高温红外隐身材料研究进展

Research progress in high-temperature infrared stealth materials

摘要

航空发动机热端部位的红外辐射容易被红外探测器所探测，不利于飞行器在复杂的监测环境下服役。如何降低航空发动机高温部位的红外辐射特征，提高航空发动机的高温红外隐身性能是目前亟须解决的难题。本文介绍了在高温环境中具有应用前景的金属类红外隐身材料、无机非金属类红外隐身材料和结构类红外隐身材料的红外隐身机理和研究状况，并指出了高温红外隐身材料的未来发展趋势，包括需要进一步研究高温红外隐身材料的失效机理、与控温方式相结合以满足更高温度的隐身需求和有必要发展综合隐身性能来满足飞行器在复杂环境下的隐身能力。

Abstract

Infrared radiation at the hot-section of the aero engine is easily detected by infrared detectors， which is not conducive to aircraft service in a complex monitoring environment. How to reduce the infrared radiation characteristics of high-temperature parts of aero engine and improve the high-temperature infrared stealth performance of the aero engine is a difficult problem that needs to be solved. This paper discusses the infrared stealth mechanisms and research status of metal-based， inorganic non-metallic， and structural infrared stealth materials with potential applications in high-temperature environments. It also highlights the future development trends for high-temperature infrared stealth materials， including the need for further investigation into the failure mechanisms of these materials， the integration of temperature control methods to meet higher-temperature stealth requirements， and the necessity to develop comprehensive stealth performance to ensure the capability of aircraft to remain stealthy in complex environments.

Graphical abstract

关键词

红外隐身 / 高温 / 低红外发射率 / 红外探测

Key words

infrared stealth / high temperature / low infrared emissivity / infrared detection

随着红外技术的发展，红外探测技术已经成为侦查军事目标的重要手段之一，在军事领域中占有举足轻重的地位。早在20世纪，以物体红外辐射为目标进行军事打击的红外制导导弹已在战场上得以应用。在现代战争中，红外探测技术越来越精确，以目标红外源制导打击的新式武器越来越先进，飞行器面临着发现即被击落的风险，因此如何在严密的监测环境下降低飞行器被探测到的可能性，提高其在复杂环境中的生存能力成为目前飞行器的一个研究重点^［1-4］。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律：E=εσT⁴（E为温度T下的红外辐射度，ε为温度T下的红外发射率，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数）^［5］，可从以下两种方式降低物体的红外辐射度：（1）降低物体的表面发射率；（2）降低物体的表面温度。虽然温度的降低可以实现物体的红外辐射度的减小，但是随着飞行器飞行速度的加快，航空发动机的推重比随之增加，导致发动机尾喷管的温度超过800 ℃，通过控温来降低红外辐射度具有一定难度^［6］。因此，一般采用遮挡、掩盖航空发动机的高温部位或表面涂覆低红外发射率材料的方法来有效降低航空发动机高温部位的红外辐射度，减小与背景辐射度的差异来实现红外隐身^［7］。物体表面的红外发射率遵循哈根-鲁本斯关系{\epsilon }_{\mathrm{e}\mathrm{m}}\left({\lambda }_{\mathrm{e}\mathrm{m}}\right)=\mathrm{4}{\left(\frac{\mathrm{\pi }{C}_{\mathrm{0}}{\epsilon }_{\mathrm{0}}}{{\lambda }_{\mathrm{e}\mathrm{m}}\sigma }\right)}^{\mathrm{1}/\mathrm{2}}（\epsilon_em为波长{\lambda }_{\mathrm{e}\mathrm{m}}的红外发射率，C_{\mathrm{0}}为真空中的光速，{\epsilon }_{\mathrm{0}}为真空介电常数，σ为电导率）^［8］，由此可知，材料的电导率越高，其表面发射率越低。红外电磁波只与物体表面百微米深度的载流子发生作用，因此可认为红外辐射是物体表面性质。针对以上特性，在物体表面涂覆低红外发射率涂层能够有效降低红外辐射度。同时，涂层具有制备工艺简单、对基体形状大小选择性低和基体质量增加不明显等优点，被学者们所青睐^［9-11］。此外，红外电磁波在大气中传播时，会被水、二氧化碳等分子吸收，因此只有特定的波段才能被利用，例如0.7~2.5，3~5，8~14 μm波段，这些波段称为大气窗口^［12］。与常温环境不同，在高温环境下，由于维恩位移定律红外辐射波段逐渐向低波段移动^［13］，温度超过800 ℃后，3~5 μm波段将成为主要的红外辐射波段。并且涂层黏结剂的使用寿命及其红外发射率都会受到高温的影响，因此，高温下不失效且保持低红外发射率是涂层材料获得高温低红外辐射特性的关键。为达到此目标，学者们对高温红外隐身材料开展了大量研究。本文对金属类、无机非金属类和结构类红外隐身材料的研究状况和红外隐身机理进行介绍，并对高温红外隐身材料未来的发展趋势进行了展望。

1 金属类红外隐身材料

红外不透明物体的红外发射率由ε=α=1-R计算，其中R，α分别为目标物体的反射率和吸收率，表明红外不透明物体的红外发射率与红外反射率成反比。金属材料虽然没有禁带，但有连续分布的能级，由于金属原子之间的弱相互作用导致电子在能级间可以自由移动，同时对红外光有强烈反射作用（图1^［14］），因此金属拥有极低的红外发射率^［14］。金属也是最早被人们所发现并用于红外隐身的材料^［14-16］。在高温环境下，金属材料表面会发生氧化和腐蚀现象，致使红外发射率增加，进而丧失红外隐身的功能。因此，如何避免金属在高温下氧化和腐蚀是目前金属材料在高温隐身领域应用的一个关键问题。目前，用于高温红外隐身的金属材料包括Au，Al，Ni，Ag，Cu，Pt等，在应用过程中通常采用涂层或薄膜形式。

1.1 金属涂层类

金属涂层类红外隐身材料通常以金属颗粒为填料，无机（如玻璃）或有机聚合物为黏结剂，通过二者混合的方式制备而成，其发射率主要受金属颗粒的类型、含量、形状、尺寸、悬浮率和黏结相的影响。

据文献报道^［17］，当金属填料的粒径在325~800目时，涂层的红外发射率随颗粒尺寸的减小而逐渐增大；当填料粒径为800~1000目时，由于Mie散射作用，红外发射率随颗粒尺寸的增大而增大；而在1000~1500目时，由于受到瑞利散射作用，粒径的增大导致散射作用增加，红外发射率减小。填料的形状对红外发射率的影响大小由高到低依次为：球状>棒状>片状^［18］。填料的悬浮率也是决定涂层发射率的关键因素^［19］。通常，随着悬浮率的提高，更多的填料悬浮在涂层表面，有利于红外光的反射，从而降低发射率。黏结相一般采用高红外透过率的黏结剂，以避免黏结剂的红外吸收增加涂层的红外发射率。黏结剂通常选用玻璃基黏结剂或树脂基黏结剂。李俊生等^［20］在航空航天用K424合金板/不锈钢基底上制备出一种耐高温低红外发射率复合涂层，该涂层由外向内依次为MgO保护层、以Au为填料的ZnO-Al₂O₃-SiO₂微晶玻璃基低红外发射率层、ZnO-Al₂O₃-SiO₂扩散阻隔层，该涂层可在700 ℃高温下连续使用120 h以上，且最大发射率不超过0.2。考虑到航空发动机的使用环境高达1000 ℃，刘海韬等^［21］对提高金属涂层使用温度和降低红外发射率开展了研究工作，他们在金属基底上利用等离子喷涂工艺制备了NiCrAlY黏结层，随后在黏结层上制备了ZrO₂过渡层，最后以AgPd合金为填料，以ZrO₂-Al₂O₃-SiO₂系玻璃为黏结剂，通过丝网印刷法制备出低红外发射率功能层。该涂层的表面粗糙度小于2.0 μm，结合强度超过10 MPa，耐受温度在1000 ℃以上，且特定波段的平均红外发射率小于0.3。该团队还突破了传统红外隐身和雷达隐身难以兼容的难题，表面用Pt为填料，Bi₂O₃-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂系玻璃为黏结剂，采用丝网印刷工艺制备了低红外发射率涂层，随后在贴片电阻型高温周期结构层与低红外发射率层中间制备了8YSZ陶瓷隔离层，Al₂O₃-Ni系吸波层和CoCrAlY金属黏结层依次被放置在隔离层的下层，涂层厚度仅为0.95 mm。对涂层室温和高温的微波反射率进行测试，结果表明，在室温条件下，9~18 GHz波段的反射率低于-4 dB，900 ℃测试条件下，9.2~18 GHz波段的反射率低于-4 dB，红外发射率（3~5 μm）为0.32，表明涂层具有优异的雷达、红外兼容隐身功能^［22］。对玻璃基黏结剂红外隐身涂层进行汇总，如表1所示^［20-22］。

与以无机物（玻璃类物质）作为黏结剂的涂层材料相比，以有机聚合物树脂作为黏结剂的涂层具有低红外吸收的特性，并伴有高的透过性。这类有机聚合物树脂通常有三元乙丙橡胶、环氧树脂、聚乙烯、有机硅和聚氨酯等^［23-25］。树脂基涂层也主要是由黏结剂和填料组成的，其红外发射率和耐温性主要取决于黏结剂和填料的特性。由于有机聚合物主要由C，O等元素组成，与无机物相比，其耐温性较差、长期使用温度不超过400 ℃、短期温度不超过600 ℃。李叶等^［26］以Al粉为填料，三元乙丙橡胶为黏结剂，采用喷涂法制备了低红外发射率涂层，该涂层可以在200 ℃下使用，且有低的红外发射率特性。当使用温度超过300 ℃，涂层内部开始出现损坏，当温度高于400 ℃，红外发射率陡增，此时涂层丧失红外隐身性能。南京航空航天大学Xu等对Al/环氧硅氧烷^［27］，Cu/聚氨酯^［28］，Al/有机硅复合涂层^［29］进行了研究。他们发现，以聚氨酯与Cu粉为黏结剂和填料制备的涂层在8~14 μm波段的红外发射率最小为0.1，该涂层的红外发射率与温度呈“U”型关系，发射率的最小值出现在380 K左右。随着Cu粉含量和涂层厚度的增加，发射率显著降低。当采用耐高温的有机硅树脂为黏结相，填料Al粉的质量分数为30%左右时，3~5 μm波段红外发射率低于0.2。而当Al粉质量分数为40%，以环氧硅氧烷作为黏结剂时，得到的涂层在8~14 μm波段的最低红外发射率为0.15。当使用温度在500 ℃以下时，复合涂层的发射率基本保持在一个较低的水平，且涂层具有较高的热稳定性和良好的抗热震性。

1.2 金属薄膜类

与金属涂层类相似，金属薄膜类也是一类常见的红外隐身材料，其主要是通过磁控溅射、物化沉积等工艺制备而成。金属薄膜的高温红外发射率主要受表面粗糙度、金属的导电率及使用温度等因素的影响。常用的金属薄膜材料有Au，Pt，Pd和Rh，具有耐高温、抗氧化等特点。美国MF公司在800 ℃的条件下对Ni基底表面沉积的Au膜的红外发射率进行了测试，结果表明，随着热处理时间的增加，红外发射率显著提高，退火20 h发射率由0.05提升到0.18。西北工业大学Huang等^［30］在Ni合金表面沉积Pt层，600 ℃退火后，Pt薄膜的晶粒尺寸随退火时间的增加而增大，直流电阻率降低，薄膜的红外发射率随着退火时间的增加而逐渐降低。当退火时间达到150 h时，3~14 μm波段的平均红外发射率为0.1左右，且Ni基合金上的 Pt薄膜在600 ℃下表现出良好的抗氧化性。而通过磁控溅射在Ni基合金表面制备的金属Au层经过高温处理后^［31］，基底Ni合金中的元素向Au膜发生扩散和氧化，致使3~14 μm红外发射率显著增加，使其失去了红外隐身特性。为了防止金属基板元素向Au低发射率层扩散，在Au与合金基体之间制备了200 nm厚的Ni膜作为扩散阻挡层来提高Au膜在高温下的耐久性^［32］。复合薄膜在600 ℃的高温环境中处理200 h后，红外发射率依旧可以维持在0.1以下，但温度升至700 ℃时，涂层红外发射率陡增至0.6。金属薄膜虽然具有优异的低红外发射率效果，在中温环境中具有一定的稳定性，但是其对基体有一定的选择性，同时存在粘接不牢固、薄膜容易起泡和脱落等问题，阻碍了其广泛应用。除此之外，薄膜长期在高温环境下工作会导致元素的扩散，减少薄膜的使用寿命，耐久性变差。

2 无机非金属类红外隐身材料

金属类红外隐身材料虽然有较低的红外发射率，但是面临着高温抗氧化性弱和抗腐蚀性差等严峻挑战。如何使红外隐身材料兼有低红外发射率、抗氧化性、抗腐蚀性等优异特性一直是红外隐身领域面临的关键性技术难题。与金属类材料相比，无机非金属材料通常具有良好的耐高温、低红外发射率、抗腐蚀特性，是目前红外隐身领域被重点关注的一类材料。根据有、无氧元素，可将无机非金属类红外隐身材料分为无机氧化物类和无机非氧化物类材料。

2.1 无机氧化物类

图2为无机氧化物类材料电子跃迁示意图和典型半导体材料红外吸收光谱图^［33］。与金属类材料不同，无机氧化类材料可以在高温环境中长时间使用，不用担心被氧化的问题。作为半导体材料的一种，通常无机氧化物的导带和价带被禁带分开，无机氧化物类材料进行掺杂后，在其禁带中引入杂质能级，降低价带的电子向导带跃迁的能量（图2（a）），增加导带的电子数量，从而增大红外的反射率，降低红外发射率。常温下电子跃迁需要的能量高、迁移速率低，因此导电性比较差，发射率较高。随着温度的升高，电子受热获得能量，迁移率增大，使得导带中的电子数量显著增加，电导率增大，所以无机氧化类材料的红外发射率也随着温度的升高而逐渐降低^［34-36］。除此以外，如图2（b）所示^［33］，在红外波段，自由载流子（电子）吸收、杂质吸收等都会对材料的红外发射率造成影响，因此可以通过掺杂调控载流子（电子）的密度和迁移速率，使无机氧化物类材料具有较低的红外发射率。目前无机氧化物类红外隐身材料按照体系划分，可以分为M_x O _y 类和ABO₃类。

2.1.1 M_x O _y 类

M_x O _y 类主要包括CeO₂，ZrO₂，ZnO和In₂O₃等无机氧化物。其中，CeO₂具有高熔点、低热导率、优异的高温电导率等优点，因此在高温红外隐身领域具有一定的应用潜力^［37］。Zhao等^［38］通过共沉淀法制备了一系列Y³⁺，Ca²⁺共掺杂CeO₂材料，其中Ce_0.8Y_0.15Ca_0.05O_2-δ 样品在600 ℃下的电导率最高，此时红外发射率最低为0.241。Bu等^［39］采用单掺杂策略，20%Y³⁺（摩尔分数，下同）掺杂CeO₂获得了低红外发射率效果，发射率为0.21。针对CeO₂本身，蒋勇等^［40］对热处理的CeO₂进行研究发现，红外发射率的降低不仅与热处理后粉体的结晶程度相关，还与晶粒尺寸的增加以及微观形貌有关。Zhou等^［41］对热处理后具有不同氧空位浓度的CeO₂红外发射率进行了表征，实验结果表明，随着热处理温度的升高，氧空位浓度增加，发射率降低。通过第一性原理计算给出的原因是，CeO₂的红外反射率和费米能级附近的能态密度峰面积随着氧空位浓度的增加而增大，从而增加了自由载流子浓度，红外发射率因此而降低。

氧化钇掺杂氧化锆（yttria-stabilized zirconia， YSZ）因具有低热导率以及与金属基底相近的热膨胀系数，在高温红外隐身涂层方面具有很大优势^［42-43］。YSZ的电导率随温度的升高而逐渐增加，在高温下具有优异的电导率，对红外电磁波有较强的反射作用，在3~5 μm波段能够显著降低红外发射率，因此YSZ也是目前红外隐身材料的研究热点之一。Campo等^［44］利用等离子喷涂法制备了YSZ涂层，并建立了涂层中孔隙率与红外辐射的关系模型。该模型认为，孔隙率的大小可以作为调控参数，当涂层具有半透明的特征且不显著散射红外辐射时，其辐射特性具有周期性的干涉振荡，并且在理论计算上得到了验证。国内学者针对YSZ在红外隐身领域的应用也开展了相关研究，电子科技大学殷举航^［45］采用等离子物理气相沉积（plasma spray-physical vapor deposition， PS-PVD）制备的涂层具有羽毛柱状沟壑，增加了对红外光的吸收，红外发射率较高。当热处理温度从室温升高至1200 ℃时，涂层的电导率增加，羽毛柱状晶间隙缩小，红外吸收减小，涂层的发射率从0.73降至0.58。当采用大气等离子喷涂（atmospheric plasma spraying， APS）制备涂层时，涂层中存在的圆形孔洞会与红外辐射发生散射效应，增大涂层的反射率，降低发射率，使得红外发射率低于PS-PVD制备的涂层。南京航空航天大学王慧慧等^［46］研究了ZnO，Al₂O₃及MoO₃单掺杂YSZ粉体在3~5 μm波段的发射率，结果表明，掺杂Al₂O₃后粉体的发射率整体上升，而掺杂ZnO及MoO₃后的8YSZ粉体发射率整体降低，单相掺杂5%的MoO₃效果最好，600 ℃下发射率最低为0.249。

除上述氧化物具有低的红外发射率外，SnO₂掺杂In₂O₃（indium tin oxide， ITO）也具有低的电阻率，可以在高温环境中稳定使用，因此ITO也成为学者们研究的一个重点。王自荣等^［47］，Sun等^［48］研究了ITO涂层的高温发射率，在700 ℃及以下温度热处理后，样品表面完整，ITO涂层仍然具有低红外发射率。在800 ℃热处理150 h后，试样表面出现少量细小裂纹及杂相，样品8~14 μm波段红外发射率迅速增加到0.59。

ZnO也是一类优异的红外隐身材料。这是因为其晶格中同时存在Zn离子间隙和氧空位，因此具有本征半导体导电特性。同时，由于优异的耐热性以及化学稳定性，使其成为性能优异的高温红外隐身候选材料之一。Guo等^［49］研究了不同形状的ZnO粉体对高温红外发射率的影响，他们分别合成了针状、铅笔状、花状和扁平状等多种形态的ZnO粉体，并且考察了其在3~5 μm波段的高温红外发射率。研究表明，从室温至800 ℃，由于颗粒之间接触面积的不同，扁平状ZnO的红外发射率最低，花状ZnO的红外发射率最高，铅笔状和针状的ZnO红外发射率介于二者之间。此外，该团队还研究了Ce掺杂ZnO的高温红外发射率^［50］，Ce掺杂ZnO粉体在同一温度下的红外发射率随Ce掺杂浓度的提高先降低后升高，当Ce为3%时，500 ℃下Ce掺杂ZnO粉体在整个测试温度范围内的红外发射率最低达0.329。

2.1.2 ABO₃类

尽管M_x O _y 类氧化物在3~5 μm波段具有低红外发射率的性能，但是在8~14 μm波段存在发射率较高、隐身效果差等问题。ABO₃钙钛矿型氧化物具有高度晶格对称性，在8~14 μm波段的红外隐身具有优势，并且通过元素掺杂可以调控ABO₃的电阻率和能带结构，满足双波段低红外发射率的要求，为其在高温隐身领域的应用提供了可能。Li等^［51］采用溶胶凝胶法制备了Al³⁺掺杂SrZrO₃材料，通过理论计算与实验揭示了能态密度与红外发射率之间的关系。结果表明，费米能级附近能态密度越高，载流子更易跃迁到导带中增加导电性，红外发射率越低。Al³⁺掺杂浓度为14%时，材料在590 ℃下3~5 μm波段红外发射率为0.256，550 ℃下8~14 μm波段红外发射率为0.383。同样具有ABO₃结构的LaMnO₃由于较高的掺杂容忍度和独特的电子输运性质也成为学者们的一个研究热点。Shen等^［52］考察了K⁺，Na⁺掺杂对LaMnO₃材料高温红外发射率的影响。由于体系中的不成对电子浓度减小，自发极化增强了偶极矩的振动，K⁺，Na⁺掺杂样品在8~14 μm波段出现了新的红外吸收峰，因此红外发射率较高。刘嘉玮等^［53］测试了Ba²⁺掺杂LaMnO₃材料的红外发射率，结果表明，当Ba掺杂量为30%时，La_1-x Ba _x MnO₃材料获得了最低的红外发射率，与材料的电导率规律保持一致，3~5 μm和8~14 μm波段发射率分别为0.776和0.818。

2.2 无机非氧化物类

与无机氧化物类材料相比，无机非氧化物类材料是一类不含氧元素的化合物，也是一类常见的红外隐身材料。其主要包括碳化物、氮化物、硼化物等。这类化合物通常具有高熔点、高电导率和优异的化学稳定性，在高温红外隐身领域具有一定的应用潜力。ZrB₂是一种具有类金属导电性的无机非氧化物类材料，由于B原子中未参加杂化的p电子之间以离域大π键结合，Zr原子轨道存在未成键的d轨道电子，因此ZrB₂中含有大量可自由移动的电子^［54-57］。张敏^［58］通过计算得出，在ZrB₂的能带结构中部分导带与价带重叠，费米能级处具有电子态密度，证实了ZrB₂具有类金属性质。同时，ZrB₂具有高熔点的特性，这有利于在极端环境中使用。Zhang等^［59］使用磁控溅射法制备了ZrB₂薄膜，在真空环境下1000 ℃退火10 h后，薄膜具有较高的热稳定性和低红外发射率 （3~5 μm时为0.05，8~14 μm时为0.01）。此外，随着退火温度的升高和退火时间的延长，薄膜致密化程度增加，晶粒长大，电阻率和红外发射率降低。

MXene是由过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成、由MAX相处理得到的二维材料。MAX相的具体分子式为M _n+1AX _n （n=1，2，3），其中M为前几族的过渡金属，A为主族元素，X为C和/或N元素，通过刻蚀作用将A从MAX相中移除，就可形成MXene二维结构。这种独特的结构为电子提供了运输导电通道，因此MXene在电导率方面表现出色，对降低红外发射率有积极效果。Li等^［60］制备了一种超薄MXene薄膜（低至1 μm），该薄膜的红外发射率仅为0.19，与不锈钢相当，远低于石墨烯等其他二维纳米材料。此外，该薄膜具有优异的耐高低温性能和防火稳定性，在-10~500 ℃内可以稳定使用。

3 结构类红外隐身材料

由于材料本身固有属性的局限性，利用改变材料方式来提高其在某一特定频段的隐身特性可能受到一定制约。结构类红外隐身材料是在不改变材料固有属性的基础上，通过改变结构的尺寸、形状、排列和组合方式形成来实现隐身的目标。与上述基于材料的特性调控红外电磁波性能相比，基于结构调控实现红外隐身性能是现代红外隐身材料发展的最新成果。其可以精准地调控红外电磁波特性，例如在3~5 μm和8~14 μm红外波段可实现超低红外发射率的红外隐身特性，在5~8 μm非探测波段可实现高红外发射率的辐射散热性能，体现了红外隐身材料由材料级到结构级的思路转化。尽管结构类红外隐身材料可以通过光学参数的设计具备超低的红外发射率，但是材料存在耐温性差、氧化和导热等问题，制约着结构类红外隐身材料在高温下的使用。此外，这类材料制备工艺复杂，仍然停留在实验室阶段，距离实际应用还有一定的距离。目前常见的结构类红外隐身材料主要有光子晶体类材料和超构表面类材料。

3.1 光子晶体类

光子晶体是具有不同介电常数的材料通过周期性排列而形成的一类人工合成晶体材料。其在红外隐身领域的应用主要是利用限定的光子带隙对红外电磁波形成选择性光栅，从而实现红外波段的高反射作用^［61-64］。根据基尔霍夫定律，材料的透射率一定时，物体的反射率越高发射率越低^［65］。因此，光子晶体可以通过筛选材料和结构设计来调控带隙，进而实现低红外发射率特性^［66］。

Zhang等^［67］在石英基底上交替沉积制备Ge/ZnS一维光子晶体，该材料在3~5 μm波段下平均发射率不超过0.052。为了提高光子晶体材料的耐温性，Zhang等^［68］进一步采用高真空电子束技术制备了Si/SiO₂一维光子晶体，其在3~5 μm波段的平均红外发射率低至0.076，能够在300 ℃以下的环境中稳定使用（图3）。为了使光子晶体能够在更高温度下使用，Zhu等^［69］将Ge/ZnS光子晶体与隔热的气凝胶搭配使用，来实现高温下的红外隐身。该材料利用在3~5 μm和8~14 μm波段的低红外发射率特性来实现红外伪装，利用在5~8 μm波段高发射率实现辐射散热。在目标温度为873 K时，表面温度只有410 K，在623 K下保持1 h后材料的性能仍然稳定。该团队还基于表面硫化锌单层减反层和锗/硫化锌一维光子晶体^［70］，在红外波段实现了超低的红外发射率，在375 K时，3~5 μm和8~14 μm的红外发射率分别为0.11和0.12，在非红外探测窗口的红外发射率为0.61，该结构在50~300 ℃的范围内可以稳定使用。考虑到金属薄膜在高温环境下性能不稳定等因素，Wang等^［71］采用传输矩阵和遗传算法设计了由三种耐高温材料（SiO₂，TiO₂和Ge）交替组成的12层光子晶体结构，在两个探测窗口的红外发射率都低于0.25，非探测窗口的红外发射率高于0.85，实现了对材料红外发射率的有效调控。

3.2 超构表面类

超构表面类材料是一种将亚波长量级的结构单元通过合适方式在平面内排列而成的新型人工复合材料。与光子晶体类材料相比，两者共同点是都有周期性排列的微纳结构，可实现在大气窗口波段低的红外发射率、非大气窗口波段高的红外发射率。两者不同之处在于，光子晶体类材料是基于光子带隙对光进行调控，而超构表面类材料则是基于电磁谐振原理，通过表面排布超构原子阵列与红外电磁波发生相互作用，实现对红外电磁波的调控，从而使其获得低红外辐射效果。

依据以上原理，Lee等^［72］设计了一种Au-ZnS-Au三层超表面结构来调控红外发射率，通过优化结构的性能参数，实现了在3~5 μm和8~14 μm大气窗口波段低红外发射率，而在非大气窗口高红外发射率的特征。该结构在600 K下的红外伪装能力是Au的9.6倍，是黑体的19.6倍。为进一步提高超构表面材料的耐热性，Kim等^［73］基于金属-绝缘体-金属结构（metal-insulator-metal， MIM），设计了一种Ag-PI-Ag双波段超构表面材料用于高温红外隐身。MIM结构表面6.2 μm处的磁极化激元共振峰用来抑制物体的长波和中波红外信号，抑制率达92%以上，并且在室温到500 ℃的范围内保持双波段红外信号抑制率大于90%。为应对多波段探测的难题，Pan等^［74］设计出了Si-GST-Au超构表面材料，成功实现红外隐身、辐射制冷、红外激光隐身和可见光迷彩隐身多功能一体化，其中红外隐身方面，3~5 μm和8~14 μm红外大气窗口的辐射率分别为0.25和0.33，5~8 μm红外非探测波段的辐射率为0.77，在实现红外隐身的同时实现了有效散热。Zhao等^［75］设计了一种用于激光和红外隐身的周期凹槽与不同尺寸的空腔和圆盘组成的全金属微纳结构，该结构可将3~5 μm波段红外信号在450~1000 K范围内降低80%，将8~14 μm波段的红外信号从室温到1000 K的范围内降低90%。

基于以上各类高温红外隐身材料的综述，将典型的高温红外隐身材料进行了归纳，如图4所示。金属类红外隐身材料拥有低红外发射率，满足红外隐身的需求，但是只能在中高温下短时间使用，容易氧化且不耐腐蚀。无机氧化物类材料在耐高温、抗氧化和耐腐蚀方面具有优势，在3~5 μm波段可以实现低红外发射率，但是其8~14 μm波段发射率较高，容易使目标暴露在红外探测器下，丧失红外隐身性能。无机非氧化物类材料只能在较低温度下使用，在高温环境中同样存在不耐氧化、腐蚀等问题，影响红外发射率。结构类红外隐身材料作为理想的红外隐身材料，可以在双波段实现超低的红外发射率，但是其耐温性不足，只能在不高于500 ℃下使用，并且制备工艺复杂。

4 结束语

飞天巡洋，动力先行。作为飞机“心脏”的航空发动机在航空科技的发展过程中起着关键性作用。伴随着航空发动机向高推重比、高涵道比、高涡轮进口温度方向发展，发动机热端部件的工作温度越来越高，其红外隐身性能将面临巨大的挑战，研制并发展高性能的高温红外隐身材料迫在眉睫。目前，尽管很多学者做了大量基础性研究工作，但是高温红外隐身材料并不能完全满足实际环境的应用需求。金属材料虽然有较低红外发射率，但在有氧环境中易被氧化，导致发射率升高，且发射率随温度的升高而迅速增大，导致红外隐身功能失效；无机氧化物类材料在高温环境中只能在单波段内满足低红外发射率的要求；无机非氧化物体系材料在高温环境中同样面临高温氧化而导致隐身性能失效问题；结构类红外隐身材料虽然可以兼容多波段，但往往存在制备工艺复杂、耐温性严重不足等问题。因此，发展可适用于高温极端服役环境的低红外发射率材料，满足日益更新的武器装备、航空航天飞行器的隐身性能需求，具有重要的科学意义和军事应用价值。本文结合当前高温红外隐身材料的研究现状，对今后的研究方向进行了总结和展望。未来还将在以下3个方面继续开展工作：（1）对耐高温红外隐身材料的失效分析还需进一步研究。目前虽然有些低红外发射率涂层的耐温性得到了保证，但是在复杂的高温环境下仍存在许多不可忽视的问题，例如材料的抗热震性能、耐腐蚀性能和抗冲击性能对隐身性能的影响。目前相关的工作开展较少，缺乏系统化的研究结果，不利于高温红外隐身材料的工程应用。（2）当前高温红外隐身材料研究的重点大多集中于降低表面红外发射率，为使其在更高温度下服役，需将降低红外发射率与控温手段相结合，例如将辐射散热功能与低红外辐射功能耦合，可以显著降低材料表面温度，实现更为高效的红外隐身。（3）目前航空发动机隐身的需求越来越高，综合隐身性能需求已经成为发展的必要趋势。例如红外隐身与雷达隐身、激光隐身兼容等。此外，将材料的隐身功能与轻质、承载、防隔热功能一体化设计也是隐身材料发展的趋势和目前学者们研究的一个热点，因此有必要开展上述工作来提高飞行器在复杂监测环境下的隐身能力和极端恶劣环境下的适应能力。

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