光谱选择性辐射红外隐身材料研究进展

王新飞, 刘东青*, 彭 亮, 程海峰

（1．国防科技大学 空天科学学院 新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室，长沙 410073；2．复杂航空系统仿真重点实验室，北京 100071）

弹道导弹、巡航导弹以及高超声速飞行器等武器装备由于飞行速度极快，在运动过程中尾焰、发动机喷管和蒙皮等热源部位的红外辐射特征显著，受到红外预警系统和红外制导武器的威胁严重[1]。据报道，美国上一代“国防支援计划”（DSP）卫星曾探测到前苏联、法、中、印、朝等国导弹发射信息1000余次[2]；2018年1月，随着第4颗地球静止轨道卫星的发射成功，美国的“天基红外系统”（SBIRS）已全面部署完成，该系统与“空间跟踪与监视系统”（STSS）相配合，实现了美国在全球范围内导弹发射助推段的探测和预警以及飞行中段和再入段的识别与跟踪[3]；当前，美国正在筹备开展的“下一代过顶持续红外”（Next-Gen OPIR）预警卫星将采用超大面阵多波段红外焦平面探测器，不仅能探测跟踪弹道导弹等大型武器装备的发射，还能实现小型地空导弹、空空导弹甚至各式高超声速武器的探测和预警[2]。不断发展的红外探测技术与精确制导拦截技术相配合，对导弹、高超声速飞行器等武器装备的生存能力和突防能力提出愈发严峻的挑战[4-6]。

红外隐身技术是指通过一定的手段降低或者改变目标的红外辐射强度与特性，从而降低目标被发现、识别、跟踪和攻击的概率，是武器装备生存和突防的关键技术之一[4-8]。针对飞行器尾喷管和蒙皮等红外辐射信号强烈的部位，目前广泛采用低发射率涂层材料来降低辐射强度[9-10]，从而实现红外隐身的目的。然而，传统的低发射率涂层材料通常在整个红外波段具有低发射率特性，在降低红外探测波段发射率的同时，极大地阻碍辐射散热的效果，会造成实际温度的升高，反而不利于目标整体红外可探测性的降低。为解决上述问题，研究人员正在不断探索寻求新型的、更为有效的红外隐身技术。光谱选择性辐射红外隐身材料可以根据需要对自身的光谱特性进行调控，在减小探测波段红外发射率的同时，利用非探测波段进行辐射散热[11-12]，有效解决低发射率涂层材料在降低发射率和散热问题上存在的矛盾，具有优异的红外隐身性能，是当前红外隐身领域研究的热点。本文主要介绍基于光子晶体、频率选择表面以及Fabry-Perot腔的三代光谱选择性辐射结构的研究现状和进展，总结了现有体系的优点以及存在的问题。

1 光谱选择性辐射红外隐身原理

目标红外辐射特性的强弱与辐射出射度的大小密切相关，根据斯蒂芬 · 玻尔兹曼定律，物体的辐射出射度可以通过式（1）计算：

式中：M为物体的辐射出射度；ε为红外发射率；σ为玻尔兹曼常数；T为物体的温度。

低发射率涂层材料由于具有较低的红外发射率，可以降低目标的辐射出射度，从而达到红外隐身的目的。

大气的红外透射率光谱图如图1所示，在3～5 μm和8～14 μm的窗口波段，红外辐射在大气传播过程中几乎不会衰减，是红外探测的主要波段，而在5～8 μm的非窗口波段，红外辐射受大气中的H2O、CO2以及悬浮颗粒的吸收和散射作用明显，通常不作为红外探测波段[13]。传统的低发射率涂层材料在整个红外波段具有低发射率特征，满足大气窗口波段（3～5 μm和8～14 μm）的红外隐身需求，然而全波段的低红外发射率特性在降低目标红外发射率的同时，会导致热量难以被辐射扩散，造成目标温度的升高。由式（1）可知，目标温度的升高会导致辐射出射度的增加，削弱低发射率涂层材料降低辐射出射度的效果，反而增强目标的红外信号，使其重新处于暴露的危险。

图 1 大气的红外透过率光谱图[13]Fig. 1 Infrared transmittance spectrum of atmosphere[13]

光谱选择性辐射红外隐身材料在大气窗口波段（3～5 μm和8～14 μm）具有低发射率，而在非窗口波段（5～8 μm）具有高发射率，可同时从降低温度和降低发射率两个角度实现辐射出射度的降低，达到红外隐身的目的，理想的光谱选择性辐射红外隐身材料的发射率曲线如图2所示[14]。选择性辐射材料的应用有效避免了低发射率涂层材料由于辐射效率降低而造成的散热困难的问题，可以通过辐射散热降低目标的温度；同时，由于其辐射波段不在探测波段内，极大地降低了目标的可探测性。

图 2 理想光谱选择性辐射红外隐身材料的发射率曲线Fig. 2 Ideal emissivity curve of spectral selective radiation infrared stealth materials

2 研究现状与进展

为同时满足红外隐身和辐射散热的需求，选择性辐射材料必须具备良好的光谱选择性，在3～5 μm和8～14 μm波段具有尽可能低的发射率，而在5～8 μm波段的发射率则尽可能高。其次，飞行器的蒙皮和喷管等热源部位由于气动加热或者尾焰冲刷通常具有比较高的温度，这就要求选择性辐射材料必须能够耐受一定程度的高温。通过梳理光谱选择性辐射红外隐身材料的技术发展脉络，我们认为光谱选择性辐射红外隐身材料的发展经历了三个主要阶段，最早期是以光子晶体为主，可归于第一代光谱选择性辐射红外隐身材料；随着微纳加工技术的发展，频率选择表面逐步由微波波段向红外波段过渡，第二代光谱选择性辐射红外隐身材料应运而生；最近，有课题组进一步提出了由超薄金属结合Fabry-Perot腔结构的光谱选择性辐射红外隐身材料，可归于第三代。通过三代光谱选择性辐射红外隐身材料的发展，极大地推动了该技术的实用化进程。

2.1 基于光子晶体的选择性辐射红外隐身材料

光子晶体是由多种具有不同介电常数（或折射率）的介质材料在空间中周期性排列所形成的特殊结构，属于第一代光谱选择性辐射红外隐身材料。早在1987年，Yablonovitch[15]和Jhon[16]就分别发现了光子禁带和局域光子效应，为光子晶体的研究奠定了理论基础。光子禁带效应是指通过调整晶格常数和介电常数比等参数，使得某些频率范围内电磁波的态密度消失，从而无法在光子晶体内部传播的现象；而当在光子晶体的周期性结构中引入缺陷时，与缺陷态频率范围一致的电磁波则会被局域在缺陷位置，并在偏离时发生迅速衰减，这个缺陷被称作光子局域或Anderson局域，光子禁带和光子局域效应共同构成了光子晶体的两大主要特性[17]。

根据介质材料在空间中的排列方式，可将光子晶体分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体[18]。其中，一维和二维光子晶体由于制备简单、光谱选择性好而得到广泛应用，但它们通常只有一个光子禁带且禁带宽度较窄，难以满足双波段红外隐身的需求，三维光子晶体可在三个空间维度上实现全面的光谱调控，其光子禁带较宽，并且耐高温性能好[19]，具有广阔的应用前景。

Aliev等[20]采用自组装法将直径0.8～4.5 μm的SiO2微球制备成具有较高反射率的蛋白石结构三维光子晶体，通过在蛋白石结构模板中熔融填充硫系玻璃Ge33As12Se55，并用HF溶液刻蚀去除模板，Aliev进一步获得禁带位于3～5 μm和8～12 μm两个波段内的高孔隙率反蛋白石结构三维光子晶体，其反射率峰值可达65%以上，各种结构的反射率曲线如图3所示。

虽然反蛋白石结构光子晶体的禁带反射率高于蛋白石结构，但是其制备工艺较为复杂，在实际中难以推广应用。张连超等[21]报道了一种操作简易、成本低廉的优化垂直沉积法，将微米级SiO2微球自组装获得高质量的蛋白石结构光子晶体，该结构的禁带位于2.8～3.5 μm和8.0～10.0 μm，红外透射率曲线如图4所示。此后，该组用单分散聚乙烯微球替代SiO2微球，进一步获得了禁带位于3.24～3.44 μm的蛋白石结构聚乙烯光子晶体[22-23]。

图 4 垂直入射时SiO2光子晶体薄膜的红外透射率谱图[21] （a）1.5 μm SiO2微球；（b）4.3 μm SiO2微球Fig. 4 Normal incident infrared transmittance spectra of SiO2 photonic crystal film[21] （a）1.5 μm SiO 2 sphere；（b）4.3 μm SiO2 sphere

通过控制微球的尺寸，容易获得不同光子禁带的蛋白石结构三维光子晶体，但单分散的微球通常只能获得单一波段的禁带，要想满足选择性辐射红外隐身，仍需多种尺寸微球制备的光子晶体配合才能完成，相对较为麻烦。一维光子晶体通常也只具备单一波段的光子禁带，无法满足选择性辐射红外隐身的要求，然而研究表明，通过构造异质结构可以实现其全向反射频率光子禁带的合并与拓宽[24]，这为选择性辐射红外隐身提出了新的思路。

赵大鹏等[25]采用传输矩阵法设计出由Te和PE两种材料组成的一维光子晶体，并通过构造异质结构实现了光子禁带的展宽，获得的全向反射镜在3.4～5.4 μm和8～12.5 μm波 段 反 射 率 高 达99%以上。通过薄膜光学理论进行优化，该组将异质结构的禁带进一步拓宽为2.91～5.12 μm和7.62～12.29 μm，反射率高达95%[26]，在两个禁带之间的5～8 μm波段范围，光谱表现为振荡的通带，可以将累积的热量辐射出去，其红外反射率曲线如图5所示。

图 5 一维异质结构光子晶体的红外反射率曲线[26]Fig. 5 Infrared reflectance spectrum of the one-dimensional heterostructure photonic crystal[26]

利用光学镀膜技术，Zhang等[27]成功在石英基底上制备出由Ge和ZnS构成的一维异质结构光子晶体薄膜，其结构示意图和红外发射率曲线如图6所示。实验结果显示，该光子晶体薄膜在3～5 μm和8～14 μm大气窗口波段的平均发射率分别为0.046和0.190，而在5～8 μm非窗口波段的平均发射率为0.579，有较为明显的选择性辐射特征，有望用作光谱选择性辐射红外隐身材料。

在多波段隐身方面，一维异质结构光子晶体也表现出良好的兼容性能。首先，光子晶体的介质材料通常在雷达波波段具有高透射率特性，Wang等[28]比较了在玻璃基板上制备的光子晶体结构和空白玻璃基板在2～18 GHz波段的透射率，结果发现二者的透射率曲线基本相同，这表明该光子晶体结构在整个雷达波段几乎是透明的，通过与雷达吸波材料的结合，很容易实现红外隐身与雷达隐身的兼容。此外有研究表明，利用光谱挖孔原理，可在一维光子晶体中掺杂其他材料，引入缺陷破坏其周期性结构，实现极窄频率范围的高吸收现象[29]，张继魁等利用这一原理，通过在光子晶体的周期性结构中引入Ge和Si等缺陷层，先后实现了近中红外波段与1.06 μm和1.54 μm激光的兼容隐身[30-31]，以及远红外波段与10.6 μm激光的兼容隐身[31]。利用薄膜等倾干涉理论，该课题组还通过叠加准周期结构的方式获得了具有不同颜色特征的光子晶体薄膜，样品的截面SEM形貌以及红外光谱曲线如图7所示，其在3～5 μm和8～14 μm波段的平均反射率分别为94.3%和85.5%，进一步实现红外隐身与可见光隐身的一体化兼容[32-33]。

图 6 一维异质结构Ge/ZnS光子晶体[27] （a）结构示意图；（b）红外反射光谱Fig. 6 One-dimensional heterostructure Ge/ZnS photonic crystal[27] （a）schematic diagram for structure；（b）infrared reflectance spectrum

图 7 一维异质结构Ge/ZnSe光子晶体[33] （a）截面SEM形貌图；（b）红外反射光谱Fig. 7 One-dimensional heterostructure Ge/ZnSe photonic crystal[33] （a）cross-sectional SEM image；（b）infrared reflectance spectrum

作为第一代光谱选择性辐射红外隐身材料的代表，一维异质结构光子晶体能够较好的实现中远红外双波段的隐身，光谱选择性较为明显，通过与雷达吸波材料相结合，利用光谱挖孔原理以及准周期结构的叠加等方式，可以同时实现红外、雷达、激光以及可见光隐身，多波段兼容隐身效果突出。然而，目前设计制备的一维异质结构光子晶体在5～8 μm波段的红外特性多呈现不稳定震荡的趋势，辐射散热效果还有待提高，此外，高性能一维光子晶体的膜层数通常较多，工艺复杂且成本较高，不同介质材料之间热膨胀系数的差异使得其在高温下极易产生热应力，膜层容易发生脱落而失效，这些都限制着它在实际中的推广与应用。

2.2 基于频率选择表面的选择性辐射红外隐身材料

频率选择表面由大量的导体谐振单元按照特定周期排列而成，对不同频率的电磁波具有选择特性，属于超材料的一种。2008年，Landy等[34]首次利用频率选择表面设计出“完美吸波体”结构，并通过理论和实验验证了该结构的选择性吸波效果，为类似超材料吸波结构的研究奠定了基础。Landy设计的超材料吸波体由金属谐振层、中间介质层以及底部金属层三部分构成，其结构如图8所示。

图 8 完美吸波体结构示意图[34] （a）金属谐振环；（b）底部金属短线；（c）整体单元结构Fig. 8 Schematic diagram of the perfect absorber structure[34]（a）electric resonator；（b）cut wire；（c）the unit cell

图 9 圆盘-圆环频率选择表面[35] （a），（b）1.54 μm和6.2 μm下的磁场分布俯视图；（c）频率选择表面的红外光谱曲线（实线）和大气吸收光谱曲线（虚线）Fig. 9 Disc-ring frequency selection surface[35] （a），（b）top views of the magnetic field distributions calculated at 1.54 μm and 6.2 μm，respectively；（c）spectral properties of the frequency selection surface（solid line）and the atmospheric absorption spectrum（dotted line）

通过改变形状、尺寸以及距离等参数，表面金属谐振单元可与特定频率的电磁波发生谐振效应，降低该频率电磁波的反射率，令其尽可能多的进入介质层内，实现与自由空间的阻抗匹配；而利用结构单元的介质损耗和欧姆损耗，可令进入介质内部的电磁波能量迅速被转化耗散，实现衰减匹配。通过阻抗匹配和衰减匹配的共同作用，频率选择表面可以实现对特定频率电磁波的选择性吸收，达到选择性辐射红外隐身的效果。

频率选择表面结构单元通常为目标电磁波的亚波长尺寸，由于加工工艺的限制，其早期主要针对微波波段，应用于雷达隐身，近几年来，随着电子束刻蚀、聚离子束刻蚀等微纳加工工艺的发展，以频率选择表面为代表的第二代光谱选择性辐射红外隐身材料逐渐成为研究的热点。

Kim等[35]利用圆盘-圆环频率选择表面设计出一种金属/介质/金属选择性辐射体，该辐射体由Ag和聚酰亚胺组成，它的磁场分布和光谱特性如图9所示。由中心Ag圆盘产生的表面等离子体极化共振峰位于1.54 μm处，可以降低90%的激光散射，用于针对激光制导导弹的隐身；周围Ag圆环产生的磁极化共振峰位于6.2 μm处，发射率极高，可用于辐射散热；而在3～5 μm和8～14 μm波段，该频率选择表面的反射率高达92%以上，具有红外信号抑制效果，可用于实现双波段的红外隐身。耐温性仿真结果表明，其中远红外波段的辐射抑制效果在500 ℃时可保持90%以上，但他们的研究成果仅停留在理论层面，并未进行实际性能的测试。

Lee等[14]采用Au和ZnS两种材料，设计制备出圆盘频率选择表面，其结构示意图和表面SEM形貌如图10（a），（b）所示。他们对不同圆盘直径频率选择表面的发射率进行了计算模拟和实验测试，两者结果基本一致，如图10（c）所示。此外，Lee等还建立了总体隐身性能指标，用于评价材料的红外隐身效果。仿真结果显示，在27 ℃和327 ℃温度条件下，当金属圆盘的直径分别为1.49 μm和1.21 μm时，该选择性辐射体可获得最佳隐身效果。

图 10 圆盘频率选择表面[14] （a）结构示意图；（b）表面SEM形貌；（c）不同圆盘直径下计算（实线）和实验（虚线）得到的发射率/吸收率Fig. 10 Disc frequency selection surface[14]（a）schematic diagram；（b）surface SEM image；（c）emissivity / absorptivity calculated（solid line）and experimental（dashed line）for different disc diameters

Kim等[36]将频率选择性表面和微波吸收体相结合，设计出红外/微波兼容隐身的分层超材料（HMM），结构如图11（a）所示，其中，层Ⅱ在该分层超材料中扮演着双重角色，其与层Ⅰ共同组成选择性红外辐射体（ISE），又与层Ⅲ共同组成微波吸收体（MSA），二者的结构单元如图11（b），（c）所示。图11（d）为ISE、MSA和HMM的光谱曲线，实验结果显示，该分层超材料在5～8 μm波段的红外发射率比Au表面高15.7倍，具有较好的辐射散热效果，而在8～12 μm的红外波段和2.5～3.8 cm的微波波段的辐射信号强度分别降低了95%和99%，能够同时满足红外隐身和微波隐身的需求。

图 11 分层超材料（HMM）[36] （a）微波入射和红外辐射示意以及结合了ISE和MSA的HMMs的组成和结构示意图；（b）ISE的结构单元示意图；（c）MSA的结构单元示意图；（d）测量的ISE、MSA以及HMM的红外发射光谱和微波吸收光谱Fig. 11 Hierarchical metamaterials[36] （a）schematic diagram shows incoming microwave and outgoing IR radiation as well as the structure and composition of the HMMs that incorporates the ISE and MSA layers；（b）unit-cell structure of the ISE；（c）unit-cell structure of the MSA；（d）measured emissivity over the IR spectrum and absorptance over the microwave spectrum for the ISE and MSA layers and overall HMM

Kim和Lee等设计的频率选择表面在峰值处的吸收率接近于1，在探测波段的抑制效果高达90%以上，光谱选择性比较明显，并且很容易通过改变金属结构单元的尺寸控制其光谱特性，可设计性能好，但是二者设计制备的频率选择表面均为单峰结构，吸收频带极窄，材料整体的辐射散热效果仍然比较有限。为实现吸收频带的拓宽，可在一个区域内设置多个几何形状相同但尺寸不同的金属谐振单元，通过调整单元的尺寸获得不同的谐振频率，从而实现多个相近吸收峰的叠加拓展[37]。

Xu等[38]通过在同一结构单元中设计四种不同尺寸的方形谐振单元，制备出一种对偏振不敏感的选择性辐射体，实现了吸收频带的拓宽，其结构单元示意图和模拟计算得到的红外光谱如图12所示。该宽带选择性辐射体在3～5 μm和8～14 μm波段发射率低于0.06，同时，可以通过5.5～7.3 μm波段的宽频吸收带进行辐射散热，降低目标的实际温度。然而，由于材料介电常数模拟数据与实验数据的偏差，以及实际制备过程中产生的缺陷等问题，样品实验测得的红外吸收率较计算结果下降明显，在6.4 μm处的吸收率峰值仅为0.47。

图 12 多尺寸方形频率选择表面结构单元[38] （a）俯视图；（b）侧视图；（c）模拟计算的红外吸收/反射光谱Fig. 12 Multi-size square frequency selective surface[38] （a）top view of the unit cell ；（b）side view of the unit cell；（c）simulated reflection and absorption spectra

除了典型的金属/介质/金属结构外，利用全金属的空腔结构也可以达到类似的选择性辐射效果。Zhao等[39]利用圆形结构、凹槽和不同尺寸的长方体空腔结构，设计出一种全金属的激光/红外隐身兼容频率选择表面，其结构示意图及红外光谱特性如图13所示。该选择性辐射体在3～5 μm和8～14 μm具有很低的发射率，可有效抑制探测波段的红外信号，而在2.709 μm和6.107 μm处的发射率几乎为1，能够补偿由于探测波段低发射率造成的辐射散热的减少。此外，该发射体在1.064 μm处几乎是一个完全的吸收体，能够实现红外与激光隐身的一体化兼容。

图 13 全金属空腔频率选择表面[39] （a）结构示意图；（b）红外吸收/发射率曲线（图中红线表示大气吸收光谱）Fig. 13 All-metal cavity frequency selective surface[39] （a）schematic diagram；（b）infrared absorption/emission spectrum（the red line indicates the atmospheric absorption spectrum）

频率选择表面作为第二代光谱选择性辐射红外隐身材料，具有较好的光谱选择性和可设计性，可以通过结构单元的设计调整吸收频带位置和宽度，实现光谱选择性辐射红外隐身与激光隐身的兼容，通过不同尺寸频率选择表面的结合，实现红外隐身与雷达隐身的兼容，是当前研究的热点。然而，由于材料性能的差异以及缺陷的存在，实际制备的频率选择表面与理论的性能还有一定的差距。此外，红外波段光谱调控所需的结构单元尺寸很小（通常为微米级别），且结构复杂，使得实际的工艺成本较高，加工耗时极长，极大地限制了它的应用和推广。

2.3 基于Fabry-Perot腔的选择性辐射红外隐身材料

表面抛光的金属膜存在强大的屏蔽效应，阻止了其内部自由电子与电磁波的相互作用，通常表现出全波段的强反射特性[40]。然而研究表明，当金属膜的厚度不断减小，变为纳米级的超薄金属时，将没有足够的电荷来屏蔽振荡的电磁波，其吸收率和发射率均会得到显著的增强[41]，表现出一定的吸收和透过特性[42]，即超薄金属的隧道效应。图14模拟了电流点源放置于不同厚度Ag膜下的辐射特性的变化，当金属Ag由厚膜变为1 nm的超薄薄膜时，电流电源的辐射特性得到了显著的增强[40]。

图 14 电流点源的辐射特性[40] （a）放置在半无限大的Ag厚膜下0.5 nm；（b）放置在1 nm厚的超薄Ag膜中央Fig. 14 Radiation characteristics of a current point source[40] （a）0.5 nm under a semi-infinite Ag thick film；（b）in the center of a 1 nm ultra-thin Ag film

利用超薄金属的隧道效应与Fabry-Perot干涉仪的多光束干涉效应相结合，可设计出结构简单、光谱选择性能优异的Fabry-Perot腔选择性辐射红外隐身材料。该选择性辐射结构通常由超薄金属、介质层以及金属层三部分组成，是继光子晶体和频率选择表面之后的第三代光谱选择性辐射红外隐身材料。由于超薄金属的隧道效应，电磁波可以透过表面进入介质层内部，而Fabry-Perot腔结构的存在，可令特定波长的电磁波在腔内形成稳定的振荡，在反复的振荡过程中，电磁波会被超薄金属不断地吸收，从而实现整个结构的选择性辐射功能。

利用超薄金属的隧道效应和阻抗匹配原理，国防科技大学刘东青等[11]采用电子束蒸发镀膜技术设计制备出由保护层Ge、超薄金属Ag、介质层Ge以及金属层Ag四层膜结构组成的Fabry-Perot腔选择性辐射红外隐身材料。该组通过等离子体处理以及提高沉积速率的方式获得了连续的超薄Ag膜[42]，最终制备的Ag/Ge体系Fabry-Perot腔的截面TEM形貌以及红外发射率曲线如图15所示。实验结果显示，该体系在3～5 μm和8～14 μm波段的发射率分别为0.18和0.31，而在5～8 μm波段的发射率高达0.82，较好地满足了光谱选择性辐射红外隐身的需求。进一步的耐温性测试表明，在200 ℃的高温下，其仍然能保持自身优异的光谱选择性能。

图 15 Ag/Ge体系Fabry-Perot腔[11] （a）截面HRTEM形貌；（b）计算和测量的红外发射率曲线Fig. 15 Ag / Ge system Fabry-Perot cavity[11] （a）cross-sectional HRTEM image；（b）calculated and measured infrared emissivity curves

为了实际验证Fabry-Perot腔选择性辐射材料在红外隐身中的优势，刘东青等[11]比较了低发射率涂层材料和制备的Ag/Ge体系Fabry-Perot腔表面温度随加热时间的变化以及达到稳态时在红外热像仪下的辐射温度（即与目标辐射能量相同时黑体的实际温度），如图16所示。结果显示，尽管在3～5 μm和8～14 μm波段不同材料的红外发射率几乎相同，但选择性辐射体的辐射温度明显低于低发射率涂层材料，具有更优越的红外隐身性能。

刘东青等[43]又将上述Fabry-Perot腔选择性辐射结构改进为具有周期性图案的Ag/Ge薄层，通过与雷达吸波功能层相结合，成功设计制备出一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料。该结构在3～5 μm和8～14 μm波段具有低发射率，在5～8 μm波段具有高发射率，符合光谱选择性辐射红外隐身材料的要求，同时其在8.0 ～18.0 GHz具有低反射率，可用于实现雷达吸波隐身。此外，该组还通过调整膜层的厚度，实现了Fabry-Perot腔选择性辐射结构向辐射制冷技术的推广，设计制备出的选择性辐射体在8～13 μm波段具有高发射率（0.84），而在5～8 μm和13～25 μm波段发射率分别为0.21和0.39，室外的温度测试表明，该体系平均可以降低约3.5 ℃，在辐射制冷技术领域具有很好的应用潜能[44]。

图 16 不同材料的表面平均辐射温度随加热时间的变化和稳态红外热像图[11] （a），（b）3～5 μm波段；（c），（d）8～14 μm波段Fig. 16 Average apparent temperature variation and infrared thermal image（steady-state）of different emitters[11]（a），（b）3-5 μm；（c），（d）8-14 μm

基于Fabry-Perot腔的第三代光谱选择性辐射红外隐身材料结构简单，可通过介质层厚度的调整实现辐射曲线的控制，光谱选择性和可设计性好，具有比低发射率涂层材料更好的红外隐身性能。此外，通过先进的镀膜系统，第三代光谱选择性辐射红外隐身材料可以实现在复杂构件上的成型制备，这使得其成为目前最贴近应用的选择性辐射红外隐身技术。然而，由于超薄金属Ag膜在高温下极易发生氧化，并且Ag和Ge膜层间热膨胀系数的差异，实际制备的Fabry-Perot腔结构耐温性能仍然十分有限，当前研究者们正在积极选择具有应用潜力的高熔点金属以及热膨胀系数相近的介质材料，以提高Fabry-Perot腔选择性辐射结构的耐高温性能。

3 结束语

目前，光谱选择性辐射红外隐身材料主要有光子晶体、频率选择表面以及Fabry-Perot腔三种结构。其中，以异质结构光子晶体为代表的第一代光谱选择性辐射红外隐身材料满足双波段的红外隐身需求，并能通过与雷达吸波材料结合、光谱挖孔技术以及准周期结构叠加的方式实现多波段隐身的兼容，但其在非窗口波段的光谱曲线不够稳定，辐射散热效果有待提高，此外，过多的膜层数对工艺的要求较高，也不利于其在高温下的稳定；频率选择表面作为第二代光谱选择性辐射红外隐身材料，可以通过金属谐振单元的设计实现吸收峰位置和宽度的调控，容易实现激光隐身和红外隐身的一体化兼容，但由于材料性能和缺陷的限制，其实际性能较理论值还有较大的差距，微米级的结构尺寸和复杂的结构也给加工工艺带来了巨大的困难；基于Fabry-Perot腔的第三代光谱选择性辐射红外隐身材料可以通过调整层厚实现光谱特性的调控，具有比前两代材料更优异的光谱选择性能，其结构简单，加工较为方便，是目前最具备实际应用潜力的材料体系。

尽管第三代光谱选择性辐射红外隐身材料具有优异的光谱选择性能，但由于超薄金属的氧化问题和多层膜间热膨胀系数的差异，实际制备的Fabry-Perot腔结构耐温性能仍然十分有限，未来应对其材料体系进行调整，尽可能选择Au、Pt等耐高温氧化的超薄金属膜层以及与之热膨胀系数相匹配的介质层，从而提高整个Fabry-Perot腔结构的耐高温性能。此外，随着传感器元器件水平和计算机技术迅速发展，红外探测技术与雷达探测系统、激光探测系统以及可见光探测系统等交联配合，日趋形成一个复杂化的多功能探测网络[45-47]，可实施对军事目标全方位、多领域的无死角探测。因此，单一的选择性辐射红外隐身材料难以应对实际中复杂战场环境的隐身需求，必须与雷达波[48-49]、激光[50-51]以及可见光[32-33，52]隐身等多种隐身手段兼容配合，才能达到真正的隐身效果。其中，红外隐身与雷达隐身的兼容尤为重要，为此，可尝试将Fabry-Perot腔结构中的超薄金属膜层替换为其他介质吸收层，制备全介质型的第三代光谱选择性辐射红外隐身材料，通过与雷达吸波材料相结合，实现红外和雷达兼容的一体化隐身效果。面对日趋复杂的战场环境，武器装备对红外隐身材料提出了越来越高的性能需求，未来光谱选择性辐射红外隐身材料应该向着工艺更加简单、高温稳定性更强以及多波段兼容的实用方向继续迈进。