[技术前沿]基于超构材料的红外和雷达兼容隐身材料研究进展

运用各种侦察探测手段，实现战场透明化是现代信息化战争的一个基本特点。红外探测和雷达探测被广泛应用于战场，这促使红外和雷达兼容隐身技术成为了对抗探测的研究重点。相较于传统红外和雷达兼容隐身材料，基于超构材料的新型红外和雷达兼容隐身材料表现出更加优异的性能。

红外和雷达兼容隐身原理与途径

红外隐身，顾名思义就是降低目标被红外探测器（红外探测系统）发现的概率，达到隐身的目的。红外探测器通过对物体发射的红外线进行感光成像，进而可以发现与背景存在较大红外辐射差异的位置。一般而言，武器装备以及作战人员相较于环境背景均具有较强的红外辐射。

控制目标红外辐射实现红外隐身的两个途径：一是控制目标表面的红外发射率；二是控制目标的表面温度。通常为了实现军事目标的红外隐身，需要尽可能降低其表面温度和所用材料的红外发射率。

雷达通过主动发射并接收目标被动反射的电磁波实现对目标的探测。雷达隐身的目的就是降低目标被雷达探测设备发现的概率。雷达散射截面（RCS）就是反映目标在受到电磁波照射后，向雷达接收方向散射电磁波能力的量。通过降低目标的RCS可以减小目标被探测的距离，进而降低目标被发现的概率。

降低武器装备RCS的主要途径有：一是通过外形设计等方法来改变散射波的方向；二是通过雷达吸波材料吸收入射的电磁波。

红外和雷达兼容隐身材料要能够在红外和雷达两个频段同时具有隐身能力，然而不同频段对隐身材料的电磁特性一般具有不同的要求，甚至在某些方面是相互限制的。

红外隐身一般要求材料具有低发射率，根据基尔霍夫定律也就是低吸收率；而雷达隐身为了更好地吸收入射电磁波，则一般要求材料具有高吸收率，这就导致红外隐身和雷达隐身在隐身材料吸收率上存在机理上的矛盾，这也正是红外隐身和雷达隐身兼容的科学难点所在。因此，红外和雷达兼容隐身材料的研究重点是在借助上述能够实现红外隐身和雷达隐身的途径的基础上，尽可能降低两者在隐身性能上的相互影响。

目前常见的红外和雷达兼容的隐身材料实现的途径可概括为以下两种：第一，通过研制单一型材料，使其能够同时实现红外低辐射和雷达高吸收，实现红外和雷达兼容隐身。第二，将能够分别实现红外隐身和雷达隐身的两种材料进行复合，且复合后两种材料依然能够较好地保持各自的隐身性能。

红外隐身材料和雷达隐身材料在材料吸收率上存在隐身机理方面的矛盾，这导致通过单一型传统材料实现两者的兼容难度较大。但是通过单一型传统材料实现红外和雷达兼容依然是梦寐以求的，为此很多学者也进行了大量研究。目前国内外研究较多的单一型传统红外和雷达兼容隐身材料可分为导电聚合物、纳米材料和掺杂氧化物半导体三类。

超构材料（Metamaterials）是一种由亚波长的周期性或非周期性单元结构组成的人工材料。通过设计可以实现天然材料所不具备的超常物理特性。不同于传统材料，超构材料的性质不由其化学组成成分的固有性质所决定，而是取决于组成材料的周期单元的性质。

随着研究的深入，超构材料的概念也在不断地发展完善，其涵盖的研究领域及涉及范围也不断扩大，包括左手材料、电磁超构材料、光学超构材料、声学超构材料、力学超构材料等。其中，电磁超构材料通过调节其人工结构单元的结构参数，可实现对超构材料电磁参数的自由设计，进而实现对在其中传播的电磁波的相位、幅值、极化等的自由调控。

光子晶体是由不同介电常数的介质周期性排列而成的、能够实现对电磁波调控的人工结构材料，因此通常被认为是电磁超构材料的一个分支。

吸波超构材料，也被称作超构材料吸波体，是指由超构材料结构和介质基板组成的一类复合吸波材料，它基于阻抗匹配和电磁谐振机理能够实现对入射电磁波的完美吸收，也是电磁超构材料的一个重要分支。

相较于传统吸波材料，吸波超构材料具有厚度薄、质量轻、吸收强以及电磁参数可调等优点，在隐身领域表现出独特优势。

编码超构材料是电磁超构材料的一个新兴分支，它将数字编码的思想融入到了超构材料设计，将具有不同相位响应的结构单元进行编码，通过设计编码序列可以实现对电磁波的调控。

光子晶体、吸波超构材料和编码超构材料均属于电磁超构材料的范畴，都具有超构材料的人工设计和亚波长周期结构的特性，其对电磁波的调控特性更大程度上取决于其周期结构而不是材料本身的性质。三者的不同之处在于具有不同的调控机理，光子晶体通过调控光子禁带的位置实现对电磁波反射和透过的控制，吸波超构材料借助于阻抗匹配和电磁谐振实现完美吸收，编码超构材料则是通过对电磁波反射相位的控制实现了对电磁波的操控。

由于超构材料能够灵活地调控电磁波，其在隐身技术领域的研究价值也日益凸显，相关方面的研究也逐渐深入。超构材料的出现也为红外和雷达兼容隐身材料设计提供了一种全新的思路，基于光子晶体、吸波超构材料和编码超构材料的红外和雷达兼容隐身材料也得到了迅速的发展。

红外和雷达兼容隐身超构材料

基于光子晶体的红外和雷达兼容隐身材料

光子晶体是一种由不同介电常数的材料周期性排列组成的具有光子禁带的新型人工结构材料。1987年Yablonovitch和John几乎同时提出了光子晶体的概念。

光子晶体对处于光子禁带范围内的电磁波表现出高反射的特性，而对处于光子晶体通带范围内的电磁波表现出高透过的特性。通过人工设计材料组成、材料介电常数以及晶格参数等可以实现对光子带隙位置的调控，将其禁带调控至红外探测波段，则可以有效地抑制红外辐射，实现红外隐身的目的。

利用雷达透波材料进行光子晶体的设计，是实现红外和雷达的兼容隐身的常见技术手段之一。

2014年，Wang等基于薄膜光学理论的传输矩阵方法，研究了由不同厚度的Ge和ZnS交替叠层构成结构的传输特性。基于理论研究基础设计并制备了一种新型一维双异质结构复合光子晶体（CPC），制备样品横截面的SEM照片如图1a所示。

图1 (a) CPC样品横截面的SEM照片；(b) 玻璃基CPC和玻璃基板在2~18 GHz的透过率对比曲线；(c) 掺杂结构一维光子晶体微观结

2020年，汪家春等提出了一种基于光子晶体薄膜材料的多波段隐身衣，该隐身衣的组成如图2a所示，包括光子晶体光学红外复合隐身层和柔性雷达吸波基布层两部分。光子晶体光学红外复合隐身层是一种如图2c所示的薄膜结构。同年，该团队的程立又提出将能够实现雷达隐身的等离子体层和能够实现红外隐身且允许雷达波无损透射的光子晶体薄膜整合，实现了红外和雷达兼容隐身。

图2 隐身衣(a)组成示意图和(b)结构示意图；(c) 隐身衣光子晶体结构示意

光子晶体除了被用于进行红外和雷达兼容隐身设计外，还被广泛用于进行红外与可见光、激光等其他频段的多频谱兼容隐身设计。光子晶体依靠其可设计性强、性能易调控的优点被广泛应用于红外隐身材料的设计，利用微波高透材料进行光子晶体设计再结合雷达吸波材料则可以实现红外隐身与雷达隐身的兼容。利用光谱挖空原理和薄膜干涉等理论，光子晶体可以进一步实现与激光、可见光隐身的兼容，使其在多频谱兼容隐身材料设计方面表现出独特的优势。

然而，在实际工程应用方面来看，光子晶体对材料体系的选择比较苛刻，很多常用的半导体材料价格昂贵，大规模制造依然成本较高；并且膜层厚度以及均匀程度对其性能影响较大，这也对制备工艺提出了较高的要求。

此外，目前针对红外和雷达兼容隐身光子晶体的研究还主要集中在一维光子晶体，其层层堆叠的制备形式较为单一，限制了其发展，后续应该拓宽研究思路，进一步加强二维以及三维光子晶体用于红外和雷达兼容隐身设计的研究。

基于吸波超构材料的红外和雷达兼容隐身材料

基于阻抗匹配和电磁谐振理论，吸波超构材料能够实现对入射电磁波的完美吸收。2008年，Landy等最早设计出一种能够在GHz频段实现接近100%“完美”吸收的超构材料吸波体，其结构单元包含电谐振器和磁谐振器两部分，能够分别跟电场和磁场进行耦合。因此吸波超构材料能够高效地吸收入射电磁波，显著降低目标的回波强度，有效地降低目标RCS，实现雷达隐身。

2013年，Tian等最早提出在雷达吸波材料表面覆盖一层微波高透且红外高反射的频率选择表面以实现红外和雷达兼容隐身，其结构示意图如图3a所示。频率选择表面是一种具有二维周期性结构，通过人工设计可以对特定频段电磁波实现带通或带阻特性的空间滤波器，属于超构材料的一种，在电磁隐身领域多被应用于雷达天线带通天线罩的设计。

2019年，刘东青等基于上述设计原理，将具有选择性辐射特性的Ag/Ge薄膜层进行了容性频率选择表面的设计，并将其与雷达吸波功能层进行了如图3b所示的叠加，叠加后的结构实现了红外选择性辐射（3~5 μm和8~14 μm波段低发射率、5~8 μm波段高发射率），同时在雷达X和Ku波段具有高吸收率。

同年，Kim等利用如图3c所示的分层超构材料（HMM）结构实现了红外选择性辐射与雷达吸波的兼容隐身。其中，层Ⅰ和层Ⅱ共同组成了红外选择性辐射体（ISE），其图案化设计允许微波透过并进入由层Ⅱ与层Ⅲ共同组成的微波吸波体（MSA），实现对透过微波的高吸收。该HMM在5~8 μm波段的红外发射率比Au高1570%，同时其在8~12 μm的红外波段和2.5~3.8 cm的微波波段的特征信号分别降低了95%和99%。

图3 (a) 红外和雷达兼容隐身结构的三维视图；(b) 选择性红外辐射和雷达吸波兼容隐身材料的结构示意图；(c) 分层超构材料（HMM）的微波入射和红外反射示意图以及整合了ISE和MSA层的HMM的结构和组成示意

之后很多课题组又从不同的方向对红外和雷达兼容隐身超构材料进行了探索。2019年，Zhang等提出了一个如图4a所示的柔性透明的红外和雷达兼容隐身结构，同时实现了微波波段的高吸收、红外波段的低发射和光学透明三者的兼容。

2020年，该团队的Feng等提出了一种用于激光、热红外探测器和雷达伪装的分层超构材料（HMM），其结构如图4b所示。HMM由一个全金属超构表面阵列与微波吸收器组合构成，其全金属超构表面阵列除了作为红外屏蔽和微波透过层外，还通过裁剪波阵面将能量反射到非镜面角度，将1.06 μm激光波长下的镜面反射减少到5%以下，在实现红外和雷达兼容隐身的基础上进一步兼容了激光隐身。

图4 (a) 红外和雷达双隐身结构示意图及样品图片；(b) HMM的工作原理示意图，展示了入射微波、反射红外波和散射入射激光在上半空间的情况

2020年，Xu等为了简化整体结构，提出了一种光学透明的ITO/介质/ITO三明治结构红外和雷达兼容隐身超构材料（见图5a），该材料无需单独覆盖红外隐身层就实现了红外和雷达兼容隐身的目的。

2021年，Zhu等在红外和雷达兼容隐身的基础上对多频谱兼容隐身做了进一步探索，设计了如图5b所示的结构，上层的Ge/ZnS的多层结构主要作用于可见光、红外和激光。

图5 (a) 一体化红外和雷达兼容隐身结构示意图；(b) 多频谱兼容隐身结构示意

上述红外和雷达兼容隐身材料都是通过采用低红外发射率材料来实现红外隐身的，此外还有一些工作是通过控制材料温度来实现的。

2018年，Shen等提出了一种如图6a所示以水为基底的透明超构材料吸收体。利用水循环系统，通过调控注入水的温度实现了可调谐红外的目的，实现了宽带雷达吸波与可调谐红外兼容隐身。2021年，Li等提出了一种如图6b所示的水基红外和雷达兼容的光学透明隐身结构。

图6 (a) 透明水基超构材料吸波体结构示意图；(b) 具有低红外辐射特性的光学透明水基宽带可切换雷达吸收/反射器结构示意

基于编码超构材料的红外和雷达兼容隐身材料

实现雷达隐身的技术途径除了利用吸波材料吸收入射的电磁波外，还可以通过外形设计等方法来改变散射波的方向。2007年，Paquay等通过将具有相反反射相位的人工磁导体结构（AMC）和完美电导体（PEC）结构单元进行棋盘状排布，实现了对垂直入射电磁波的反射相消，进而达到了RCS缩减的目的。

2019年，Xie等提出了一种由具有空间不同取向的亚波长金属光栅结合组成的超构表面，实现了耐高温红外和雷达兼容隐身材料的设计制备，其结构示意图如图7a所示。该超构表面利用金属的固有物理特性实现了耐高温和红外低发射率的目的，通过对不同取向光栅结构的空间布局进行设计实现了RCS缩减的目的，其性能测试结果如图7b和c所示。

图7 (a) 耐热金属超构表面示意图；(b) 制备样品的高温RCS缩减测量结果；(c) 室温下超构表面的红外发射特

2021年，Zhong等则将随机金属网格和编码超构表面相结合，设计了如图8所示的结构，实现了基于随机金属网格的编码超构表面，在保持可见光到红外高透光率的前提下，实现了灵活的微波操控。

图8 (a) 随机金属网格编码超构表面的结构示意图；(b) 数字单元“0”和“1”的反射相位和幅

2021年，Liu等设计了一种由红外屏蔽层（ISL）和微波异常反射层（MARL）组成的红外和雷达兼容隐身超构材料，同时实现了红外低发射和微波低反射，其结构示意图如图9a所示。

图9 单元和超单元的设计示意图：(a) 由MARL和ISL组成的单元结构示意图；(b) 由单元Ⅰ-Ⅴ组成的超单元俯视图；(c) 单元Ⅰ-Ⅴ反射幅度和(d)反射相位的仿真结果

总体来看，随着研究的不断深入，基于光子晶体、吸波超构材料和编码超构材料的红外和雷达兼容隐身材料表现出以下发展趋势：

(1) 兼容隐身性能不断提升，主要表现为从仅考虑控制红外全波段（3~14 μｍ）发射率扩展到控制温度和实现红外选择性辐射，雷达吸波带宽不断提升；

(2) 在实现红外和雷达兼容基础上进一步兼容其他频段，主要表现为进一步兼容可见光透明或变色，兼容激光隐身；

(3) 通过一体化设计实现红外和雷达兼容，降低结构复杂程度。

基于超构材料的红外和雷达兼容隐身材料相比基于传统材料的红外和雷达兼容隐身材料，在雷达吸波带宽、红外发射率等主要指标上都表现出更加优异的性能，在进一步兼容可见光隐身、激光隐身等方面也表现出独特优势。

然而，目前针对超构材料的研究还主要集中在实验室条件下进行，其常见的制备工艺，如光刻工艺、平板刻蚀工艺（离子束刻蚀、电子束刻蚀、X射线刻蚀等）、丝网印刷以及3D打印工艺等，也普遍存在成本高、工艺复杂、对高精度仪器设备依赖性强等问题，一定程度上限制了超构材料的应用。

因此，进一步发展高精度制造工艺、降低制造成本、提高隐身超构材料在服役环境下的稳定性是推进其应用的必经之路，也必将是下一步的研究重点。

此外，随着人工智能探测技术的迅速发展，武器装备受到了更加严重的威胁，光谱动态可调的隐身技术是未来发展的方向。

目前可调谐超构材料、相变材料以及电致变色/变发射率器件等光谱可调材料得到了迅速的发展，然而针对红外和雷达兼容隐身材料的研究依然主要集中在静态伪装，其红外发射率、雷达吸波频段和强度等特性一旦被设计制造后就被固化下来，导致其只能适用于特定类型的背景环境。因此，光谱可调的动态红外和雷达兼容隐身材料必将是未来的研究热点。

结 语

基于超构材料的红外和雷达兼容隐身材料相较于传统红外和雷达兼容隐身材料表现出了优异的兼容隐身性能，具有可设计性强、自由度高等优点。然而在材料稳定性、制备成本和制备工艺等方面依然存在很多问题亟待解决，依然无法满足实际工程应用的需求，这也是后期值得深入研究的方面。结合未来发展方向，应对人工智能探测设备的迅速发展，光谱可调的多频谱兼容隐身材料将具有更加广阔的研究前景。
作者：孟真，李广德，崔光振，王义，刘东青，程海峰