集成机械与耐腐蚀防护的可见光 - 红外宽带伪装

《Surface and Coatings Technology》：Visible-infrared broadband camouflage integrated with mechanical and corrosion-resistant protection

　　

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  石墨上的 Al₂O₃/Ge/Si/Al₂O₃ 涂层实现可见 - 红外隐身。
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  法向发射率在 11 μm 处达到 0.29，在 80°处达到 0.95，以实现红外控制。
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  顶层 Al₂O₃ 集成光谱控制并将磨损减少 88.4%。
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  涂层表现出优异的硬度、耐磨性和耐蚀稳定性。

引言

随着光学传感、热成像和环境监测技术的快速发展，单一光谱波段工作的传统隐身策略越来越难以规避高性能系统的探测 [1]、[2]、[3]、[4]。如图 1 所示，可见光区域（380–780 nm）的有效隐身需要可调的结构色来匹配多样的陆地和空中背景，例如森林、沙漠和以天空为主的环境 [5]、[6]。红外隐身通常通过抑制两个大气传输窗口内的热辐射来实现，即中波红外（MWIR，3–5 μm）和长波红外（LWIR，8–14 μm）区域 [7]、[8]、[9]。因此，迫切需要同时满足可见光和红外隐蔽要求的隐身涂层。

近年来，基于光子晶体、多层薄膜干涉和结构色的可见光动态隐身已被广泛研究 [1]、[10]、[11]、[12]。通过调节介质层的薄膜厚度或折射率，可以在可见光光谱范围内产生可调颜色以匹配不同的背景。然而，为了实现宽广的色域和高色彩饱和度，这些结构通常需要多个周期层，这不可避免地增加了总厚度 [13]、[14]。更重要的是，构成层通常在中波和长波红外区域表现出强烈的吸收，从而严重损害红外隐身性能。这揭示了可见光隐身与红外隐身的光学需求之间的内在矛盾。

红外隐身通常通过掺入低发射率金属膜或填料（如 Au 和 Ag）来实现，它们反射环境热辐射并抑制自发射，从而减少目标与其背景之间的热对比度 [15]、[16]、[17]。然而，此类涂层仍存在两大主要局限性。首先，其固有的低发射率阻碍了辐射散热，使目标容易积聚热量并形成热热点，这可能反而增加其可探测性。其次，其热发射通常遵循朗伯分布，几乎均匀地向不同方向辐射。因此，它们无法有效对抗具有空间分辨探测能力的先进红外搜索和跟踪系统。定向热发射提供了一种潜在的解决方案，通过将强烈的红外辐射重新分配到特定的角度范围，实现在高观察角度下的红外信息加密和散热 [18]、[19]、[20]。然而，大多数现有的定向热发射器是针对单一红外波段（如 8–12 μm）设计的，或者依赖于多层近 epsilon 零材料来实现宽带红外隐身 [5]。这些系统通常结构复杂，并且经常涉及贵金属或通过高精度光刻制造的二维超表面 [16]。这种设计和制造要求使得它们难以与可见光隐身结构集成，从而限制了多光谱集成隐身的实际实现。

除了光谱兼容性的挑战外，隐身涂层往往暴露在恶劣的服务环境中，包括砂蚀、热循环和沿海腐蚀 [21]、[22]。尽管硬保护层 [23]、[24]、[25]，包括 AlN、TiO₂ 和类金刚石碳（DLC），已被广泛探索以改善表面硬度和耐磨性，但它们与多光谱隐身系统的集成仍然具有挑战性。这些材料在可见光区域较高的折射率及其波长依赖的红外光学损耗可能会改变光学干涉条件并引入不需要的频谱畸变，从而降低设计的可见 - 红外隐身性能。如图 1 中的雷达图总结所示，大多数研究报告主要集中在宽带隐身或保护性能上，而要在单一涂层系统内实现这两种功能仍然具有挑战性。因此，迫切需要开发一种多光谱兼容的隐身薄膜，该薄膜结合了简单的结构、可行的制造、可见光颜色调制、定向红外热发射以及集成的机械和耐腐蚀保护。

为了解决这些挑战，本研究提出了一种简便且结构简单的方法，用于实现可见 - 红外宽带隐身，并集成交机械和耐腐蚀保护，其中以 Al₂O₃ 薄膜作为保护层。提出的结构实现了可见光区域的宽色域颜色调制，CIE 色度坐标覆盖 x = 0.22–0.50 和 y = 0.15–0.45。同时，在大气红外窗口内的代表性检测波长 4 μm 和 11 μm 处分别实现了 0.16 和 0.29 的低法向发射率。此外，该装置在中性盐雾（NSS）测试中保持其保护性能长达 310 小时。这项工作为复杂工作条件下的宽带隐身和环境保护提供了一种有前景的解决方案。它也为推进航空航天、海上和地面平台的可见 - 红外隐身技术提供了一条可行的途径。

章节片段

仿真模型

采用基于有限元方法的频域电磁场求解器来模拟薄膜结构并计算其反射率、吸收率和电场模分布。仿真中使用的薄膜材料的折射率 n 和消光系数 k 如图 S1 所示。

样品制备

首先用纯度 99.99% 的乙醇清洗石墨、SiO₂ 和 Si 衬底，以及石墨衬底（或高发射基体，如

结果与讨论

可见光隐身功能是通过薄膜中等倾角干涉调制结构色来实现的，如图 S2 所示。基于可见光波的叠加原理，两列相干光波在空间重叠时形成合成光波，其光程差可描述为：$$\lambda =\left\{{}_{\frac{2n_{2}d}{m}\left(m=1,2,3_{?}\right)\text{垂直入射}}{}^{\frac{2d\sqrt{n_2^2?\mathit{si}{n}^2{a}_1}}{m}\left(m=1,2,3_{?}\right)\text{斜入射}}\right.$$其中 λ 是真空波长，对应于共振峰

结论

本研究提出了一种用于隐身和保护的宽带和波长选择性发射器，集成了可见光隐身、红外隐身、机械保护和耐腐蚀性。通过结合可见光波段干涉、法布里 - 珀罗共振和类似布儒斯特的角度响应，并引入新开发的薄膜厚度优化品质因数 F_min，在石墨衬底上制造了 Al₂O₃/Ge/Si/Al₂O₃ 结构。通过调整薄膜厚度

CRediT 作者贡献声明

Huaizhi Qu: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法学，调查，形式分析，数据管理。Liangge Xu: 形式分析，概念化。Ateer Bao: 监督，方法学。Xiangqing Teng: 验证，方法学，调查。Linbo Wang: 调查。Sam Zhang: 项目管理，方法学，资金获取。Jiaqi Zhu: 资源，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号 U25A20233）和河南省重点基础研究计划（批准号 252310420100）的支持。

Huaizhi Qu|Liangge Xu|Ateer Bao|Xiangqing Teng|Linbo Wang|Sam Zhang|Jiaqi Zhu