红外隐身材料研究进展

MEMS 2021-06-20 00:00

本文内容转载自《航空材料学报》2021年第3期,版权归《航空材料学报》编辑部所有。


文娇,李介博,孙井永,魏亮亮,郭洪波

北京航空航天大学


摘要:红外探测与隐身技术在现代军事领域得到越来越广泛的应用。随着飞行器等武器系统性能的提升,其固有红外信号显著增强,同时,基于光电效应的第三代红外探测器探测比率、灵敏度等性能大幅提升,红外隐身技术成为提高战场生存力和战斗力的必要手段。本文从飞行器的红外辐射特征出发,分析了红外信号的分布和影响因素,归纳了以碲镉汞为代表的第三代红外探测材料的工作原理、探测性能和发展趋势,介绍了低红外发射率涂层在红外隐身领域的应用现状,综述了多元化的新兴材料的隐身机制和研究进展,并根据服役要求,展望了红外探测材料与红外隐身材料的发展前景。


关键词:红外辐射;第三代红外探测器;红外隐身材料


现代战争中,随着飞行器性能的进一步提升,典型部件温度升高导致红外信号显著增强,同时,红外探测器件性能的提升加剧了飞行器被发现、跟踪和识别的风险。1967年至1993年间,被击落的飞机和直升机中89%是由红外制导武器的攻击击落的。伴随先进新型半导体材料的出现和制备工艺的进步,红外探测器向高性能、低成本、小型化方向发展,进一步增强了红外制导武器的精确打击能力。因此,为缩短飞行器被发现的距离、降低被攻击的概率,提高在战场环境下的生存力,红外隐身材料和技术获得了高度关注和快速发展。红外探测之“矛”与红外隐身之“盾”的相互促进,推动了红外识别技术的发展和红外隐身机制的研究,带动了半导体材料、隐身材料以及热学研究领域中其他技术的进步。本文分析了飞行器的红外辐射特征,归纳了第三代红外探测器的探测原理、性能与发展现状,综述了红外隐身材料的工作机理、应用与研究进展,并展望了红外探测材料和隐身材料的未来发展趋势。


1 飞行器红外辐射分布


处于任意温度下的物体均会向外辐射电磁波,波长处于0.78~1000 μm波段的电磁波称为红外辐射。由于大气分子的吸收作用,可用于探测的波段只有0.76~1.1 μm、3~5 μm及8~14 μm三个波段。飞行器的红外辐射来源复杂,图1所示为喷气式飞机主要的红外辐射源分布,包括工作时发动机(含被加热的尾喷管等)产生的热辐射、发动机排出的高温尾焰辐射、气动加热使蒙皮升温产生的辐射以及对环境辐射的反射等。


图1 飞机红外辐射源分布


1.1 尾喷管辐射特性


在工程计算中,常将尾喷管看作温度均匀、具有漫反射特性的圆柱体,总辐射功率P:


 

式中:L为光谱辐射亮度;A为辐射源面积,即喷口面积;θ为辐照源法线与观测方向的夹角。


对于特定探测波段,辐射亮度LΔλ和辐射功率PΔλ分别为:



式中:Mλ为黑体的光谱辐出度;ε为发射率。


根据实际观测,尾喷管为温度由内向外逐渐降低的圆柱体空腔,空腔的排气温度约为进气温度的0.85倍。


根据上述推导,非加力状态下,设喷口温度为800 K,且尾喷管满足一维定态热传导,则在尾喷管内端的温度为 941 K;加力状态下喷口温度为1100 K,内端温度为1294 K。由Wien位移定律λT =2897.79 μm•K,辐射功率集中分布在3~5 μm 波段。


1.2 蒙皮辐射特性


高速运动时,气体的一部分动能不可逆地转化为热能,在蒙皮表面形成热层,即气动加热现象。气动加热现象会引起蒙皮温度场的变化,造成辐射性能的改变。基于经验公式,通过求贴近蒙皮表面的驻点温度可求得蒙皮的辐射:



式中:Ts为驻点温度;Tair为大气温度;r为温度恢复系数;γ为绝热膨胀系数;Ma为飞行马赫数。


或利用节点网格法(图2),对任一有限面元k建立平衡方程:



式中:Qin、Qenv、Qcon分别代表内热源被面元吸收的能量、环境辐射被面元吸收的能量和面元与相邻面元之间的传导热量;Qcv和Qrad代表面元与空气来流的对流换热量和面元自身辐射的热量。对方程进行求解后获得蒙皮温度及辐射能量。


图2 蒙皮面元换热示意图


根据以上对有限面元的能量计算方法,建立三维模型,可基于流场计算软件对蒙皮温度场进行分析。通过定义转变马赫数(transition Mach number),Mahulikar 等定义了来流对蒙皮由冷却作用向加热作用的转变。夏新林等引入壁面热流函数进行飞机内部传热分析,得到不同飞行状态和不同舱段的蒙皮温度。王杏涛采用标准的κ-ε湍流模型得到不同马赫数下蒙皮的温度场分布,结果如图3所示。根据仿真结果,蒙皮温度为220~340 K,辐射功率集中分布在8~14 μm波段。


图3 不同速度时飞机表面温度分布


1.3 尾焰辐射特征


尾焰在飞行过程中可拖长数百米,如图4(a)所示,在近红外至中红外波段都可产生较强的辐射,是飞行器被拦截或攻击的主要危险源之一。对喷气飞机尾焰红外辐射亮度的测量表明,辐射主要集中在喷管出口附近,180°方向尾焰辐射亮度曲线与发动机喷管形状一致,90°方向呈对称包络分布。尾焰中CO2、H2O、CO等气体分子的振动是红外辐射的来源。


分子在不同能级之间的跃迁,发射或吸收特定能量的光子形成分子光谱。以描述CO振动的谐振子模型为例,其振动频率νm可表示为:



式中:κ和m分别代表谐振子的力常数和折合质量。求解谐振子运动的波动方程可得振动能:



式中:υ为振动量子数,只能取整数值。


尾焰中高温气体的分子从高能级跃迁至低能级时,所发射光的波数由下式给定:



式中:ν’与ν”分别是高能态与低能态的振动量子数;h与c分别代表普朗克常数与光速。谐振子的振动量子数选择定则为:



即辐射光的频率与谐振子的频率相等。因此,相比于尾喷管和蒙皮全波段分布的红外辐射,尾焰的辐射信号与尾焰成分直接相关,具有明显的波长选择性。典型的尾焰光谱辐射如图4(b)所示,CO的辐射波长位于4.83 μm附近,CO2的主要红外辐射光谱带为2.65~2.80 μm,4.15~4.45 μm 和13.0~17.0 μm,H2O的为2.55~2.84 μm 和 5.6~7.6 μm。


图4 尾焰辐射的视场示意图(a)和飞行器尾焰的光谱辐射(b)


综上所述,根据上述飞行器红外辐射特性,影响探测效果的因素包括:(1)探测器的工作波段:在3~5 μm波段尾喷管和尾焰为主要的辐射源,8~14 μm波段蒙皮的辐射占主导地位,尾焰辐射与其成分相关,在2.7 μm和4.3 μm附近有很强的辐射;(2)飞行状态:如在3~5 μm波段下,非加力状态下尾喷管的辐射大于尾焰辐射,加力状态下尾焰为主要的辐射源,同理,高马赫数时蒙皮在8~14 μm波段的辐射功率也更大;(3)探测角度:尾喷管的辐射强度在沿其法线方向最高,随探测角度增大而减小。此外飞机的高度特性、遮挡作用、环境因素等也会对其辐射信号造成影响。


针对目标物体的辐射波长分布和辐射强度,开发适用于红外波段的探测器,实现对目标物体红外信号的实时准确识别,是红外制导武器、红外追踪侦察及红外预警的首要条件。半导体制备技术的发展和二维材料的涌现为开发低成本、高灵敏度、可快速响应的红外探测器件提供了可能。


2 红外探测技术


红外探测器是可以灵敏吸收某一波段的红外辐射,并将其转化为可被测量信号的一类能量转换器件。根据能量转换方式的不同,可将红外探测器分为光热型和光子型,其中光子型探测器是红外光子作用后改变材料的电子状态,探测效率高,响应速率快。光子型探测器又可分为光导型和光伏型,前者是吸收光子能量后将电子从半导体价带转移到导带上,改变探测材料的电导率;后者是将光子能量转化为电子能量,造成半导体的电子-空穴分离态,从而提供电压信号。因此,光子能量大于半导体的带隙(导带-价带能量差)时,便可引发电子跃迁,即探测器对该辐射波长产生响应。换言之,半导体的带隙决定了材料可以吸收检测的红外光的范围。


经历了第一代长线列扫描系统焦平面和第二代凝视系统探测器的发展,Rogalski等提出,第三代红外探测器应满足高性能高分辨多波段探测、非制冷焦平面或低成本的要求之一。本章将针对第三代红外探测器,概述经典碲镉汞和量子阱、Ⅱ类超晶格、二维材料等前沿领域的红外探测材料发展现状。


2.1 窄带隙本征半导体材料


碲镉汞(HgCdTe,MCT)是基于本征能带跃迁的窄带隙直接半导体材料,具有高量子效率和高红外响应灵敏度及小的暗电流,是目前综合性能最为优异、应用最广泛的光电探测器。HgCdTe是由HgTe和CdTe混合而成的赝二元系统,通过连续的组分调节可获得1~30 μm连续波长的响应。相比于光导型HgCdTe探测器,异质结构的光伏型器件可实现多色成像。中科院上海技术物理研究所对HgCdTe的数值模型、界面特性、暗电流性质等进行了系统的研究。


目前比较成熟的HgCdTe制备方法一般为液相外延法,分子束外延法或有机化合物气相沉积法可用于制备复杂HgCdTe结构;但汞碲元素之间的键合力较弱,并且汞在高温条件下易挥发,不利于掺杂浓度的精准控制,给工艺成本、工艺难度和可重复性都带来了挑战。因此,寻求性能上与HgCdTe相当,在大规模阵列制备上优于HgCdTe的探测材料是目前的研究方向。


近红外波段的光电传感器以InGaAs为主。国外已有UTC Aerospace Systems、Sofradir等多家公司关于InGaAs近红外焦平面探测器的报道,国内中科院上海技术物理研究所在发展InGaAs高灵敏度常规波长焦平面探测器领域已经有了显著的进展,可以制备多规格大面阵的焦平面探测器。InSb探测器可用于3~5 μm波段,具有量子效率高、可靠性好、均匀性好的优势,被广泛应用于空空导弹等武器装备中,但其存在工作温度较低、探测波长不可调的限制。


2.2 量子阱红外探测器


在单质、二元和三元半导体材料的性能难以超越碲镉汞后,研究逐渐转向通过调控复合光敏结构的能带来检测红外线。依托现有较为成熟的材料制备工艺,均匀性好、成品率高且关键参数可控性强的量子阱红外探测器(quantum well infrared detector,QWIP)获得关注,其中典型代表为GaAs/AlGaAs。QWIP的工作原理如图5所示,半导体内的导带/价带不连续,形成多周期量子阱,杂质电子占据量子阱内能级,电子吸收红外辐射光子跃迁到激发态后形成光电流。NASA所报道的焦平面QWIP在中远红外范围内的探测性能已与现有的HgCdTe接近;但QWIP存在工作温度低、光吸收量子效率低以及对垂直光不能直接吸收等问题,其暗电流也大于HgCdTe探测器,与应用需求之间仍有较大差距。


图5 GaAs/AlGaAs量子阱能带结构示意图


2.3 类超晶格


Ⅱ类超晶格半导体材料具有与QWIP相似的周期性结构,但在能带结构上存在差异。如图6所示,构成Ⅱ类超晶格的两种材料,其中一种的禁带结构不完全包含于另一种,如禁带错位型类超晶格InAs/GaSb。InAs/GaSb类型的材料可以实现电子-空穴的有效分离,电子将集中于超晶格材料的某一层,而空穴会处于材料的另外一层,这种有效的分离会显著抑制电荷-空穴的俄歇复合,有望表现出优于HgCdTe的探测性能。西北大学报道的M-载流子掺杂的InAs/GaSb超晶格结构在77 K时的探测率与HgCdTe相当。调整超晶格的结构参数可实现对探测波长的调节,避免了材料成分对性能的影响。徐志成等提出的MBE方法制备的Ⅱ类超晶格探测材料已率先应用于国内焦平面红外探测器。


图6 能带结构(a)量子阱;(b),(c)Ⅱ类超晶格


2.4 二维材料及其异质结构


随着微纳制造技术及层装材料组装技术的发展,石墨烯为代表的二维材料以及异质结构因其独特的光学性质,展现出在红外探测领域的应用潜力。石墨烯与硅波导结构复合或制备石墨烯基Fabry-Perot微腔,可极大提高探测器的光增益。将石墨烯与量子点(quantum dots,QDs)复合,也可获得超高增益。石墨烯自身的零带隙特征限制了其光响应率,异质结构可有效控制电荷传输,降低暗电流,石墨烯/砷化铟(InAs)纳米线异质结构的光响应率可达传统石墨烯结构的5000倍。除石墨烯外,目前处于研究中有望应用于中红外检测的二维材料还包括硒化物、黑磷和黑磷砷(b-P/b-PAs)等。二维材料光电转换过程的多种物理机制,包括Seebeck效应、光诱导局域场调控等,为量子效率高、灵敏度好的高性能红外探测器件设计与制备提供了理论基础。同时,发展低成本高稳定性的二维材料探测器件是满足大规模市场化应用的必然需求。


对新型探测材料的评价标准包括探测比率、灵敏度、量子效率等参数,其与HgCdTe的性能对比如表1所示。凭借优异的探测性能,碲镉汞探测器已获得大规模应用,随基础理论研究与制备技术的进步,开发探测性能与HgCdTe相比拟,且可大规模制备、服役性能稳定的新型光电探测材料是未来红外探测发展的方向。


表1 新型红外探测材料与HgCdTe性能对比

 

3 红外隐身材料


为应对探测器发展所带来的红外威胁,对红外隐身技术的需求日益迫切。物体的辐射强度取决于其温度和发射率,涂敷低发射率材料可在不改变整体设计的前提下,直接改变物体的辐射特性,因此现有红外隐身材料多集中于低发射率涂层的研制;变发射率材料和隔热气凝胶等新兴材料的出现则为实现红外隐身提供了新的思路。


3.1 低红外发射率材料


传统的红外隐身材料多具有低红外发射率特性。金属材料与电磁波的相互作用体现在金属导带内自由价电子的带内跃迁,其吸收波长通常在可见或紫外线波段,在红外波段表现出极低的发射率,见表2。在远离其带隙波长的中红外和远红外区域,半导体材料的自由载流子与红外光的相互作用类似于金属,但半导体材料可以通过改变掺杂浓度调整介电参数,获得兼容隐身材料。对于极性晶体,光波电磁场与晶体的横光学模相互耦合很强,在横光学模振动特征频率所对应的狭窄范围内,反射率可接近100%,这一狭窄频段的光谱带被称为剩余射线区域。在自由载流子浓度很低的情况下,材料在剩余射线区的反射率很高,然而大多数极性晶体的剩余反射区都在远红外区,不满足实际红外隐身波段的需求。


表2 典型金属材料的红外发射率


材料表面的几何性质(如粗糙度等)对涂层材料的发射率有直接的影响。相比于光滑表面,粗糙表面可直接增大辐射面积,且光线在粗糙表面微观形貌之间的往复反射也会增大辐射功率。如图7所示,考虑发射率随角度的变化,假设光滑金属表面的发射率在0°和60°方向分别为ε(0°)=0.04,ε(60°)=0.05,对于图7(a)所示粗糙表面的α点,其辐射来源如图7(b)中所示,相应的辐射强度为0.114,粗糙表面总的辐射强度接近光滑平面的三倍。


图7 粗糙度对材料红外辐射的影响(a)V型槽模型的发射率;(b)图示中三部分对辐射均有贡献


3.1.1 金属涂层材料


除了上述极低的红外发射率外,金属兼具了高熔点、耐化学腐蚀以及良好的抗氧化性和热稳定性,可用作高温环境下服役的低红外发射率涂层,如应用于尾喷管腔体中的末级涡轮叶片、中心锥、支板等部件表面。在高温合金基体上磁控溅射制备Pt或Au/Ni涂层,可在600 下较长时间内保持低发射率(约0.2)。Sivasankar验证了粗糙度对涂层发射率的影响,改变Ag薄膜和玻璃基底之间的浸润性,发射率可由0.22降至0.09,旋涂法制备的纳米银涂层也表现出这一性质。Li等报道的桥接纳米Pt和电沉积Ag薄膜的方法实现了可调整的红外辐射。但金属涂层在高温使用过程中基体元素扩散会引起发射率急剧升高,需要在涂层和基体之间引入阻扩散层,以实现涂层的长期稳定服役。再者金属薄膜的制备对设备要求较高,且工件大小受限于设备尺寸,需要开发适用于大型构件表面的涂层制备工艺。


3.1.2 半导体材料


作为低发射率半导体材料的代表,掺锡氧化铟(ITO)对红外线的反射率 > 70%,透光率 > 95%,可满足兼容隐身的需求。磁控溅射法制备的ITO薄膜的发射率低于0.2,在700 条件下服役150 h后仍性能稳定。超结构ITO薄膜可兼具雷达隐身和红外隐身性能。相比于ITO,Al、Ga等掺杂ZnO形成的掺铝氧化锌(AZO)和掺镓氧化锌(GZO)价格低廉,调整制备工艺或涂层结构,AZO发射率可降至0.45左右。通过调控材料性能,提升兼容隐身性能,半导体材料有望满足宽波段隐身的发展需求。


3.1.3 填料/黏结剂涂层


填料/黏结剂涂层主要由低发射率填料(金属微粉、半导体材料微粉等)和红外透明黏结剂(环氧树脂、三元乙丙橡胶等)构成。受树脂工作温度限制,此类涂层多应用于飞机蒙皮或坦克表面等温度较低的部位。为应对更高服役温度的需求,目前对黏结剂的研究热点集中于高温黏结剂,包括无机耐高温黏结剂(硅酸盐和磷酸盐等)和有机耐高温黏结剂(聚氨酯和有机硅等)。根据漫反射条件下的二能流理论,涂层反射率由填料粒子形状、尺寸参数、电磁参数以及粒子的浓度等因素决定,图8直观展现了填料性质对涂层发射率的影响,相比于球形填料(图8(a)),相同比例下片状填料(图8(b))反射率更高、发射率更低;图8(c)所示的填料悬浮于涂层表面可进一步增强反射。填料/黏结剂体系因制备工艺简单、便于实现性能调控,应用更为广泛。涂层耐候性及服役性能也是目前研究的重点内容。


图8 填料性质对涂层发射率的影响(a)低发射率涂层示意图;(b)填料形状对发射率的影响;(c)填料分布对发射率的影响


在3~5 μm和8~14 μm波段陶瓷材料的发射率一般较高,因此低发射率陶瓷涂层的设计多从结构角度入手,如zig-zag或多层结构。总体来看,并没有关于低红外发射率陶瓷涂层成熟应用的报道。对低发射率涂层材料的性能总结如表3所示。金属涂层在高温下也表现出极低的发射率,但仍需提高涂层的服役稳定性,并降低涂层制备对设备的依赖性,以实现在更高温度下的大规模应用。对半导体材料成分、结构的准确调控是获得兼容隐身的有效途径。为适用于日益苛刻的服役环境要求,填料/黏结剂涂层需降低黏结剂的本征发射率并提高其在高温复杂环境下的力学性能。


表3 低发射率涂层材料及其性能


对涂敷低发射率涂层的飞行器辐射特性模拟结果表明,改变蒙皮、中心锥和混合器的发射率,在机身正后向小角度范围内3~5 μm波段辐射强度明显降低,8~14 μm波段的辐射强度在所有方向均可降低40%以上。相同工况下对排气系统的实验测量结果显示,相比于仅涂敷轴对称收敛喷管的中心锥或混合器内表面,二者同时涂敷低发射率涂层时的红外抑制效果最好。


3.2 新兴红外隐身材料


根据外界环境变化主动调整自身的红外辐射特性,增强自身与外界环境的融合程度,实现动态隐身效果,是复杂多变的战场环境发展的必然需求。对目标物体进行有效的热管理也是实现红外隐身的途径之一。因此相变材料、气凝胶等新兴的材料因其独特的光学或热学性质进入了人们的视野。


3.2.1 相变材料


辐射功率受发射率ε的直接影响,对大多数材料而言,发射率受温度变化的影响较小,可将发射率视为常数,但随温度等外界条件的变化,相变材料的结构会发生明显改变,同时产生光学/电学性质的突变,实现红外伪装目的。


作为一种典型的相变材料,二氧化钒(VO2)在341 K时发生绝缘体-金属的一级结构转变,由图9(a)所示的单斜相(M)转变为图9(b)所示的金红石相(R)。相变前后电阻发生突变,同时发射率突变可达0.6,可达到动态隐身效果。VO2粉末凭借技术和经济优势,更适用于大规模复杂表面,如VO2粉末与树脂混合在织物上制备成涂层可用于军事驻点的红外伪装,且粉末结构有利于相变应力释放。Ji等提出了苹果酸辅助水热法合成VO2纳米粉末,进一步简化粉末制备流程。关于相变过程的物理机制仍存在争议,主流观点包括了电子关联驱动的Mott转变、晶格结构驱动的Peierls转变或是两种机制共同驱动的转变,近场红外扫描显微镜、飞秒激光泵浦-探测等进一步推动了对相变机制的研究。热致相变的温度直接影响VO2的实际应用,W、Mo等元素的掺杂可调整VO2晶格的局部电子密度,改变其相变温度。


图9 VO2的结构(a)单斜结构(M);(b)金红石结构(R)


除VO2外,其他相变材料也引起关注。具有无滞后渐进式相变性质的SmNiO3的发射率与温度的四次方成反比关系,由Stefan-Boltzmann定律可知,其宏观表现为辐射功率不随温度改变。热处理或激光脉冲处理可改变Ge2Sb2Te5(GST)的晶体结构,使其处于晶态、非晶态或混合状态而表现出不同的辐射性能。稀土镍酸盐及NaOsO3等相变材料均有作为红外隐身材料的潜质。相变材料为实现自适应隐身提供了新的研究方向,阐明VO2等相变材料的相变机制、实现对相变温度等性质的精确调控,是相变材料隐身设计及获得实际应用的前提。


3.2.2 电致变色材料


除温度变化导致相变引起的材料发射率变化外,施加电压也会引起材料光学性质改变,即电致变色作用。电致变色器件的结构如图10所示,包括基底、电极、电致变色层、电解质层和离子储存层,其中电致变色层置于电解层和电极之间,离子储存层起平衡电荷作用。常见的电致变色材料包括WO3、导电高分子(CPs)如聚苯胺(PANI)、聚苯二胺(PDPA)等。相比于传统非晶型WO3,低成本的电泳沉积工艺所制备的纳米WO3具有更高的电荷密度及相当的变色效率。Prasanna 的报道展现了CPs从可见光至远红外范围内在大型柔性器件中的应用前景。


图10 电致变色器件结构


3.2.3 微纳结构金属粒子


通过调整目标物体的光谱辐射分布也可实现对红外信号的掩蔽。由1.3节可知尾焰成分中气体分子的振动是其红外辐射的主要来源。实现尾焰红外隐身的重要手段是将这些处于第一振动激发态(4~5 μm)的高温气体的能量在挡板上快速耗散掉,或者转移到非红外视窗的波段(5~8 μm)。Li 等通过发展新兴的超快激光多维振动光谱,利用超快红外激光与气体分子的作用,将气体分子化学键选择性置于第一振动激发态,以模拟尾喷口的高温气体红外辐射,系统地研究了金属不同微结构表面的气体分子振动耗散动力学及能量转换。研究结果直接证明了吸附分子能量弛豫在金属界面引起热传导,导致非红外视窗区分子光谱变化。以贵金属Pt纳米粒子对尾焰成分CO的作用为例,一方面吸附于Pt不同晶格位置的CO分子表现出不同的振动波长;另一方面,理论和实验结果均表明,在皮秒时间尺度内,通过振动/电子耦合,CO分子可将其振动能量转化为热能,并通过金属晶格振动耗散,降低CO在目标波段的信号强度。对Pt和CO相互作用超快过程的研究表明,振动/电子耦合过程受金属纳米粒子种类、尺寸及吸附位置的影响。这一研究为尾喷口挡板材料设计、抑制探测器对尾焰红外信号的追踪提供了思路。


3.2.4 隔热气凝胶


气凝胶的多孔结构使其具有极低的密度和极好的隔热性能,可实现有效的热管理,降低物体的辐射功率。陶瓷气凝胶更适用于高温领域,为克服其脆性及结晶粉化等缺陷,Xu等设计制备的双负泊松比BN陶瓷气凝胶,除具有极低的热导率(室温大气环境下约20 mW•m-1 •K-1)外,在热冲击或热应力等极端条件下仍表现出理想的鲁棒性。在SiC纳米线表面引入SiO2壳层作为声子屏障,所制备的核壳结构 SiC@SiO2气凝胶纳米线表现出更低的热导率(约14 mW•m-1•K-1)。气凝胶与相变材料或金属纳米粒子复合,可进一步提高储能性质。得益于陶瓷气凝胶力学性能的提升,气凝胶展示出在高温隐身领域的应用潜力,且多孔结构是实现多功能一体化设计的重要途径。


3.2.5 超材料


超材料的概念最先于1968年由苏联物理学家Veselago提出,是一种具有人工设计结构而表现出天然材料所没有的超常物理性质的材料或结构。由于其特殊的物理性质,在电磁、通信等方面具有广阔的应用前景,在红外隐身领域也获得了广泛研究。


光子晶体是由两种或两种以上具有不同介电常数的介质材料在空间呈周期性排列所构成的超材料,结构单元的尺度在光波数量级。如图11所示,根据光子晶体的结构空间分布特征,可分为一维(图11(a))、二维(图11(b))和三维光子晶体(图11(c))。周期性结构能够在晶体内部产生“光子禁带”,对相应频率的入射电磁波产生全反射,调整光子晶体的结构使其对红外波段入射光全反射,即可达到发射率接近0的目的。


图11 光子晶体(a)一维晶体;(b)二维晶体;(c)三维晶体


热学超材料是指依据稳态和非稳态的热变换理论,人工设计实现热导系数非均匀分布的材料或异质结构,以屏蔽物体的温度场,实现红外隐身的目的。等离子激元超晶格材料可通过调整表层的载流子浓度,实现对隐身器件辐射性能的动态调整,如在ITO薄膜上沉积ZnO后制备周期性排布的金谐振器,紫外激发调整载流子浓度,或利用相变材料GST实现对表层金薄膜载流子浓度的调整。超材料特殊的光学/热学特性,从多种途径为实现红外隐身提供了设计思路,但因需要实现对材料结构的精确控制,受限于制备工艺,与获得大规模应用仍有一定距离。


3.2.6 仿生材料


受自然界中生物躲避天敌的隐身方式启发,智能仿生材料的概念也应用于隐身领域的研究。头足纲动物通过适应性色素细胞与桡骨肌细胞的配合改变外表颜色以实现隐身目的。Xu等模仿其变色机制,以介电弹性体薄膜为基底,沉积Al或TiO2/SiO2,弹性体对外界刺激产生响应,实现器件整体红外发射率的动态变化。同样,受头足纲动物的启发,Stephen等在软体器械的微流体网络中流过控温液体,对温度进行调整以控制红外辐射。


对新兴材料的隐身原理及实施案例总结如表4所示,新兴材料实现红外隐身的方式更为多元。相变材料和电致变色材料根据周围环境实现目标物体发射率的动态改变,从而改变辐射性能。微纳结构金属粒子有针对性地对尾焰中气体辐射波长进行调整,将其转移到可探测波段之外。热学超材料和高温气凝胶可对目标物体进行有效的热管理,光学超材料如光子晶体则对目标物体的光学性质进行调整。自然界中生物的隐身方式为红外隐身材料提供了设计制备灵感。相比于传统的低发射率材料,新兴材料在适应复杂的外界环境和苛刻的服役条件等方面展现出很大的发展潜力,但对其隐身机制的探究、材料制备工艺的控制以及隐身性能的评价仍处于起步阶段,需针对实际服役条件要求,提升材料的隐身效果、力学性能、服役稳定性、可制备性等多个维度的性能。


表4 新兴材料及隐身机制

 

4 结束语


按照SWaP3体积小、重量轻、功耗低、性能高、成本低的要求,红外探测技术的发展方向包括:(1)发展非制冷型探测器,推动探测器件的小型化与低成本化;(2)提高探测器件的灵敏度、空间分辨率、光谱分辨率性能;(3)增强探测信号的快速处理能力,提升红外探测系统的智能化水平和响应速度。


为应对服役环境的日益复杂和探测器技术的进步,降低飞行器被探测和跟踪的风险,红外隐身材料发展趋势包括:(1)发展可在高温、积碳、应力复杂的尾喷管等热端部件上稳定服役的红外隐身材料;(2)研制红外-雷达兼容多波段隐身材料;(3)提高红外隐身材料的环境动态适应性;(4)开发具有光谱选择性辐射的材料和具有热流散热作用的器件。



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