综述：雷达与红外波段兼容隐身：机理、材料与设计策略

《Small Science》：Compatible Stealth for Infrared and Radar Bands: Mechanisms, Materials, and Design Strategies

　　

隐身技术是战场光电对抗的核心支柱，对提升军事平台的生存能力与突防能力至关重要。近年来，为应对快速发展的多光谱探测技术，雷达与红外波段的兼容隐身技术取得了迅猛进展。当前针对雷达隐身材料与红外隐身材料的研究已分别广泛开展，但由于雷达与红外隐身的物理机制存在冲突，开发兼容隐身材料仍面临显著挑战。尽管该领域关注度持续提升，但能够整合设计原理、材料体系及雷达-红外兼容隐身研究进展的系统性综述仍然稀缺。本综述系统探讨了红外/雷达单独隐身及其兼容隐身的机理，对前沿材料与结构进行了分类，阐述了克服多层兼容隐身材料阻抗匹配问题的方法，并强调了新兴设计在实现宽带隐身中的作用。最后，综述指出了单一类型与多层兼容隐身材料当前面临的挑战与未来发展方向，旨在为高性能多光谱隐身技术的发展提供指导。

1 引言

隐身技术是战场光电对抗领域的核心技术支柱之一，已成为提升军事目标生存能力与突防能力的关键手段。随着探测与制导技术的快速发展，战场侦察与打击系统正从单波段探测向多光谱、复合模式演进，其中雷达与红外探测协同组成的侦察网络尤为典型。雷达探测通过主动发射电磁波并接收回波信号，可精确测量目标距离、方位与速度，凭借全天候、远距离测距与定位能力，占军事侦察任务的约60%。红外探测占比约30%，通过感知大气窗口内的红外辐射，捕捉目标与背景的辐射差异实现热成像识别。战场探测技术的多元化使得传统针对单波段设计的隐身材料难以应对复合探测系统的威胁，因此开发可同时对抗雷达与红外侦察的兼容隐身材料，成为提升军事目标战场生存能力的迫切需求。

然而，红外隐身与雷达隐身在物理机制上存在本质矛盾，给兼容设计带来重大挑战。红外隐身的核心在于降低目标红外辐射，主要通过降低表面发射率与调控表面温度实现。热平衡条件下基尔霍夫定律指出，材料的发射率等于其吸收率，因此材料需在红外波段呈现低吸收特性以实现隐身。与之相反，微波吸收材料的核心是尽可能衰减并吸收入射电磁波，即通过损耗机制将电磁能转化为热能。这种同一材料体系内对吸收特性的矛盾要求，是实现雷达与红外兼容隐身最根本的科学挑战。此外，传统雷达吸波材料将电磁波转化为热量的过程可能导致目标温度升高，进一步增强其红外辐射特征，加剧了两种隐身需求的相互制约。

为突破上述矛盾，研究人员主要探索了两条技术路径。第一条是开发兼具高雷达吸收与低红外发射特性的新型单一功能材料，例如通过调控掺杂半导体的载流子浓度，在雷达波段实现介电损耗的同时，借助等离子体共振效应在红外波段实现低发射率；或通过构建三维多孔气凝胶结构，既阻隔发热体的热传导，又延长电磁波耗散的传播路径，该类材料还包括导电聚合物与各类纳米材料，最终通过组分设计与微观结构调控，在单一材料内实现双波段性能的平衡。第二条路径是开发多层或梯度复合结构材料，将分别负责红外隐身与雷达吸收的功能层结合，通过优化层间阻抗匹配与电磁波传播路径，最小化两种功能的相互干扰。这种分层设计不仅能有效兼顾两种功能，还可通过外部刺激单独调控红外隐身层，实现动态红外伪装。此类设计中，保障层间结合强度、优化热管理、实现宽带兼容是提升性能与拓展应用的关键。近年来，超表面与光子晶体（PCs）等新兴人工结构为解决兼容难题提供了新思路，通过精心设计亚波长微结构替代化学成分调控，为灵活独立操控不同波段的电磁响应提供了新的自由度。

尽管红外/雷达兼容隐身已成为当前备受关注的前沿研究热点，大量学术论文围绕具体材料、结构与机理发表，但该领域的系统性综述与总结仍相对匮乏。现有综述多聚焦于单波段隐身技术或局限于特定材料类型，综合性综述的缺失阻碍了研究人员快速把握该领域的整体格局、核心挑战与发展趋势。基于此，本文聚焦雷达-红外双波段兼容隐身这一核心方向，整合分析现有研究成果，旨在系统梳理其设计原理、材料体系与研究进展。首先深入剖析红外与雷达隐身机理及兼容挑战，随后按材料体系与结构设计分类评述研究现状与性能特点，重点关注超材料、纳米材料等新兴结构在实现动态、智能、宽带兼容隐身方面的独特优势，最后总结该领域当前面临的关键科学与技术难题，展望未来发展方向，为新型高性能多光谱兼容隐身材料的设计制备提供理论与技术参考。

2 红外隐身

2.1 红外隐身机理

自然界中所有高于绝对零度的物质都会向外环境发射红外辐射。红外成像探测技术通过捕捉物体发射的红外辐射生成红外图像以实现目标识别。受大气吸收特性影响，特定波段的红外辐射会被大气尘埃、二氧化碳与水汽吸收散射，这些特定波段之外的红外区间被称为大气窗口，是红外探测器的工作波段，主要包括0.76–2.6 μm、3–5 μm与8–14 μm。

斯特藩-玻尔兹曼定律描述了物体红外辐射能量的决定因素，公式为W=εσT⁴，其中W为红外辐射总量，σ为玻尔兹曼常数，ε为红外发射率（以下简称发射率），T为热力学温度。发射率是衡量物体红外隐身能力的重要指标，在低辐射背景下，发射率越低表明红外隐身能力越强。发射率受材料本征属性、表面粗糙度、氧化程度、表面温度变化及红外波长等多因素影响。表面温度T是表征物体表面与环境热相互作用能力的关键物理参数，对红外辐射影响显著，其受内部热源、外部环境、表面材料属性及表面形貌结构的共同影响。

红外探测器通过接收物体表面辐射生成图像，目标与环境的红外辐射显著差异是其被探测的原因。由上述公式可知，红外辐射主要与物体发射率及热力学温度相关，因此红外隐身的核心在于调控物体表面红外辐射尽可能接近环境辐射，ΔW越小，红外隐身性能越强。

2.2 发射率调控

如斯特藩-玻尔兹曼定律所述，发射率是影响红外辐射的重要因素。实际场景中背景辐射与目标辐射存在两种情况：一是环境辐射低于目标辐射，称为低辐射背景，需采用低发射率材料降低辐射以实现隐身；二是环境辐射高于目标辐射，称为高辐射背景，需采用高发射率材料提供热补偿、增强辐射强度以实现隐身。通常人员与各类装备运行时红外辐射高于环境，此类场景适合采用低发射率材料实现红外隐身。

材料低发射率的本质机制在于本征电子结构调控。高载流子浓度是低发射率材料的共性特征，但该特征不利于微波吸收性能。根据材料类型，可分为掺杂氧化物半导体、导电聚合物、光子晶体与纳米材料。掺杂氧化物半导体与导电聚合物具有高自由载流子浓度，使等离子体频率向红外波段偏移，入射红外光子可激发自由电子振荡，导致能量反射、吸收率降低，结合热辐射基尔霍夫定律中发射率与吸收率相等的关系，最终实现发射率降低。光子晶体因介电常数周期性变化产生光子带隙，当带隙位于红外波段时，该波段红外光无法在材料中传播并被完全反射，从而实现极低发射率。纳米材料通过纳米尺度效应，与前三类材料结合可进一步提升红外隐身性能。

掺杂氧化物半导体主要由金属氧化物基体与提供载流子的掺杂剂组成，氧化铟锡（ITO）、锑掺杂氧化锡（ATO）、钼掺杂二氧化钒是常见低发射率掺杂氧化物半导体代表。ITO作为经典低发射率掺杂氧化物半导体，因雷达波透射率高，是雷达/红外兼容隐身的理想候选材料。研究人员发现，纳米柱状晶ITO薄膜的载流子浓度变化可调控其在红外波段的吸收率与反射率；三明治结构ITO薄膜由富氧层与缺氧层构成，相较于单层ITO薄膜表面更平滑，且富氧层与缺氧层间的载流子浓度梯度促进载流子迁移，性能更优。

具有绝缘体-金属相变行为且具备适中微波吸收能力的相变材料也是发射率调控的有效途径。典型半导体相变材料二氧化钒（VO₂）达到相变温度后，会从高阻半导体相转变为低阻金属相，对应红外透过率从高向高反射率切换，因此调控VO₂相变温度是达成其红外隐身性能的关键。目前掺杂是调节相变温度的重要手段，可通过离子取代或缺陷工程优化材料红外性能，但过量掺杂会破坏晶体结构、降低材料性能，钼、钨、镍等掺杂离子已被广泛研究。研究人员通过水热法合成钼掺杂VO₂粉体，获得可自适应环境响应的红外智能隐身材料，与纯VO₂相比，钼掺杂可通过调控体系电子结构与VO₂晶格结构演化有效降低相变能垒，当Mo⁶⁺掺杂浓度为3 at%时相变温度优化效果最佳，从68°C显著降低至31.5°C，达到相变温度后VO₂呈现低红外发射率，从而实现红外隐身功能。

导电聚合物是一类通过化学或电化学掺杂从绝缘体转变为导体的高分子材料，具有制备简便、环境友好、轻质、柔韧性优异等优势，典型代表包括聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔与聚噻吩。聚苯胺具有多样的氧化态与灵活的掺杂机制，其载流子浓度可通过掺杂策略灵活调控，因红外发射率易调、成本低，成为相关领域研究热点。研究人员以聚苯胺、空心玻璃微珠、碳纤维粉为原料制备复合薄膜，除红外隐身外还具备紫外线防护、吸声等功能，该复合薄膜红外隐身能力强于聚氨酯（PU）薄膜。尽管导电聚合物优势众多，但多数环境稳定性有限，为提升聚苯胺（PANI）薄膜在多场景下的适用性，研究人员分别在棉织物、棉涤混纺织物、芳纶织物上沉积樟脑磺酸（CSA）掺杂的PANI薄膜用于军事装备与士兵防护的红外隐身，涂层织物的红外发射率接近0.325，与PANI-CSA薄膜发射率一致，依托基底织物的不同物理特性，涂层织物在满足红外隐身性能的同时兼具阻燃、防水、柔韧等优良特性，实用价值较高。

光子晶体具有沿不同方向介电常数周期性变化的特性，根据介电常数周期性变化的维度方向可分为一维光子晶体、二维光子晶体与三维光子晶体，通过光子带隙与光子局域化效应，可精准调控红外发射率与雷达波透射率，但其稳定性差、制备工艺复杂限制了广泛应用。研究人员设计了一种由一维光子晶体段组装的双异质结构，研究了交替堆叠锗（Ge）与硫化锌（ZnS）构成的器件传输特性，该结构可实现完美的红外辐射抑制，同时允许雷达波透射，其与玻璃样品集成后的透射率与纯玻璃几乎一致，为兼容雷达隐身奠定了坚实基础。与一维光子晶体相比，三维光子晶体可在全维度调控发射率，研究人员开发了一种三维光子晶体快速制备方法，通过气液界面自组装成功制备聚苯乙烯微球光子晶体薄膜，实现了3–5 μm波段红外辐射的发射率调控，为大面积三维光子晶体红外隐身材料的制备提供了简便、低成本、快速、高效的途径。

纳米材料是一类通过在纳米尺度精准裁剪结构实现红外隐身的高级功能材料。研究人员以纳米二氧化硅（SO₂）为结构改性剂，与含氢硅油（HQGY）改性的聚氨酯（PU）共混后加入片状黄铜粉，通过刮涂法制备了发射率为0.565的超疏水低红外发射率涂层。另有研究将铁纳米颗粒与相变材料聚乙二醇加入聚丙烯腈静电纺丝溶液，通过调整聚乙二醇4000–1000的投料比可将相变温度调控在31.5°C至40.9°C之间。还有研究设计了电致红外发射率调制器，在保持高可见光透过率的同时实现动态发射率调控，该器件源于掺铝氧化锌纳米晶表面耗尽层载流子浓度的电压依赖性变化，在3–5 μm与7.5–13 μm波段的发射率调制幅度分别达到0.51与0.41。

2.3 温度调控

通常，通过调控目标表面温度实现红外隐身的材料适用于低辐射背景，例如目标本身为高温热源（如飞机发动机、舰船排气）时，其红外辐射高于周围环境，易被红外传感器探测到。这类材料通常具备可调吸热能力或低导热性，可通过吸热或热传导阻隔降低目标表面热辐射，达成红外隐身目的，常见类型包括相变材料、气凝胶与辐射冷却材料。

相变材料凭借其独特属性，在相变过程完成前可维持恒定温度。利用该特性，相变材料在相变过程中可维持接近相变点的温度，难以被红外探测器识别。如前文所述，VO₂是典型的相变材料，相变过程中通过维持恒温实现红外隐身，且相变完成后发射率从高切换为低，进一步助力红外隐身实现。除VO₂外，常用相变材料还包括石蜡与聚乙二醇。研究人员以热膨胀微球（TEMs）对石蜡基相变复合材料进行发泡，制备了可长时间维持温度的被动热管理材料，材料的高孔隙率一方面赋予其低导热性以有效延缓热传递，另一方面高相变焓使材料可长时间维持温度，将制备的热管理材料与对照样品置于50°C加热平台，634秒后对照样品温度与平台一致，而实验组在3298秒后温度仅为39.4°C并可长时间维持。

除单独使用相变材料外，研究人员常将相变材料封装为微胶囊结构，囊材由聚合物或无机物构成。相变材料微胶囊化不仅可有效防止相变材料泄漏，还能提升其结构稳定性，微胶囊可在相变过程中吸收或释放大量潜热，从而有效调控表面温度、降低红外辐射，最终实现红外隐身。研究人员以石蜡（PA）为芯材、二氧化硅（SiO₂）为壳材，引入氧化锌（ZnO）与硬脂酸（SA）改性，制备了PA@SiO₂/ZnO/SA相变微胶囊，除相变材料提供的吸热控温作用外，纳米氧化锌的引入还赋予微胶囊低发射率特性，二者协同实现红外隐身功能，涂覆相变微胶囊的皮革在50°C加热板照射下温度上升显著慢于未涂层皮革，表现出优异的保温能力，并在60秒内稳定在约40°C。另有研究以带负电的磷酸化纤维素纳米纤维（CNF）为乳化剂，通过静电层层组装将带正电的壳聚糖负载于表面，制备了双层微胶囊，其导热系数仅为0.047，表现出优异的隔热性能，可有效防止石蜡泄漏。

气凝胶因其超低密度与超高孔隙率受到广泛关注，孔隙中的空气具有低导热性，可有效限制热传导，同时气凝胶还具有低介电常数，是雷达/红外兼容隐身的理想候选材料。除气凝胶本身的优异隔热能力外，还可通过组分掺杂、结构调控或复合改性集成低发射率功能，进一步提升红外隐身性能。研究人员受骆驼皮肤脂肪结构启发，通过冷冻干燥结合喷涂工艺制备了双层MXene@聚乙烯醇（PVA）/相变胶囊（PCC）气凝胶复合材料，具备良好的红外隐身性能，材料的高孔隙率与所含相变材料赋予其优异的隔热与吸热能力，MXene的本征低红外特性使其具备红外隐身能力，实验测得材料表面红外发射率为0.249。