自適應(yīng)可見-紅外偽裝與大范圍輻射控制極端環(huán)境溫度

論文信息：

Yixiang Huang, Huanzheng Zhu, Yiwei Zhou, Cenzhen Dai, Rongxuan Zhu, Pintu Ghosh, Min Qiu and Qiang Li, Adaptive visible-infrared camouflage with wide-range radiation control for extreme ambient temperatures, PhotoniX 6, 25 (2025).

論文鏈接：https://doi.org/10.1186/s43074-025-00184-5

研究背景

隨著現(xiàn)代偵察技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是在多波段（如可見光、紅外、毫米波等）探測手段日益集成化的背景下，傳統(tǒng)的單一波段偽裝技術(shù)已難以滿足復(fù)雜多變的環(huán)境需求。尤其是在極端溫度環(huán)境下，如沙漠地區(qū)，晝夜溫差可超過60 °C，目標(biāo)在可見光和紅外波段的顯著性都會(huì)發(fā)生劇烈變化，因此亟需發(fā)展一種能夠同時(shí)適應(yīng)可見光和紅外波段、并能在寬溫范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的自適應(yīng)偽裝技術(shù)。現(xiàn)有的自適應(yīng)偽裝技術(shù)大多局限于單一波段（如僅可見光或僅紅外）的動(dòng)態(tài)控制，或在多波段控制中存在耦合問題，導(dǎo)致可見光顏色與紅外輻射特性難以獨(dú)立調(diào)節(jié)。此外，大多數(shù)研究僅通過調(diào)節(jié)發(fā)射率或表面溫度中的一種方式來實(shí)現(xiàn)紅外偽裝，這在極端溫度環(huán)境下的調(diào)控范圍有限，難以實(shí)現(xiàn)有效的熱隱身。因此，開發(fā)一種能夠在寬溫度范圍內(nèi)獨(dú)立、動(dòng)態(tài)地調(diào)控可見光顏色與紅外輻射特性的集成化偽裝平臺，具有重要的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。

研究內(nèi)容

本文研究提出了一種面向極端環(huán)境的多層結(jié)構(gòu)可見光-紅外自適應(yīng)偽裝器件（TCM-MWG-TED），該器件由上層的熱致變色（TCM）層、中層的多壁碳納米管（MWCNT）基發(fā)射率-電致變色三層結(jié)構(gòu)，以及底層的熱電制冷器（TED）組成。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可見光顏色與紅外輻射特性的解耦控制，具備在極端溫度環(huán)境下（如沙漠）進(jìn)行動(dòng)態(tài)偽裝的能力。

該自適應(yīng)可見光-紅外偽裝的原理如圖1所示，圖1(a)所示為沙漠環(huán)境中白天（有無植被）和夜晚的偽裝需求，指出目標(biāo)需在不同背景下調(diào)整顏色和輻射溫度。圖1(b)所示為通過輻射溫度與表面溫度和發(fā)射率的關(guān)系圖，說明了通過協(xié)同調(diào)控發(fā)射率和表面溫度可實(shí)現(xiàn)更寬的輻射溫度調(diào)控范圍（如從40 °C降至-40 °C）。圖1(c)所示為該器件的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上層負(fù)責(zé)可見光顏色變化，下層負(fù)責(zé)紅外輻射調(diào)控。圖1(d)所示則通過與其他研究的對比，突出了本器件在輻射溫度調(diào)控范圍上的優(yōu)勢。這些圖像共同表明，本研究通過解耦設(shè)計(jì)和多層集成，實(shí)現(xiàn)了在極端環(huán)境下的寬范圍、多波段自適應(yīng)偽裝。

圖1.寬范圍輻射控制自適應(yīng)可見-紅外偽裝原理；(a)在白天（有和沒有植被）和夜間極端溫度的沙漠環(huán)境中自適應(yīng)可見-紅外偽裝的插圖；(b)紅外輻射的控制機(jī)制：物體的輻射溫度與表面溫度和發(fā)射率呈正相關(guān)。發(fā)射率和表面溫度的聯(lián)合調(diào)節(jié)使輻射溫度控制的范圍更廣；(c) VIS和IR雙頻兼容多層結(jié)構(gòu)示意圖，其中上層具有動(dòng)態(tài)可見顏色特性和高紅外透明度，下層具有動(dòng)態(tài)紅外輻射；(d)與以往VIS-IR自適應(yīng)偽裝的比較。

然后本文研究進(jìn)行了器件結(jié)構(gòu)與性能設(shè)計(jì)。該可見-紅外自適應(yīng)偽裝器件（圖2(a)所示）主要由三部分構(gòu)成：一是約20 μm厚的熱致變色（TCM）層；二是由多壁碳納米管（MWCNT）、水性聚氨酯-離子液體（WPU-IL）及石墨電極組成的三明治結(jié)構(gòu)（總厚度數(shù)百微米）；三是厚度數(shù)毫米的熱電器件（TED）。在可見光偽裝方面，紅外透明的TCM層在28 °C時(shí)實(shí)現(xiàn)從綠色到黃色的顏色轉(zhuǎn)換，溫度由底部TED調(diào)控；在紅外偽裝方面，通過MWCNT基結(jié)構(gòu)電調(diào)控發(fā)射率，結(jié)合TED調(diào)控表面溫度，協(xié)同實(shí)現(xiàn)輻射溫度調(diào)節(jié)。整體器件厚度僅數(shù)毫米，實(shí)現(xiàn)了可見與紅外偽裝功能的緊湊集成。其熱致變色（TCM）層性能為，通過TCM層的可見光圖像與反射光譜顯示（圖2(b)所示），當(dāng)溫度達(dá)到28 °C時(shí)，其反射峰從563 nm偏移至582 nm，對應(yīng)顏色從綠色變?yōu)辄S色。該TCM化合物由結(jié)晶紫內(nèi)酯、雙酚A、1-十四烷醇組成的藍(lán)色透明TCM溶液，添加無機(jī)α-FeOOH黃色顏料后，通過絲網(wǎng)印刷工藝在nanoPE基底上形成約7 μm厚的薄膜。在8-14 μm紅外波段，TCM層在顏色轉(zhuǎn)換前后均保持約0.83的高透過率（圖2(c)所示），表明熱切換過程中的寄生吸收可忽略不計(jì)。其MWCNT基紅外調(diào)控結(jié)構(gòu)性能為，在MWCNT/WPU-IL/ 石墨電極（MWG）結(jié)構(gòu)中，10 μm厚的隨機(jī)分布 MWCNT薄膜（圖2(d)所示）兼具發(fā)射率調(diào)控層與電極功能，其隨機(jī)取向消除了各向異性光學(xué)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)角度無關(guān)的紅外調(diào)制。石墨紙電極確保高導(dǎo)電性與穩(wěn)定性，中間的WPU-IL凝膠電解質(zhì)（含1-乙基-3-甲基咪唑雙（三氟甲磺酰基）亞胺（EMIM:TFSI）離子液體）則促進(jìn)離子遷移。MWCNT 薄膜的發(fā)射率與其直流導(dǎo)電性強(qiáng)相關(guān)，通過施加電壓可誘導(dǎo)陰離子或陽離子注入/抽出，從而調(diào)節(jié)導(dǎo)電性與發(fā)射率（圖2(e)所示）。在0 V時(shí)，MWCNT薄膜發(fā)射率約為0.73；施加±5 V電壓時(shí)，發(fā)射率可降至約0.23，emissivity差值達(dá)0.50。而TCM層與MWCNT基結(jié)構(gòu)結(jié)合形成的TCM-MWG結(jié)構(gòu)（圖2(e)所示紅線），其發(fā)射率調(diào)控范圍為0.44-0.84，差值保持0.40，紅外發(fā)射光譜（圖2(f)所示）進(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)果。其熱電器件（TED）性能為TED上表面溫度（Tc）與施加電流呈強(qiáng)相關(guān)性（圖2(g)所示），三條曲線分別對應(yīng)不同散熱片溫度（Ths）下的溫度變化（通過水循環(huán)維持散熱片溫度恒定）。即使在高溫環(huán)境下（圖2(g)所示黃線），TED表面溫度仍可降至10 °C，為極端環(huán)境下的溫度調(diào)控提供了保障。

圖2. 自適應(yīng)可見-紅外偽裝器件的設(shè)計(jì)；(a) TCM-MWG-TED器件的結(jié)構(gòu)示意圖；(b) TCM層的可見光譜及其對應(yīng)的圖像；(c) TCM層在顏色變化前后，在8-14 μm波段的透射光譜；(d) 隨機(jī)分布的多壁碳納米管（MWCNT）網(wǎng)絡(luò)表面形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約79%）；(e) MWG（黑色圓形）和 TCM-MWG（紅色三角形）在8-14 μm波段的平均發(fā)射率隨施加在MWCNT薄膜上的偏壓變化的關(guān)系曲線；(f) MWG（黑色曲線）和TCM-MWG樣品（紅色曲線）在無偏壓（實(shí)線）和有偏壓（虛線）條件下的發(fā)射率對比；(g) 熱電器件（TED）上表面溫度（Tc）與施加電流之間的實(shí)驗(yàn)測量及擬合關(guān)聯(lián)曲線，其中散熱片溫度（Ths）通過散熱片內(nèi)部的水循環(huán)維持恒定。

其次本文研究進(jìn)行了器件光學(xué)性能驗(yàn)證。圖3(a)所示以二維四邊形區(qū)域展示了器件在理論上的輻射溫度、表面溫度和發(fā)射率之間的關(guān)系，并標(biāo)出了綠色和黃色對應(yīng)的溫度區(qū)間；圖3(b)所示為通過四個(gè)極端狀態(tài)（I-IV）的紅外與可見光圖像，展示了通過溫度和發(fā)射率調(diào)控實(shí)現(xiàn)的輻射溫度變化范圍可達(dá)67.7 °C，同時(shí)可見光顏色可根據(jù)表面溫度自動(dòng)切換。此外，狀態(tài)V和VI展示了相同輻射溫度下不同的表面溫度和顏色，進(jìn)一步證明了可見光與紅外波段的可獨(dú)立調(diào)控性。這些圖像表明，該器件不僅在理論上具備寬范圍調(diào)控能力，實(shí)驗(yàn)中也實(shí)現(xiàn)了與理論高度一致的多波段偽裝效果。

圖3. TCM-MWG-TED器件的光學(xué)性能；(a) TCM-MWG-TED器件的理論可見-紅外（VIS-IR）調(diào)制范圍；該結(jié)果展示了目標(biāo)輻射溫度（縱軸，y軸）、表面溫度（橫軸，x軸）與發(fā)射率（紅線：黑體；橙線：發(fā)射率ε=0.84；黃線：發(fā)射率ε=0.44）三者之間的關(guān)系；彩色四邊形代表理論紅外輻射范圍及可見光外觀；(b) TCM-MWG-TED器件的實(shí)驗(yàn)性能；狀態(tài)I、II、III、IV定義了調(diào)控區(qū)間的邊界，其中（I-II、III-IV）代表溫度調(diào)控，（I-III、II-IV）代表發(fā)射率調(diào)控；不同的紅外調(diào)控方式對應(yīng)不同的調(diào)控范圍，兩種方式結(jié)合可實(shí)現(xiàn)最大調(diào)控范圍（I-IV），達(dá)67.7 °C；狀態(tài)V與狀態(tài)VI的輻射溫度幾乎相同，但表面溫度和可見光外觀存在差異。

本文研究最后進(jìn)行了沙漠環(huán)境與多像素器件偽裝性能表征。為直觀展示器件在可見與紅外波段的偽裝性能，構(gòu)建了模擬沙漠背景以模擬不同極端環(huán)境。在夜間低溫沙漠環(huán)境中（圖4(a)和(d)所示），器件表面顏色變?yōu)樯罹G色，融入昏暗背景以規(guī)避可見光探測，同時(shí)向TED施加正向電流顯著降低目標(biāo)表面溫度，確保在紅外波段與寒冷沙漠背景融合；在白天高溫沙漠環(huán)境中（圖4(b)和(e)所示），受TED與背景熱量影響，器件表面切換為黃色，匹配沙土背景顏色，同時(shí)施加負(fù)向電流使TED表面溫度升高至接近環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)紅外熱偽裝；當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入沙漠綠洲環(huán)境時(shí)（圖4(c)和(f)所示），器件在28 °C以下呈現(xiàn)綠色以融入植被背景，并通過調(diào)控表面溫度與發(fā)射率規(guī)避紅外相機(jī)探測。綜上，該器件不僅能在沙漠晝夜高低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)紅外偽裝，還能通過主動(dòng)熱致變色實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場景下的可見光偽裝，為復(fù)雜環(huán)境中的目標(biāo)提供全面保護(hù)。

并且為進(jìn)一步提升功能，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了13 cm×13 cm、具備可見光偽裝圖案且紅外多像素動(dòng)態(tài)調(diào)控的器件，如圖5(a)所示，用于可見光兼容的紅外自適應(yīng)偽裝。所有器件像素共享公共石墨接地對電極，WPU-IL凝膠電解質(zhì)促進(jìn)離子遷移；頂電極為4×4可調(diào)控發(fā)射率的 MWCNT 薄膜陣列，由上方柔性聚酰亞胺電路（FPC）提供穩(wěn)定電壓。器件表面覆蓋透過率約0.85的可見光偽裝圖案，在可見光波段可呈現(xiàn)與綠洲、森林、草原等自然環(huán)境融合的偽裝圖案，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)可見光隱蔽；在紅外波段，該4×4動(dòng)態(tài)陣列可實(shí)現(xiàn)可逆顯示（圖5(b)-(d)所示），通過向選定像素組施加電壓，可模擬“F”“H”等字母形狀的虛假紅外目標(biāo)，且像素邊界清晰，各像素可獨(dú)立調(diào)制且不受相鄰像素干擾。該多像素器件不僅驗(yàn)證了大面積制造的可行性，還在自適應(yīng)偽裝、信息加密等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

圖4.不同沙漠環(huán)境下的自適應(yīng)偽裝演示；(a)、(b)、(c)（可見光偽裝效果）與(d)、(e)、(f)（紅外偽裝效果）分別對應(yīng)沙漠白天與夜間場景下的同步紅外偽裝。

圖5.多像素器件的自適應(yīng)偽裝效果；(a) 多像素器件的可見光圖像；(b) 多像素器件初始狀態(tài)下的紅外（IR）圖像；(c)、(d) 當(dāng)向不同像素組施加電壓時(shí)，多像素器件可顯示具有可逆性的圖案，分別為字母“F”（圖(c)）和字母“H”（圖(d)）。

結(jié)論與展望

綜上所述，本研究通過設(shè)計(jì)并制備了一種集熱致變色層、MWCNT基發(fā)射率調(diào)控結(jié)構(gòu)和熱電制冷器于一體的多層可見光-紅外自適應(yīng)偽裝器件，成功實(shí)現(xiàn)了在極端溫度環(huán)境下的寬范圍、多波段動(dòng)態(tài)偽裝。通過協(xié)同調(diào)控發(fā)射率和表面溫度，器件的輻射溫度調(diào)控范圍可達(dá)67.7 °C，遠(yuǎn)超單一調(diào)控方式的極限；且該器件具備在28 °C時(shí)從綠色到黃色的可見光顏色切換能力，并能與不同背景融合；通過展示多像素器件的動(dòng)態(tài)紅外圖案顯示能力，體現(xiàn)了其在信息加密和復(fù)雜場景適應(yīng)方面的潛力。本研究為多波段自適應(yīng)偽裝技術(shù)的發(fā)展提供了新的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)路徑，具有較強(qiáng)的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。