多频段隐身材料的研究现状与进展

徐国跃 钱淇 方罡 徐晨 李晓鹏 刘初阳

摘要：在现代战争中，为了提高在军事对抗中的竞争实力，隐身技术一直都是各国的重点研究对象，而隐身材料在其中占据了重要位置。本文深入研究了各阶段单一频段隐身材料的发展现状，总结了雷达、可见光、高光谱和红外隐身材料的优势与不足，分析了现阶段各种兼容隐身材料的发展新需求；综述了目前雷达与红外、可见光与红外、高光谱与红外、多频段兼容隐身材料的作用机理以及研究现状，并指出了未来多频谱隐身材料的发展方向。随着材料研究的不断深入以及相关机理的突破，多频谱隐身材料将会成为支撑我国军事地位的重要力量。

关键词：多频段隐身材料；雷达；红外；可见光；高光谱

中图分类号：TB39文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.001

基金项目：航空科学基金（2018ZF52078）

随着现代科学技术的不断进步，世界各大军事强国的探测技术逐渐趋于多样化，从传统的单一探测方式逐渐转变为多频段多角度的探测[1-3]。传统探测方式包括雷达、红外、可见光以及激光等多频段，而随着卫星高光谱技术的发展，因其丰富的物质光谱特性及其独特谱像表示方式，使原本在宽波段侦察中不易探测的伪装隐身军事目标在高光谱侦察中能被探测，使得战场上地面指挥所等设施以及飞机、坦克等武器装备被发现和摧毁的概率大大提高，严重威胁设施和武器装备在战场上的生存能力[4-6]。因此，研究设计出针对多频段探测手段的隐身材料，有助于提高我国武器装备在战场上的生存能力以及进攻能力，这对我国国防和军事安全具有重要的意义。

据统计，在各军事强国使用的精确制导武器中，仍以紅外制导为主，并且已经趋于成熟，而在战场上采用的高技术探测器中，红外探测占30%左右，雷达探测约占60%，其他探测约为10%[6-7]。如早期美国FPS-108超视距雷达，能探测到范围在1500km内的目标；中国在这方面起步较晚，但也逐渐建立了国家导弹防御系统的天波超视距雷达。因此，雷达/红外兼容隐身材料是提高武器装备在未来战争中生存能力的关键因素[8]。除此之外，由于卫星遥感技术的发展，以及高光谱探测技术的出现，多频段隐身材料面临着更为严峻的挑战[9-10]。目前，国内外对于多频段兼容的隐身材料仍然以雷达/红外兼容隐身材料为主[11]，还包括可见光与红外兼容隐身材料等[12]。而针对覆盖可见光、红外、雷达，以及高光谱在内的多波段隐身材料仍处于起步阶段。

针对多频段兼容隐身材料，主要基于两种思路：（1）分别研究出雷达波段的高性能微波吸收材料、红外波段的高温低发射率材料、可见光波段的智能变色材料，以及与背景环境反射率特征较为吻合的高光谱材料，然后将其有效地组合形成双层或者多层的复合结构；（2）研制出一种集雷达高吸收、红外高反射于一体的材料，且在可见光波段具有良好的伪装效果，这类材料包括光子晶体、掺杂半导体等[13-14]。

1雷达与红外兼容隐身材料

在众多探测技术中，目前最为普遍且有效的探测手段仍是雷达探测和红外探测，单一的雷达材料机制是通过将电磁能转变为热能，这一过程会提高材料在红外波段的显现。因此，雷达与红外兼容隐身材料一直是研究者们的重点研究对象。目前，关于雷达隐身材料的研究主要集中于2～18GHz频段，要求材料对该频段的电磁波具有很强的吸收，即低反射、高发射特性；对红外隐身材料的研究主要针对大气窗口的3～5μm和8～14μm波段，要求材料对该波段对红外波吸收较少，即高反射、低发射特征[15]。

从20世纪开始，研究者就开始将半导体材料引入雷达与红外兼容隐身领域[16-22]。半导体作为一种常用的功能材料，可以通过掺杂离子调控半导体的禁带宽度来实现光、电、磁等优异特性。在雷达频段，掺杂的半导体主要利用介电损耗对电磁波进行衰减，主要的表现方式为：

（1）电导损耗

掺杂的半导体具有一定量自由移动的电子，在外电场的作用下，电子发生定向移动，从而产生电流，当电流经过介质时会出现能量的损耗，从而对电磁波进行衰减。

（2）极化损耗

2可见光与红外兼容隐身材料

可见光隐身是针对摄像、目视等观测手段来进行规避的隐身技术，调节自身与环境的颜色与光泽度的匹配[29-32]，达到对目标的视觉信号的控制，从而降低被探测到的概率。可见光与红外的兼容隐身的实现，可以极大地提高我军在陆战的生存率，从而占据战争中的主导地位。目前，常用的可见光-红外兼容隐身材料主要采用颜料涂覆于红外涂层表面或者与红外低发射率填料混合再填充于树脂之中[33-37]。如华中电子科技大学的张凤国[38]首先研究了低发射率的片状铝粉涂层，然后将铝粉和各种颜色的颜料进行球磨混合，最后喷涂形成具有迷彩特点可见光-红外兼容隐身涂层，结果显示，利用颜料可以对红外涂层进行可控调节，其中深绿、浅绿以及土黄色的兼容涂层发射率分别为0.89、0.76以及0.64，涂层表面具有一定的发射率差，从而在红外波段呈现成区分的斑块达到兼容隐身的目的。

除了这种利用填料与树脂结合再涂覆于基材上的手段，当前较为热门的还有结构性的光子晶体材料，光子晶体是由多种具有不同介电常数的介质材料在空间按一定的周期排列所形成的一种人工周期性晶体结构。这种结构由于布拉格衍射的存在，某些波长的电磁波无法通过晶体，形成一种类似于禁带的特性。因此，通过调节周期性单元的材料以及大小，可以使光子晶体的禁带处于所要求的禁带频段，从而实现多频段的隐身。张继魁等[39]为了使光子晶体具有环境适应性，使材料在很宽的范围内都能与背景环境匹配较好，他们采用改变光子晶体的周期数，制备出了6种红外发射率不同的光子晶体（0.116、0.212、0.307、0.519、0.606及0.718），然后将其如图3所示组合拼接成具有迷彩特性的光子晶体，并将其覆盖于需要隐身的对象上，结果显示：在292～302K的温度下，发射率为0.212、0.307、0.606的迷彩光子晶体的平均温度与背景的温度差为12.55K，与环境具有良好的相容性，增强了隐身性能。

然而這类颜色以及发射率固定的可见光-红外兼容隐身材料应用场景单一，无法满足当今现代战争中复杂的背景环境。因此，智能变色、变发射率的材料被人们所提出，主要包括热致变色变发射率材料以及电致变色变发射率材料，即材料的颜色以及发射率变化分别是由热源和电源控制的。Zhu等[40]利用固相法制备了梯度Co2+离子掺杂ZnO样品，由于掺杂引起的缺陷降低了ZnO的禁带宽度，随着温度的增加样品对光吸收的增加，从而导致了颜色由绿色变为红棕色，如图4（a）所示，与丛林与沙漠的环境相适应；除此之外，随着Co2+离子掺入ZnO的晶格，ZnO的发射率随温度的变化更加明显，即随温度的升高而升高，与高温环境的背景融合度提高。这类材料的颜色和发射率虽然可以随着温度的变化而变化，在环境温度变化较大的情况下能达到可见光-红外兼容隐身的要求，但是由于这种变化的温度阈值较高，限制了其在实际情况下的应用。电致变色变发射率材料则由于其驱动力为电压，在实际应用方面更容易达到要求。Xu等[41]设计了一种基于H2SO4掺杂的柔性聚苯胺薄膜，如图4（b）所示，实现了在可见光-红外波段同时进行光和热的可变调节；通过调整电压，该器件可以从宽带隙半导体变为绝缘体，从而使器件从一个深绿色的高热发射器变为一个亮黄色的光学反射器；在8～14μm和2.5～25μm的波长范围内，器件的红外发射率变化分别为0.4和0.3，高于大多数报道的电致变色器件；除此之外，该装置具有良好的循环稳定性和灵活性，热成像结果表明，该装置可以电化学和可逆调谐，使它们与环境混合。

3高光谱与红外兼容隐身材料

随着高光谱遥感技术的不断进步，武器装备依靠降低与背景辐射差异的手段，虽然可以躲避目前大多数探测器的探测，但是随着高光谱遥感技术的不断发展，一般兼容隐身材料在可见光到近红外波段无法达到精确匹配，即“异谱同色”，这就导致了传统的兼容隐身材料只能保证在各频段与背景的辐射特性的一致性。目前，国内外对于高光谱隐身方面的研究报道较少，还需要向材料与背景的特征图谱匹配的方向努力。对地面目标以及低空飞行目标而言，常见的背景环境为绿色植被，因此实现与绿色植物特征光谱的一致很有必要[42-46]。

南京大学电子科学与工程学院的顾兆栴团队[47]分析了400～2500nm波段范围内多种绿色植物的光谱特征曲线以及机理，发现绿色植物在550nm、680～780nm、780～1300nm、1450nm和1930nm处都有其独特的吸收峰，因此针对这一特点，他们团队选用了铬绿、聚脲树脂、复配ZnSO4？7H2O/BaCl2？ 2H2O制备出的涂层，从图5中可以看出，涂层与桑叶相似的光谱，且涂层整体的光谱反射率和桑叶的光谱曲线比较接近。

4可见光-红外-雷达-高光谱兼容隐身材料

目前，针对多探测手段的材料仍处于起步阶段，国内的相关数据库以及Web of Science检索的结果也显示这类文章较少，兼容高光谱隐身的内容几乎没有，但是根据已有文献来看，多波段隐身材料的开发仍以多材料堆叠形成复合涂层或者膜为主。Huang等[48]提出一种多频谱的超表面（MSM），设计方案如图6（a）所示，可以同时实现好的光学透明度、低红外发射率和宽频微波吸收的性能；MSM由顶部的选择频率表面（FSS）、中间的电阻吸收层和底部的完整导电片三层组成。由于FSS的导电面积占比大且FSS具有低通度的特性，允许电磁波穿透FSS进入中间吸收层，同时表面红外发射率低；最终试验结果如图6（b）所示，该MSM可以同时实现在12.03～29.43GHz雷达频段的90%强吸收和在3.0～14.0μm中约0.3的低红外发射率，平均光学透明度高于90%，因此该材料具有良好的多光谱兼容性。国内军械工程学院的宣兆龙等[49]沿用了传统迷彩伪装的想法，制备出了一种在可见光-红外-雷达兼容的迷彩伪装遮罩，这种遮罩的形状是开孔的轻质毯子，表面涂覆隐身涂料后，在红外700～2000nm波段的反射率低于10%且光泽度在2%以下；在8～18GHz的雷达频段，材料对雷达波的吸收达到99%。

5结论

现代战争探测手段不断进步，武器装备在这种背景下不仅要向单频段“薄、轻、宽、强”的方向发展，更要兼顾各个频段的协同作用，从而满足多频段的隐身性能要求。目前，雷达与红外、可见光与红外、高光谱与红外兼容隐身材料的研究已经取得了一定的进步，尤其是雷达与红外、可见光与红外兼容的隐身材料已经趋于成熟，然而针对可见光-红外-雷达的多频段隐身材料的研究仍存在机理不明确、材料选择不明、制备工艺不完善等问题。除此之外，兼容高光谱隐身的相关研究更少，这也是未来研究多频谱隐身材料需要关注的一个重要问题。随着材料研究的不断深入以及相关机理的突破，多频谱隐身材料在未来将会成为支撑我国军事地位的重要力量。

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Research Status and Progress of Multi-Spectrum Stealth Materials

Xu Guoyue1，Qian Qi1，Fang Gang1，Xu Chen1，Li Xiaopeng2，Liu Chuyang1

1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

2. Nanjing Zhi Yin Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210016，China

Abstract： In order to enhance competitive strength of military confrontation， stealth technology has always been a national research focus in the modern war， and the stealth materials play a significant role in stealth technology. Through in-depth research on the development status of single waveband stealth materials， the paper summarizes the advantages and disadvantages of radar， visible light， hyperspectral and infrared materials. The new development needs of the various compatible stealth materials are analyzed. The stealth mechanism and research status have been investigated in terms of the radar-infrared， visible-infrared， hyperspectral-infrared and multi-spectrum compatible stealth materials as well as the development direction. With the deepening material research and the breakthrough of related mechanisms， multi spectrum stealth materials will become an important force to support China’s military status in the future.

Key Words： multi-spectrum stealth materials； radar； infrared； visible light； hyperspectral

3239500338211