基于二氧化钒相变材料的可见-红外多光谱动态热色自适应伪装技术

为解决传统静态伪装在动态复杂环境中易失效、多光谱兼容性差及调控机制相互干扰等难题，研究人员开展了基于VO2相变材料的多光谱动态调控器（MSDR）研究。通过布拉格反射层与负发射率调控层的协同设计，实现了可见光波段宽色域动态变色（色域覆盖率达57.1%）与中红外波段最高负发射率调谐能力（Δε8-14μm=-0.58），并具备主动-被动双模响应特性与柔性适配能力。该技术为多场景自适应伪装、信息防伪及热管理提供了创新解决方案。

　　

随着探测技术的飞速发展和伪装场景的多样化，传统静态伪装技术面临严峻挑战。当目标从沙漠移动至森林时，固定颜色的涂层会因与环境光谱特征不匹配而暴露；而红外热成像技术更是让高温目标无所遁形。自然环境中温度、光照和背景的动态变化，使得单一光谱的静态伪装难以应对复杂场景。尽管电致变色等技术可实现主动调控，但其多层结构存在红外透明度低、柔性适配性差、循环寿命短等瓶颈。因此，开发一种能够同时在可见光和红外波段实现动态自适应调控的多光谱伪装技术，成为提升目标生存能力的关键。

在这项发表于《Light-Science & Applications》的研究中，中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊团队设计了一种基于二氧化钒（VO_{22基器件中实现了可见光波段宽色域动态变色与中红外波段最高负发射率调谐（Δε8-14μm=-0.58）的协同控制，且两个波段的调控功能相互独立。研究还展示了器件的主动-被动双模响应特性、优异柔性和长期循环稳定性，并通过数字伪装算法验证了其在复杂环境中的实用潜力。}

研究采用磁控溅射技术在石英或聚酰亚胺（PI）基底上交替沉积VO₂和HfO₂多层膜，通过后退火处理获得结晶良好的VO₂相变层。利用转移矩阵法（TMM）进行光学模拟设计布拉格反射结构，通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征薄膜结构与形貌，采用紫外-可见-近红外光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测量光学性能，结合基尔霍夫定律计算发射率调谐量，并借助红外热像仪评估热伪装效果。

设计原理与结构特征

MSDR由顶部的热致变色布拉格反射器和底部的负发射率调控层构成。布拉格反射器由三层VO₂/HfO₂周期性结构组成，通过调节膜层厚度可定制中心反射波长（350-800 nm），利用VO₂相变前后折射率突变（绝缘态n>2.8，金属态n≈2.0）实现反射光谱蓝移和颜色切换。底部厚VO₂层（297 nm）负责红外发射率调控，其相变过程中从红外透明态（绝缘相）转变为高反射态（金属相），结合高发射率基底（石英ε=0.86）实现负发射率调谐（Δε_8-14μm=-0.58）。关键的是，可见光波段的高吸收性使底层VO₂不影响顶部颜色调控，而红外透明的HfO₂介质层确保顶层结构不影响底层发射率调谐，从而实现了两个波段的功能独立控制。

动态颜色伪装性能

通过优化VO₂/HfO₂膜厚组合（补充表4），器件在相变前后可呈现从土黄色到森林绿色的显著颜色变化（色差ΔE>20），色域覆盖标准CMY空间的57.1%。实验测得光谱与模拟结果高度一致，且因VO₂与HfO₂折射率对比度较低（Δn≈1.1），器件在100°视角范围内色差保持稳定（ΔE<20）。相变临界温度（T_c）为加热过程339 K、冷却过程327 K，与纯VO₂特性一致，表明薄膜质量优异。

动态热伪装性能

VO₂相变导致中红外光学常数剧烈变化：绝缘态呈高红外透明性（k≈0），金属态表现为高反射性（n<>₂处于绝缘态时，电磁场能量集中在高发射率基底中，器件呈现高发射状态；相变至金属态后，VO₂层形成强反射界面，发射率显著降低。实测结果显示，器件在30°C时辐射温度与高发射率石英一致，在100°C时辐射温度降至约50°C，呈现显著的"减半效应"。与静态低发射率材料（铝箔ε=0.05，ITOε=0.22）相比，MSDR能有效避免外部热源（如人手）反射形成的热点，在复杂热环境中保持更稳定的伪装效果。经过2000次热循环测试，光学性能未出现明显衰减。

器件优化与先进伪装演示

研究通过在器件背面沉积ITO电极实现了电致主动调控（焦耳加热），4V电压下可实现45.8s（ camouflage on）和15.7s（ camouflage off）的快速切换。采用聚酰亚胺柔性基底制备的器件在保持Δε_8-14μm=-0.48的同时， withstand了20000次弯曲循环。将柔性器件贴附于陶瓷杯的实验显示，其能在低温时匹配杯体辐射，高温时有效屏蔽热辐射。基于邻近色块伪装算法（Neighboring Color Block Camouflage Algorithm），研究还演示了如何将MSDR的多色彩组合能力转化为适应沙漠、森林等不同场景的数字迷彩图案，展现了其在实战化伪装中的应用潜力。

该研究成功开发了一种基于VO₂相变材料的可见-红外多光谱动态调控器，通过布拉格反射器和负发射率调控层的创新设计，首次在单一器件中实现了宽色域动态变色与高负发射率调谐的协同控制，且两个波段的调控功能互不干扰。器件具备主动-被动双模响应、优异柔性和长期稳定性，能够适应复杂动态环境中的多光谱伪装需求。这项研究不仅推动了多光谱动态伪装技术的发展，为目标的战场生存能力提升提供了新技术途径，同时在信息防伪、柔性电子和智能热管理等领域展现出广阔的应用前景。随着多光谱探测技术的进步和伪装场景需求的复杂化，这种跨材料科学、光电探测、计算算法和物理学的 interdisciplinary 技术融合，将进一步推动先进伪装技术的创新发展。