紅外探測與紅外隱身材料研究進展

文 嬌, 李介博, 孫井永, 魏亮亮, 郭洪波,*

（1．北京航空航天大學 材料科學與工程學院，北京 100191；2．高溫結(jié)構(gòu)材料與涂層技術(shù)工信部重點實驗室，北京 100191；3．北京航空航天大學 北京生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100191；4．北京航空航天大學 航空科學與技術(shù)國家實驗室，北京 100191；5．北京航空航天大學 前沿科學技術(shù)創(chuàng)新研究院，北京 100191）

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(dǎo)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(dǎo)武器的攻擊擊落的[1]。伴隨先進新型半導(dǎo)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(dǎo)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(shù)獲得了高度關(guān)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(shù)的發(fā)展和紅外隱身機制的研究，帶動了半導(dǎo)體材料、隱身材料以及熱學研究領(lǐng)域中其他技術(shù)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(yīng)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(fù)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(chǎn)生的熱輻射[2]、發(fā)動機排出的高溫尾焰輻射[3]、氣動加熱使蒙皮升溫產(chǎn)生的輻射以及對環(huán)境輻射的反射[1，4]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[5]，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：

圖1 飛機紅外輻射源分布[1]Fig. 1 Source distribution of IR radiance from aircraft[1]

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(nèi)向外逐漸降低的圓柱體空腔[6]，空腔的排氣溫度約為進氣溫度的0.85倍。

根據(jù)上述推導(dǎo)，非加力狀態(tài)下，設(shè)噴口溫度為800 K，且尾噴管滿足一維定態(tài)熱傳導(dǎo)，則在尾噴管內(nèi)端的溫度為941 K；加力狀態(tài)下噴口溫度為1100 K，內(nèi)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(zhuǎn)化為熱能，在蒙皮表面形成熱層，即氣動加熱現(xiàn)象[7]。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[8]?；诮?jīng)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[9]：

式中：Ts為駐點溫度；Tair為大氣溫度；r為溫度恢復(fù)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(wǎng)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(nèi)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(dǎo)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。

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[10]。通過定義轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變[11]。夏新林等引入壁面熱流函數(shù)進行飛機內(nèi)部傳熱分析，得到不同飛行狀態(tài)和不同艙段的蒙皮溫度[12]。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，結(jié)果如圖3所示[13]。根據(jù)仿真結(jié)果，蒙皮溫度為220～340 K，輻射功率集中分布在8～14 μm波段。

圖2 蒙皮面元換熱示意圖Fig. 2 Schematic diagram of heat exchange of skin element

圖3 不同速度時飛機表面溫度分布[13]Fig. 3 Temperature distribution of aircraft surface at variable speeds[13] （a）Ma = 0.85；（b）Ma = 1.5

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(chǎn)生較強的輻射，是飛行器被攔截或攻擊的主要危險源之一[14]。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(luò)分布[15]。尾焰中CO2、H2O、CO等氣體分子的振動是紅外輻射的來源[2]。

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(zhì)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： υ′與 υ′′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(guān)，具有明顯的波長選擇性。典型的尾焰光譜輻射如圖4（b）所示[14]，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。

圖4 尾焰輻射的視場示意圖（a）和飛行器尾焰的光譜輻射[14]（b）Fig. 4 Field diagram of trail flame radiation（a）and spectral radiation from trail flame of the aircraft（b）[14]

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(dǎo)地位，尾焰輻射與其成分相關(guān)，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[9]，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(dǎo)武器、紅外追蹤偵察及紅外預(yù)警的首要條件。半導(dǎo)體制備技術(shù)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(yīng)的紅外探測器件提供了可能。

2 紅外探測技術(shù)

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(zhuǎn)化為可被測量信號的一類能量轉(zhuǎn)換器件。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同，可將紅外探測器分為光熱型和光子型[16]，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(yīng)速率快。光子型探測器又可分為光導(dǎo)型和光伏型，前者是吸收光子能量后將電子從半導(dǎo)體價帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶上，改變探測材料的電導(dǎo)率；后者是將光子能量轉(zhuǎn)化為電子能量，造成半導(dǎo)體的電子-空穴分離態(tài)，從而提供電壓信號[17]。因此，光子能量大于半導(dǎo)體的帶隙（導(dǎo)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(chǎn)生響應(yīng)。換言之，半導(dǎo)體的帶隙決定了材料可以吸收檢測的紅外光的范圍。

經(jīng)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(yīng)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[18]。本章將針對第三代紅外探測器，概述經(jīng)典碲鎘汞和量子阱、Ⅱ類超晶格、二維材料等前沿領(lǐng)域的紅外探測材料發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 窄帶隙本征半導(dǎo)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(dǎo)體材料，具有高量子效率和高紅外響應(yīng)靈敏度及小的暗電流，是目前綜合性能最為優(yōu)異、應(yīng)用最廣泛的光電探測器[19-21]。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(diào)節(jié)可獲得1～30 μm連續(xù)波長的響應(yīng)。相比于光導(dǎo)型HgCdTe探測器，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光伏型器件可實現(xiàn)多色成像[22]。中科院上海技術(shù)物理研究所對HgCdTe的數(shù)值模型、界面特性、暗電流性質(zhì)等進行了系統(tǒng)的研究[23-27]。

目前比較成熟的HgCdTe制備方法一般為液相外延法[28]，分子束外延法或有機化合物氣相沉積法可用于制備復(fù)雜HgCdTe結(jié)構(gòu)[20]；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(fù)性都帶來了挑戰(zhàn)[29]。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(guān)于InGaAs近紅外焦平面探測器的報道[30-31]，國內(nèi)中科院上海技術(shù)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(lǐng)域已經(jīng)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[32]。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[33]，被廣泛應(yīng)用于空空導(dǎo)彈等武器裝備中[34]，但其存在工作溫度較低、探測波長不可調(diào)的限制。

2.2 量子阱紅外探測器

在單質(zhì)、二元和三元半導(dǎo)體材料的性能難以超越碲鎘汞后，研究逐漸轉(zhuǎn)向通過調(diào)控復(fù)合光敏結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)注[35]，其中典型代表為GaAs/AlGaAs[36]。QWIP的工作原理如圖5所示，半導(dǎo)體內(nèi)的導(dǎo)帶/價帶不連續(xù)，形成多周期量子阱，雜質(zhì)電子占據(jù)量子阱內(nèi)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[37-38]。NASA所報道的焦平面QWIP在中遠紅外范圍內(nèi)的探測性能已與現(xiàn)有的HgCdTe接近[39]；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(yīng)用需求之間仍有較大差距。

圖5 GaAs/AlGaAs量子阱能帶結(jié)構(gòu)示意圖[37]Fig. 5 Schematic diagram of the band profile of a GaAs/Al-GaAs quantum well[37]

圖6 能帶結(jié)構(gòu) （a）量子阱；（b），（c）Ⅱ類超晶格Fig. 6 Energy band structures of （a）quantity well；（b）,（c）type Ⅱ superlattice

2.3 Ⅱ類超晶格

Ⅱ類超晶格半導(dǎo)體材料具有與QWIP相似的周期性結(jié)構(gòu)，但在能帶結(jié)構(gòu)上存在差異。如圖6所示，構(gòu)成Ⅱ類超晶格的兩種材料，其中一種的禁帶結(jié)構(gòu)不完全包含于另一種[40-41]，如禁帶錯位型Ⅱ類超晶格InAs/GaSb[42]。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(fù)合[40，43]，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(jié)構(gòu)在77 K時的探測率與HgCdTe相當[44]。調(diào)整超晶格的結(jié)構(gòu)參數(shù)可實現(xiàn)對探測波長的調(diào)節(jié)，避免了材料成分對性能的影響[45]。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(yīng)用于國內(nèi)焦平面紅外探測器[17]。

2.4 二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)

除石墨烯外，目前處于研究中有望應(yīng)用于中紅外檢測的二維材料還包括硒化物[54]、黑磷和黑磷砷（b-P/b-PAs）[55-56]等。二維材料光電轉(zhuǎn)換過程的多種物理機制，包括Seebeck效應(yīng)、光誘導(dǎo)局域場調(diào)控等，為量子效率高、靈敏度好的高性能紅外探測器件設(shè)計與制備提供了理論基礎(chǔ)。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(yīng)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(yīng)用，隨基礎(chǔ)理論研究與制備技術(shù)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。

隨著微納制造技術(shù)及層裝材料組裝技術(shù)的發(fā)展，石墨烯為代表的二維材料以及異質(zhì)結(jié)構(gòu)因其獨特的光學性質(zhì)，展現(xiàn)出在紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用潛力[46-47]。石墨烯與硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)復(fù)合或制備石墨烯基Fabry-Perot微腔，可極大提高探測器的光增益[48-49]。將石墨烯與量子點（quantum dots，QDs）復(fù)合，也可獲得超高增益[50-51]。石墨烯自身的零帶隙特征限制了其光響應(yīng)率，異質(zhì)結(jié)構(gòu)可有效控制電荷傳輸，降低暗電流[52]，石墨烯/砷化銦（InAs）納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光響應(yīng)率可達傳統(tǒng)石墨烯結(jié)構(gòu)的5000倍[53]。

表1 新型紅外探測材料與HgCdTe性能對比Table 1 Performance comparison between HgCdTe and novel IR detective materials

3 紅外隱身材料

為應(yīng)對探測器發(fā)展所帶來的紅外威脅，對紅外隱身技術(shù)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(shè)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。

表2 典型金屬材料的紅外發(fā)射率[60]Table 2 IR emissivity of typical metals[60]

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(dǎo)帶內(nèi)自由價電子的帶內(nèi)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，見表2。在遠離其帶隙波長的中紅外和遠紅外區(qū)域，半導(dǎo)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(dǎo)體材料可以通過改變摻雜濃度調(diào)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(yīng)的狹窄范圍內(nèi)，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(zhì)（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(fù)反射也會增大輻射功率。如圖7所示，考慮發(fā)射率隨角度的變化，假設(shè)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，對于圖7（a）所示粗糙表面的α點，其輻射來源如圖7（b）中所示，相應(yīng)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。

圖7 粗糙度對材料紅外輻射的影響[61] （a）V型槽模型的發(fā)射率；（b）圖示中三部分對輻射均有貢獻Fig. 7 Effects of roughness on emissivity[61] （a）emissivity of V-groove model；（b）all three parts of the diagram contribute to infrared radiance

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[62]，如應(yīng)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(nèi)保持低發(fā)射率（約0.2）[63-65]。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[66]，旋涂法制備的納米銀涂層也表現(xiàn)出這一性質(zhì)[67]。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(diào)整的紅外輻射[68]。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(shè)備要求較高，且工件大小受限于設(shè)備尺寸，需要開發(fā)適用于大型構(gòu)件表面的涂層制備工藝。

3.1.2 半導(dǎo)體材料

作為低發(fā)射率半導(dǎo)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[69]。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[70-71]。超結(jié)構(gòu)ITO薄膜可兼具雷達隱身和紅外隱身性能[72]。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[73-74]，調(diào)整制備工藝或涂層結(jié)構(gòu)，AZO發(fā)射率可降至0.45左右[75-76]。通過調(diào)控材料性能，提升兼容隱身性能，半導(dǎo)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(jié)劑涂層

填料/黏結(jié)劑涂層主要由低發(fā)射率填料（金屬微粉、半導(dǎo)體材料微粉等）和紅外透明黏結(jié)劑（環(huán)氧樹脂、三元乙丙橡膠等）構(gòu)成[77]。受樹脂工作溫度限制，此類涂層多應(yīng)用于飛機蒙皮或坦克表面等溫度較低的部位。為應(yīng)對更高服役溫度的需求，目前對黏結(jié)劑的研究熱點集中于高溫黏結(jié)劑，包括無機耐高溫黏結(jié)劑（硅酸鹽和磷酸鹽等）[78-79]和有機耐高溫黏結(jié)劑（聚氨酯和有機硅等）[80-81]。根據(jù)漫反射條件下的二能流理論[82]，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(zhì)對涂層發(fā)射率的影響，相比于球形填料（圖8（a）），相同比例下片狀填料（圖8（b））反射率更高、發(fā)射率更低；圖8（c）所示的填料懸浮于涂層表面可進一步增強反射。填料/黏結(jié)劑體系因制備工藝簡單、便于實現(xiàn)性能調(diào)控，應(yīng)用更為廣泛[83]。涂層耐候性及服役性能也是目前研究的重點內(nèi)容[84-85]。

圖8 填料性質(zhì)對涂層發(fā)射率的影響 （a）低發(fā)射率涂層示意圖；（b）填料形狀對發(fā)射率的影響；（c）填料分布對發(fā)射率的影響Fig. 8 Effects of particle properties on emissivity （a）schematic illustration of low emissivity coating；（b）effect of particle size on emissivity；（c）effect of particle floatage on emissivity

在3～5 μm和8～14 μm波段陶瓷材料的發(fā)射率一般較高[86]，因此低發(fā)射率陶瓷涂層的設(shè)計多從結(jié)構(gòu)角度入手，如zig-zag或多層結(jié)構(gòu)[4，87-89]?？傮w來看，并沒有關(guān)于低紅外發(fā)射率陶瓷涂層成熟應(yīng)用的報道。對低發(fā)射率涂層材料的性能總結(jié)如表3

所示。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(shè)備的依賴性，以實現(xiàn)在更高溫度下的大規(guī)模應(yīng)用。對半導(dǎo)體材料成分、結(jié)構(gòu)的準確調(diào)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(jié)劑涂層需降低黏結(jié)劑的本征發(fā)射率并提高其在高溫復(fù)雜環(huán)境下的力學性能。

表3 低發(fā)射率涂層材料及其性能Table 3 Low emissivity coating materials and their properties

對涂敷低發(fā)射率涂層的飛行器輻射特性模擬結(jié)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(nèi)3～5 μm波段輻射強度明顯降低[90]，8～14 μm波段的輻射強度在所有方向均可降低40%以上[91]。相同工況下對排氣系統(tǒng)的實驗測量結(jié)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(nèi)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[92]。

3.2 新興紅外隱身材料

根據(jù)外界環(huán)境變化主動調(diào)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(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境發(fā)展的必然需求[44，93]。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[94]。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(zhì)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)[95]，但隨溫度等外界條件的變化，相變材料的結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯改變，同時產(chǎn)生光學/電學性質(zhì)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，由圖9（a）所示的單斜相（M）轉(zhuǎn)變?yōu)閳D9（b）所示的金紅石相（R）。相變前后電阻發(fā)生突變[96]，同時發(fā)射率突變可達0.6[97]，可達到動態(tài)隱身效果。VO2粉末憑借技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，更適用于大規(guī)模復(fù)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(jié)構(gòu)有利于相變應(yīng)力釋放[98-100]。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[101]。關(guān)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(guān)聯(lián)驅(qū)動的Mott轉(zhuǎn)變[102]、晶格結(jié)構(gòu)驅(qū)動的Peierls轉(zhuǎn)變[103]或是兩種機制共同驅(qū)動[104]的轉(zhuǎn)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[102，105-107]。熱致相變的溫度直接影響VO2的實際應(yīng)用，W、Mo等元素的摻雜可調(diào)整VO2晶格的局部電子密度，改變其相變溫度[98，108]。

除VO2外，其他相變材料也引起關(guān)注。具有無滯后漸進式相變性質(zhì)的SmNiO3的發(fā)射率與溫度的四次方成反比關(guān)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[95，109]。熱處理或激光脈沖處理可改變Ge2Sb2Te5（GST）的晶體結(jié)構(gòu)，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[110-111]。稀土鎳酸鹽及NaOsO3等[112]相變材料均有作為紅外隱身材料的潛質(zhì)。相變材料為實現(xiàn)自適應(yīng)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(zhì)的精確調(diào)控，是相變材料隱身設(shè)計及獲得實際應(yīng)用的前提。

圖9 VO2的結(jié)構(gòu) （a）單斜結(jié)構(gòu)（M）；（b）金紅石結(jié)構(gòu)（R）Fig. 9 Structure of VO2 （a）monoclinic structure（M）；（b）rutile structure（R）

3.2.2 電致變色材料

除溫度變化導(dǎo)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(zhì)改變，即電致變色作用[44，113]。電致變色器件的結(jié)構(gòu)如圖10所示[114-115]，包括基底、電極、電致變色層、電解質(zhì)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[116-117]、導(dǎo)電高分子（CPs）如聚苯胺（PANI）、聚苯二胺（PDPA）等[115，118]。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蔥117，119]。Prasanna的報道展現(xiàn)了CPs從可見光至遠紅外范圍內(nèi)在大型柔性器件中的應(yīng)用前景[118]。

圖10 電致變色器件結(jié)構(gòu)Fig. 10 Structure of electrochromic device

3.2.3 微納結(jié)構(gòu)金屬粒子

通過調(diào)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)表面的氣體分子振動耗散動力學及能量轉(zhuǎn)換。研究結(jié)果直接證明了吸附分子能量弛豫在金屬界面引起熱傳導(dǎo)，導(dǎo)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[120-121]；另一方面，理論和實驗結(jié)果均表明，在皮秒時間尺度內(nèi)，通過振動/電子耦合，CO分子可將其振動能量轉(zhuǎn)化為熱能，并通過金屬晶格振動耗散[121-122]，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[120]。這一研究為尾噴口擋板材料設(shè)計、抑制探測器對尾焰紅外信號的追蹤提供了思路。（室溫大氣環(huán)境下約20 mW?m–1?K–1）外，在熱沖擊或熱應(yīng)力等極端條件下仍表現(xiàn)出理想的魯棒性[125]。在SiC納米線表面引入SiO2殼層作為聲子屏障[126-127]，所制備的核殼結(jié)構(gòu)SiC@SiO2氣凝膠納米線表現(xiàn)出更低的熱導(dǎo)率（約14 mW?m–1?K–1）[128]。氣凝膠與相變材料或金屬納米粒子復(fù)合，可進一步提高儲能性質(zhì)[124，129]。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(lǐng)域的應(yīng)用潛力，且多孔結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)多功能一體化設(shè)計的重要途徑。

3.2.4 隔熱氣凝膠

氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)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[123-124]，降低物體的輻射功率。陶瓷氣凝膠更適用于高溫領(lǐng)域，為克服其脆性及結(jié)晶粉化等缺陷，Xu等設(shè)計制備的雙負泊松比BN陶瓷氣凝膠，除具有極低的熱導(dǎo)率

圖11 光子晶體 （a）一維晶體；（b）二維晶體；（c）三維晶體Fig. 11 Photonic crystals （a）one-dimensional crystal；（b）two-dimensional crystal；（c）three-dimensional crystal

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[130]，是一種具有人工設(shè)計結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出天然材料所沒有的超常物理性質(zhì)的材料或結(jié)構(gòu)。由于其特殊的物理性質(zhì)，在電磁、通信等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，在紅外隱身領(lǐng)域也獲得了廣泛研究[131]。

光子晶體[132]是由兩種或兩種以上具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間呈周期性排列所構(gòu)成的超材料，結(jié)構(gòu)單元的尺度在光波數(shù)量級[133-134]。如圖11所示，根據(jù)光子晶體的結(jié)構(gòu)空間分布特征，可分為一維（圖11（a））、二維（圖11（b））和三維光子晶體（圖11（c））。周期性結(jié)構(gòu)能夠在晶體內(nèi)部產(chǎn)生“光子禁帶”[135]，對相應(yīng)頻率的入射電磁波產(chǎn)生全反射，調(diào)整光子晶體的結(jié)構(gòu)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[136-137]，人工設(shè)計實現(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)非均勻分布的材料或異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以屏蔽物體的溫度場，實現(xiàn)紅外隱身的目的[138]。等離子激元超晶格材料可通過調(diào)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(diào)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(diào)整載流子濃度[139]，或利用相變材料GST實現(xiàn)對表層金薄膜載流子濃度的調(diào)整[140]。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(shè)計思路，但因需要實現(xiàn)對材料結(jié)構(gòu)的精確控制，受限于制備工藝，與獲得大規(guī)模應(yīng)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(yīng)用于隱身領(lǐng)域的研究[141-142]。頭足綱動物通過適應(yīng)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[143]。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(chǎn)生響應(yīng)，實現(xiàn)器件整體紅外發(fā)射率的動態(tài)變化[144]。同樣，受頭足綱動物的啟發(fā)，Stephen等在軟體器械的微流體網(wǎng)絡(luò)中流過控溫液體，對溫度進行調(diào)整以控制紅外輻射[145]。

對新興材料的隱身原理及實施案例總結(jié)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(jié)構(gòu)金屬粒子有針對性地對尾焰中氣體輻射波長進行調(diào)整，將其轉(zhuǎn)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(zhì)進行調(diào)整。自然界中生物的隱身方式為紅外隱身材料提供了設(shè)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(yīng)復(fù)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。

表4 新興材料及隱身機制Table 4 New materials and their stealth mechanisms

4 結(jié)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(shù)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(yīng)速度。

為應(yīng)對服役環(huán)境的日益復(fù)雜和探測器技術(shù)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(yīng)力復(fù)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(yīng)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。