红外隐身技术通过隐藏目标的特征以防止热探测,从而提升其生存能力。由于所有温度高于0 K的物体都会发射红外辐射,即使在恶劣天气条件下也能被红外相机探测到,因此降低其热信号至关重要。根据斯特藩-玻尔兹曼定律,物体的热辐射与其表面发射率及其绝对温度的四次方成正比。因此,实现有效红外隐身的两种主要策略是降低表面发射率和调控温度。过去十年中,热红外技术取得了显著进展,主要可分为两类方法:被动式方法,例如低发射率材料、隔热气凝胶以及可调节温度的相变材料;以及主动式方法,如电控红外发射率调制技术。尽管在用于红外隐身的功能材料方面已取得诸多进展,包括被动式温度调控以及静态或动态发射率调控,但在不同高温条件下实现有效隐身仍是一项重大挑战。在极端高温环境下,低发射率材料、基于相变材料的相变复合材料以及电致变色器件容易发生热降解、氧化和结构失效,从而导致其性能下降。例如,相变复合材料在经历多次高温循环后可能发生分解,使其潜热容量和温度调控能力显著减弱。同样,电致变色器件常因电解质热稳定性有限而在高温下失效。虽然气凝胶可提供直接的高温隔热效果,但其隐身效能受限于气凝胶基体内部固有的热传导,最终会增强目标红外信号的可探测性。
为应对在不同环境下实现高温红外隐身的挑战,我们设计了一种三明治结构的相变复合材料,该材料智能地集成了被动式温度调控与主动式红外发射率控制功能。该复合材料由三层功能层构成:底层为各向异性聚酰亚胺(PI)气凝胶,中间层为各向异性PI气凝胶/聚乙二醇(PEG)复合相变材料,顶层则采用基于可逆铜电沉积的电致变色器件,并以环氧树脂作为粘合剂。底层的各向异性PI气凝胶作为抵御高温热源的第一道防线,具有高孔隙率(93.3%)、低热导率(29.7 mW·m⁻¹·K⁻¹)以及优异的热稳定性,其热分解温度超过560.58 °C。中间层的PI气凝胶/PEG相变复合材料提供热缓冲效应:当温度超过PEG的熔点(Tm)时,其固–液相变过程吸收热量,延缓温度上升;同时,气凝胶网络作为支撑骨架,有效防止液态PEG泄漏,确保材料保持稳定的高潜热容量(157.4 J·g⁻¹)。顶层的电致变色层可动态调控表面红外发射率。通过铜的可逆沉积与剥离,该层可在低发射率与高发射率状态之间切换,从而适应环境变化,在2.5–14 μm波段实现强大的光谱调控能力。该层在中波红外(3–5 μm)和长波红外(8–14 μm)波段分别实现了高达0.72和0.69的红外发射率对比度(Δε),具备快速响应速度(着色时间:4.8 s,褪色时间:1.21 s),并在400次循环后仍保留76.24%的性能容量。得益于三层结构的协同作用,所开发的三明治结构相变复合材料展现出卓越的高温红外隐身性能:其最高使用温度可达300 °C;当置于200 °C的加热板上时,表面热辐射温度仅维持在26.2 °C。此外,顶层可切换的发射率赋予材料优异的环境适应性。与采用静态低发射率顶层的传统复合材料不同,本设计能够动态调节其热辐射特征,以匹配周围环境,展现出智能化的红外隐身能力。不同于静态伪装材料,本系统可通过电信号编程,在不同红外发射率状态间切换,从而动态调整其热辐射特征,以模拟不同背景或在特定环境中最小化被探测的可能性。该研究成果可广泛用于开发智能、环境自适应的热管理系统,以实现在严苛多变场景下的高效红外伪装。

北京化工大学材料科学与工程学院博士研究生赵静为论文的第一作者,汪晓东教授和刘欢副教授为本论文的共同通讯作者,北京化工大学为唯一完成单位。该项研究工作得到了北京市自然科学基金的支持。
原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202530991