點(diǎn)擊上方藍(lán)字關(guān)注我們

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、一氧化碳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0.76~2.6μm、3~5μm以及8~14μm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)波段通常被稱作紅外“大氣窗口”，可以通過紅外探測(cè)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)。其中8~14μm波段主要應(yīng)用于熱成像系統(tǒng)，3~5μm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)儀將其接收再通過計(jì)算換算成人眼能夠識(shí)別的圖像信息，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)物體與周圍環(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。

圖 1 紅外隱身的主要路徑（顧杰，2022）

當(dāng)目標(biāo)物體與周圍環(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，如下式：  

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。

由上式可知，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圍環(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。

圖 2 紅外隱身材料的熱成像（Moghimi M J，2018）

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)射率如下表所示。綜合考慮成本問題，目前填料選用鋁粉和銅粉較多。

表1 不同溫度下常見金屬的紅外發(fā)射率（許毅輝，2023）

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。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。例如摻錫氧化鋼（ITO）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）、摻銻氧化錫（ATO）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。

圖3 ATO及復(fù)合涂層制備流程示意圖（許毅輝，2023）

1.2 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，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。

2. 控溫紅外隱身材料

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降低物體紅外輻射率，還可以通過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。

2.1 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)行隔絕以實(shí)現(xiàn)紅外隱身效果。常見隔熱材料有中空纖維、中空微珠、SiO2氣凝膠等。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。

2.2 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)物體表面溫度與周圍環(huán)境溫度保持一致。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。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。

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。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?，可以?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。

3 新型智能紅外隱身材料

3.1 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。光學(xué)超材料如光子品體，其可以通過微結(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。光子品體結(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。

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。

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。

3.2 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。例如許多生物可以通過色素細(xì)胞等改變自身顏色，在1s內(nèi)就可融入周圍環(huán)境，達(dá)到隱身效果。

紅外隱身仿生材料通過模仿自然界中生物的特性，設(shè)計(jì)并制造出能夠有效降低物體紅外輻射強(qiáng)度的材料。這些材料通常具有特殊的微結(jié)構(gòu)或成分，能夠吸收、散射或抑制紅外波段的電磁波，從而使物體在紅外探測(cè)設(shè)備下難以被察覺。紅外隱身仿生材料在軍事、航空航天、安防等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，能夠有效提高裝備的隱身性能，增強(qiáng)其生存能力和作戰(zhàn)效能。隨著材料科學(xué)和仿生學(xué)的發(fā)展，紅外隱身仿生材料的技術(shù)不斷進(jìn)步，為現(xiàn)代科技領(lǐng)域帶來(lái)了新的突破和挑戰(zhàn)。

4 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。

圖4 紅外隱身協(xié)同復(fù)合材料（許毅輝，2023）

5 紅外隱身材料對(duì)比

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。

6 紅外發(fā)射率的測(cè)量

紅外隱身材料通過控制目標(biāo)的紅外輻射特性，使其與背景環(huán)境融為一體，從而規(guī)避紅外探測(cè)系統(tǒng)的識(shí)別。發(fā)射率作為衡量材料表面紅外輻射能力的核心參數(shù)，其精確測(cè)量對(duì)隱身材料的研發(fā)、性能評(píng)估及實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

紅外隱身技術(shù)的核心在于調(diào)控目標(biāo)的紅外輻射特征，而發(fā)射率是直接決定這一輻射特性的關(guān)鍵物理量：

發(fā)射率直接影響隱身效能：材料的紅外發(fā)射率越低，其表面輻射的能量就越弱，在紅外熱像儀中顯示的目標(biāo)特征也就越模糊。因此，精確測(cè)量并控制材料的發(fā)射率，是設(shè)計(jì)和優(yōu)化紅外隱身材料的直接依據(jù)。

保障隱身性能的可靠與穩(wěn)定：理想的隱身材料不僅需要初始的低發(fā)射率，還需在復(fù)雜的實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中（如溫度劇變、機(jī)械摩擦、風(fēng)雨侵蝕、日照老化等）長(zhǎng)期保持這一特性。通過測(cè)量不同環(huán)境條件下的發(fā)射率數(shù)據(jù)，可以評(píng)估隱身涂層的環(huán)境適應(yīng)性、耐久性及可靠性，確保其在整個(gè)服役期內(nèi)穩(wěn)定發(fā)揮作用。

EM10便攜式紅外發(fā)射率測(cè)量?jī)x是一款為現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境設(shè)計(jì)的先進(jìn)測(cè)量設(shè)備，其設(shè)計(jì)和功能充分考慮了紅外隱身材料研究和應(yīng)用的實(shí)際需求。

下面的表格詳細(xì)列出了EM10的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

EM10在紅外隱身材料領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值與前景：EM10的出現(xiàn)，為紅外隱身材料從實(shí)驗(yàn)室研究到工程化應(yīng)用的全生命周期都提供了強(qiáng)有力的工具。

加速材料研發(fā)與優(yōu)化：在研發(fā)階段，科研人員可以利用EM10快速測(cè)量不同配方、不同工藝制備的隱身涂層的發(fā)射率，精準(zhǔn)評(píng)估其隱身性能，為材料優(yōu)化提供即時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)反饋，大大縮短研發(fā)周期。

實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量監(jiān)控與效能評(píng)估：在軍事裝備的生產(chǎn)制造和維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，EM10可以用于對(duì)大型裝備（如飛機(jī)蒙皮、艦船甲板、坦克裝甲）的隱身涂層進(jìn)行直接檢測(cè)。這對(duì)于保證出廠裝備的隱身質(zhì)量，以及評(píng)估在役裝備的隱身性能是否因老化、磨損而下降至關(guān)重要。

推動(dòng)多頻譜兼容隱身發(fā)展：現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)隱身技術(shù)提出了多頻譜兼容（如雷達(dá)波、紅外、激光）的更高要求。EM10提供的高精度紅外發(fā)射率數(shù)據(jù)，有助于研究者開發(fā)能夠同時(shí)有效應(yīng)對(duì)多種探測(cè)手段的智能隱身材料。

拓展至更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域：除了傳統(tǒng)的軍事裝備，EM10的便攜和高精度特性也使其在航空航天、新能源材料、建筑節(jié)能材料等多個(gè)需要精確熱輻射管理的領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

精確的紅外發(fā)射率測(cè)量是發(fā)展和驗(yàn)證紅外隱身技術(shù)的基石。EM10便攜式紅外發(fā)射率測(cè)量?jī)x憑借其雙波段同步、高精度、快速便攜和智能易用的突出特點(diǎn)，成功地將實(shí)驗(yàn)室級(jí)的精確測(cè)量能力帶到了廣闊的現(xiàn)場(chǎng)，有力地推動(dòng)了紅外隱身材料的技術(shù)進(jìn)步和實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用，在未來(lái)國(guó)防科技和先進(jìn)材料領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

參考材料：https://www.azup.cn/newsinfo/8068102.html 

參考文獻(xiàn)：

[1]顧杰. 溫控主導(dǎo)型紅外隱身材料的制備及應(yīng)用研究[D]. 東華大學(xué), 2022.

[2]Moghimi M J , Lin G , Jiang H .Broadband and Ultrathin Infrared Stealth Sheets[J]. Advanced Engineering Materials, 2018, 20(11):6.

[3]許毅輝, 賈凌杰, 賈賢補(bǔ), 等. 紅外隱身防護(hù)材料研究進(jìn)展[J]. 包裝工程, 2023, 44(09): 137-146.