)腔體和噴流的紅外輻射強(qiáng)度降低了25%以上[60]。對(duì)于坦克裝甲車(chē)等地面裝備，通?？衫媚茱@著降低目標(biāo)溫度的泡沫保溫材料和硅橡膠對(duì)表面進(jìn)行隔熱。艦艇上的發(fā)熱部分也可以使用熱絕緣材料和玻璃鋼排氣煙囪減少紅外特征信號(hào)。美國(guó)研究人員設(shè)計(jì)出一種厚度小于1 mm的紅外隱身材料，該材料對(duì)中、長(zhǎng)波具有極強(qiáng)的吸收能力，可讓坦克、裝甲車(chē)等地面裝備實(shí)現(xiàn)紅外隱身[61]，如圖5所示，在該隱身材料中融合電熱元件甚至能達(dá)到欺騙紅外探測(cè)器的效果。劉彪等[62]設(shè)計(jì)一種光子晶體薄膜用于裝甲車(chē)在中、遠(yuǎn)紅外下的隱身，將薄膜完整地貼附在裝甲車(chē)引擎蓋表面，可抑制引擎艙向外發(fā)出紅外輻射，使裝甲車(chē)與周?chē)尘跋嗳诤?，達(dá)到紅外隱身的目的。

圖5 紅外隱身材料的熱成像圖[61]

7 結(jié)語(yǔ)

紅外隱身材料主要包括低發(fā)射率材料、控溫材料以及近年來(lái)較為熱門(mén)的智能型紅外隱身材料，已廣泛應(yīng)用于織物、軍事裝備等領(lǐng)域。低發(fā)射率材料是紅外隱身材料最主要的研究領(lǐng)域，具有使用方便、施工工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，但也存在易腐蝕、密度大且難加工的不足?？販夭牧现饕ǜ鞣N隔熱材料和相變材料，具有應(yīng)用方便、形式多樣、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在隔熱材料厚度較大，相變材料使用溫度相對(duì)較低的缺點(diǎn)。新型智能紅外隱身材料代表了紅外隱身材料技術(shù)研究的最先進(jìn)方向，通常具有對(duì)外感知、自我指令的特點(diǎn)，但制備工藝復(fù)雜、成本高。協(xié)調(diào)復(fù)合材料是未來(lái)紅外隱身材料發(fā)展的方向，紅外隱身更加高效，但合成難度大。

紅外隱身材料的發(fā)展仍需考慮以下幾點(diǎn)：面對(duì)日益復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境和極端條件，對(duì)紅外隱身材料的耐高熱、耐腐蝕和力學(xué)性能提出了更高的要求，研制耐高溫、抗沖擊、耐腐蝕的紅外隱身材料十分必要；單一波段的隱身技術(shù)不能應(yīng)對(duì)飛速發(fā)展的探測(cè)技術(shù)，未來(lái)紅外隱身領(lǐng)域的研究重點(diǎn)為多波段兼容隱身技術(shù)，研發(fā)多波段兼容隱身材料以滿足現(xiàn)代化軍事發(fā)展需求。為更好地實(shí)現(xiàn)紅外隱身，紅外隱身材料應(yīng)向控溫、低發(fā)射率以及超材料相結(jié)合的方向發(fā)展。

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Research Progress of Infrared Stealth Protection Materials

XU Yi-hui, JIA Ling-jie, JIA Xian-bu, CHEN Er-yu

(NCO, Academy of PAP, Hangzhou 310000, China)

The work aims to summarize the research progress of infrared stealth protection materials in China and abroad in recent years and prospect the future development. Based on infrared detection technology and infrared stealth principle, a series of materials with excellent performance, such as low emissivity materials, temperature control materials, cooperative composite materials and emerging materials, were introduced. Infrared stealth could be realized by reducing the surface temperature and emissivity of the object. The infrared stealth protection materials developed on the basis of these two aspects had good stealth effect. Different types of infrared stealth materials have different characteristics and have been widely used in military equipment, fabrics, and other fields. However, there are still some shortcomings. In the future, further optimization should be carried out according to different application environment requirements to meet the needs of modern warfare.

infrared stealth; low emissivity material; temperature control material; composite material

TB34；TN215

A

1001-3563(2023)09-0137-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.017

2023?04?21

許毅輝（1996—），男，本科。

陳爾余（1976—），男，博士。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋