浙大李强等：一种集成红外选择性辐射器，实现高温多波段隐身及高效热管理

研究背景

随着现代探测技术和成像技术的不断发展，红外和微波波段的兼容隐身技术对于提高关键目标的隐蔽性、生存能力和使用寿命至关重要。并且，许多关键目标常常工作在高温坏境中，在整个红外波段热辐射强烈。而传统隐身材料在高温下容易失效，且难以同时兼顾多个红外波段，包括短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)、长波红外(LWIR)，和微波隐身的需求。此外，过高的温度会导致材料性能下降甚至损坏，这使得高温目标的热管理也是一个亟待解决的问题。

High-Temperature Stealth Across Multi-Infrared and Microwave Bands with Efficient Radiative Thermal Management

Meng Zhao, Huanzheng Zhu, Bing Qin, Rongxuan Zhu, Jihao Zhang, Pintu Ghosh, Zuojia Wang, Min Qiu, Qiang Li*.

Nano-Micro Letters (2025)17: 199

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01712-5

本文亮点

1. 隐身性能飞跃：研究团队成功实现了在高温(700°C)下，同时覆盖短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)、长波红外(LWIR)和微波(X波段)的隐身效果。这一多波段隐身能力在高温环境下具有突破性意义。

2. 热管理技术革新：该设备在高温条件下展现出卓越的热管理性能。在相当于马赫数2.2的气动加热输入功率下，设备表面温度较传统低辐射率金属钼表面降低了72.4°C，显著提升了高温目标的热稳定性。

 3. 应用前景广阔：通过集成红外选择性辐器和微波吸波超表面，研究团队巧妙地实现了多波段隐身与热管理的双重目标，为极端环境下的多光谱信息处理和热管理提供了重要的理论和实践指导，可以广泛应用在航空航天等重要领域。

内容简介

在航空航天领域，高温目标的隐身技术对于提高关键资产的隐蔽性、生存能力至关重要。浙大李强等设计了一种集成红外选择性辐射器(Mo/Si多层膜)和微波超表面(TiB₂-Al₂O₃-TiB₂)的复合结构。这种结构能够在700 °C的高温下实现多红外波段和微波波段的隐身效果。具体来说，该设备在中波红外(MWIR)、长波红外(LWIR)和短波红外(SWIR)波段的辐射率分别为0.38、0.44和0.60，在X波段(9.6-12 GHz)的反射损耗低于-3 dB，同时在5-8 μm波段具有高辐射率0.82，对应于9.57 kW/m2的冷却功率。在相当于马赫数2.2的气动加热输入功率下，设备表面温度较传统低辐射率金属钼表面降低了72.4°C，显著提升了高温目标的热稳定性。

图文导读

I 高温多红外带和微波隐身原理

高温物体可能受到外部热源(如气动加热)或内部热源(如排气喷管加热)的影响。图1a展示了高温目标被红外相机(包括SWIR、MWIR和LWIR三个波段)和雷达系统检测的概念图。图中左侧展示了外部热源(区域I)和内部热源(区域II)的加热情况，右侧则对比分析了不同红外隐身策略的优劣，绿色虚线框表示更优的性能。其中，绝热策略在外部热源作用时失去红外隐身效果，宽波段低辐射率涂层则不能兼容有效的热管理，而红外选择性辐射器无论在内部还是外部热源作用下，都可以达到有效的红外隐身，并且兼容热管理功能。图1b展示了红外探测波段与辐射冷却波段黑体辐射强度随温度变化的情况。当温度超过623 K时，MWIR波段的辐射强度超过了LWIR波段，而在935 K时，SWIR波段的辐射强度超过了LWIR波段。这表明在高温下，抑制短波长辐射对于有效的红外隐身至关重要。此外，文章还分析了两个辐射冷却波段(2.5–3 μm和5–8 μm)的辐射强度，发现这些波段的辐射强度相当可观。例如，在973 K时，物体可以通过结合辐射冷却波段RC1和RC2的功率贡献实现约17.2 kW/m2的理论辐射散热功率密度极限。这表明通过非大气窗口的辐射散热在冷却高温物体方面具有巨大潜力。通过分析，得到了图1c所示的理想光谱，即在三个红外探测波段具有低辐射率，在两个辐射散热波段具有高辐射率，同时微波波段具有高吸收率。

图1d展示了在不同加热功率下，低辐射率表面(ε = 0.3)有无辐射冷却窗口(RC1和RC2)时的表面温度和辐射温度变化。结果表明，有热管理的表面温度明显低于无热管理的表面温度。在15 kW/m2的加热功率下，有热管理的表面温度为619 K，比无热管理的表面温度低65 K。随着加热功率的增加，这种温度差异进一步扩大。在25 kW/m2时，有热管理的表面温度为749 K，比无热管理的表面温度低98 K。相应地，有热管理的表面的辐射温度也显著较低。在25 kW/m2时，其辐射温度为555 K，比无热管理的表面低72 K。这些结果表明，热管理可以通过降低表面温度显著提高红外隐身性能。

图1.(a)在内外热源影响下，高温目标被红外相机，微波雷达探测示意图(左)以及三种红外隐身策略效果对比(右)，包括绝热、宽波段红外低辐射率、红外选择性辐射器；(b)SWIR、MWIR、LWIR波段以及2.5–3 μm和5–8 μm非大气窗口波段黑体辐射强度随温度的变化；(c)理想红外与微波隐身的光谱特性；(d)热管理对表面温度及辐射温度的影响。

II 结构设计及红外光谱表征

文章设计的高温多红外和微波隐身结构由红外选择性辐射器和微波超表面组成，如图2(a)所示。红外选择性辐射器由Al₂O₃(17 nm)/Si(390 nm)/Mo(18 nm)/Si(700 nm)/Mo(50 nm)/Ti(10 nm)多层膜组成，沉积在四个尺寸为102 mm×102 mm、厚度为h₁ = 2.3 mm的Al₂O₃基底上。顶部的Al₂O₃层作为保护层，防止水分渗透多层膜并在高温下蒸发时导致缺陷。底部的Ti层作为粘附层，增强多层膜与基底之间的粘附强度。多层膜经过激光蚀刻，周期为l = 500 μm，线宽为w = 15 μm，如图2b中的显微镜图像所示。激光蚀刻过程具有高精度，对结构特性(如表面粗糙度)的影响可以忽略不计，允许微波透过而不影响红外性能。

经过参数优化后，微波超表面由周期性排列的TiB₂方块(周期p = 12 mm，边长d = 4.5 mm，厚度h₂ = 0.5 mm)、厚度为h₃ = 1 mm的Al₂O₃中间层和厚度为h₄ = 1 mm的TiB₂反射背板组成。超表面通过在X波段实现阻抗匹配来实现吸收，反射损耗也进行了测量。组件使用高温胶粘合。文章展示了所制备的整体结构的顶部和侧面视图，如图2b所示。

所有用于该结构的材料(Si、Mo、Ti、TiB₂和Al₂O₃)在高温下都表现出良好的热稳定性。文章展示了红外选择性辐射器的模拟和测量吸收光谱，如图2c所示。在代表低辐射率(1.65、3.5和12 μm，蓝色圆圈)和高辐射率(2.75和5.45 μm，红色圆圈)的特定波长处，计算了电场强度|E|和电阻损耗Q的分布，如图2d所示。底部的Mo层(50 nm)作为金属反射背板，确保没有透射。中间的Si层(700 nm)的光学厚度设计为在1阶和2阶法布里-珀罗共振波长附近(5.45 μm的半波长和2.75 μm的两倍半波长)。这使得光在两个金属界面上多次反射，从而在RC1和RC2波段增强吸收。中间的Mo层(18 nm)设计为在RC1和RC2波段部分透射以实现共振吸收，同时在大气窗口波段高反射以实现低辐射率。顶部的Si层(390 nm)的光学厚度接近5.45 μm波长的四分之一，作为减反射层，进一步增强RC2波段的吸收。在SWIR、MWIR和LWIR波段(1.65、3.5和12 μm)，光无法在多层膜内相长干涉，并且几乎无损失地反射回去。在室温下，选择性辐射器在SWIR、MWIR和LWIR波段的平均辐射率值分别为0.20、0.24和0.16，显示出优异的红外隐身能力。在两个辐射冷却波段(2.5–3 μm和5–8 μm)中，选择性辐射器的平均辐射率值分别为0.12和0.67。尽管在2.5–3 μm波段的辐射率峰值较低，但由于在主要辐射冷却波段5–8 μm具有高辐射率，选择性辐射器仍然具有良好的散热能力。

为了测试高温性能，文章测量了红外选择性辐射器在200–700 °C范围内的3–14 μm波段的辐射率，如图2e所示。随着温度的升高，3–14 μm波段的辐射率逐渐升高。在700 °C时，选择性辐射器在MWIR和LWIR波段的平均辐射率值分别为0.38和0.44。此外，选择性辐射器在5–8 μm波段实现了0.82的平均辐射率，对应于9.57 kW/m2的显著散热功率。文章还测量了700°C以上温度的辐射率光谱，并计算了在不同测量温度下MWIR、LWIR和5–8 μm的平均辐射率，表明红外选择性辐射器在750°C时开始退化。这主要归因于多层膜的晶体结构在高温下的变化、氧气扩散增强导致Mo的氧化以及热应力积累导致结构损坏。

图2.(a)整体结构示意图；(b)样品实物图与激光刻蚀显微图像；(c)实验与仿真吸收率对比；(d)低辐射率和高辐射率特征波长下的电场与损耗分布；(e)200 °C到700 °C下辐射率光谱测量。

III 高温红外隐身实验

文章通过热像仪观察放置在高温加热台上的红外选择性辐射器，以钢片、硅片和黑体作为参考，来展示高温红外隐身性能。加热温度从100°C变化到700°C，以评估红外选择性辐射器在MWIR、LWIR和SWIR波段的隐身性能。图3展示了在600 °C时，红外选择性辐射器在MWIR、LWIR和SWIR波段的热图像。通过计算黑虚线框区域内红外信号的平均值，文章绘制了红外选择性辐射器、钢片、硅片和黑体在100 °C到700 °C温度范围内的辐射信号强度(MWIR和SWIR波段)和辐射温度(LWIR波段)的变化曲线，如图3a、3b和3c的左侧所示。虚线表示不同辐射率(ε = 0.1, 0.3, 0.35, 0.6, 0.7, 1)的理论信号强度或辐射温度，用于与实验数据进行比较，以估算选择性辐射器和参考材料(钢、硅和黑体)的辐射率值。

在MWIR波段(图3a)，红外选择性辐射器的信号强度在100 °C–300 °C时略高于钢，但随着温度升高，钢发生显著氧化(蓝色星号)，导致其热辐射急剧增加。红外选择性辐射器(ε ≈ 0.3)在700 °C时的信号强度仍比黑体(ε ≈ 0.95)低63.6%，比钢板低56.5%，比硅片低48.0%。在LWIR波段(图3b)，红外选择性辐射器在300 °C时的辐射温度为163.6 °C，比黑体低135.4°C，比硅片低66.7°C。即使在700°C时，红外选择性辐射器的辐射温度为422.3°C，比黑体低268.0°C，比硅片低132.2°C，比钢片低131.1°C。在SWIR波段(图3c)，红外选择性辐射器在400 °C–700 °C温度范围内的信号强度低于黑体(ε ≈ 0.95)、氧化后的钢(ε ≈ 0.7)和硅(ε ≈ 0.7)。在700°C时，红外选择性辐射器的信号强度比黑体低37.2%，比钢片低7.1%，比硅片低6.8%。这些结果表明，红外选择性辐射器在高温下具有优异的隐身性能。

图3. 钢片、硅片、黑体与红外选择性辐射器在(a)MWIR波段辐射信号对比，(b)LWIR波段辐射温度对比，(c)SWIR波段辐射信号对比。左侧图虚线表示不同辐射率(ε = 0.1, 0.3, 0.35, 0.6, 0.7, 1)的理论信号强度或辐射温度，用于与实验数据进行比较，以估算选择性辐射器和参考材料(钢片、硅片和黑体)的辐射率值。右侧图为600 °C时，钢片、硅片、黑体与红外选择性辐射器在MWIR、LWIR和SWIR波段的热图像。

IV 热管理实验

为了研究表面温度降低和红外隐身性能提升，文章测量了红外选择性辐射器和钼板(Mo)在恒定输入功率下的表面和辐射温度。实验装置如图4a所示。实验结果表明，红外选择性辐射器在相同输入功率下实现了显著的温度降低。在250 W(相当于17.3 kW/m2的功率密度)的输入功率下，红外选择性辐射器的温度为352°C，比钼板低72.4°C，如图4b所示。此加热功率密度相当于2.2马赫的飞机经历的气动加热功率，表明其在高温隐身应用中的潜力。随着加热功率超过250 W，钼板的温度超过424.4°C并开始逐渐氧化，导致辐射率增加，与红外选择性辐射器的温度差减小。如果参考材料保持低辐射率(虚线)，在更高的输入功率下可以观察到更显著的温度降低，在600 W时预计温度降低可达114.9°C。图4c展示了红外选择性辐射器和钼板在不同输入功率下的辐射温度变化。在250 W以上，钼板的辐射温度急剧上升，而在600 W左右，红外选择性辐射器的辐射温度比钼板低103.4°C。图4d展示了在119 W和430 W输入功率下，红外选择性辐射器和钼板的LWIR图像，表明即使在低温下其辐射略高于钼板，红外选择性辐射器在高温下仍展现出更好的隐身性能。

图4.  (a)热管理实验装置；(b)在不同加热功率下样品与钼板表面实际温度对比；(c)在不同加热功率下样品与钼板表面辐射温度对比；(d)钼板和红外选择性辐射器在119W和430W加热功率下的热成像图。

V 微波隐身性能

文章通过仿真和实验展示了高温微波隐身性能。整体结构在X波段(8–12 GHz)的微波反射损耗的仿真结果如图5a所示，在10.5 GHz的共振频率下，最小周期单元的电磁场分布如图5a所示。微波超表面的Al₂O₃中间层中磁场显著增强。在TiB₂方块和TiB₂反射背板上感应出表面电流(图5a中的白色箭头)，导致集中在TiB₂方块边界上的欧姆损耗，对应于-10 dB的反射损耗峰。结构从室温加热到700 °C(图5b)，并在不同温度下测量其在X波段的反射损耗，如图5c所示。随着温度升高，吸收峰向低频移动，峰值减小。这主要归因于Al₂O₃的介电常数随温度变化。根据德拜方程，温度升高导致材料的弛豫时间减少，从而增加Al₂O₃的介电常数实部，改变结构的共振频率。在高温下，Al₂O₃介电常数的变化与TiB₂电导率的变化相导致阻抗匹配恶化，吸收降低。然而，即使在700°C时，结构仍保持9.6–12 GHz的有效吸收带宽，吸收水平低于-3 dB，显示出其在高温微波隐身方面的潜力。

图5.  (a)微波超表面谐振频率下电磁场分布仿真结果；(b)700 °C下样品的图片；(c)X波段反射损耗仿真结果与室温到700 °C的实验测量结果。

VI 总结

文章通过集成红外选择性辐射器和微波超表面，展示了高温多红外带和微波隐身以及高效的热管理能力。首先，该设备实现了极高的工作温度(700 °C)和优秀的散热能力，超过了当前高温隐身领域中光子结构框架内的现有技术水平。其次，本文根据高温物体的光谱特性，调控五个红外波段和一个微波波段，可以促进极端环境中多光谱操控的应用。第三，该设备可以与绝热技术集成，以实现更高的工作温度，并在内部和外部热源作用下都可以保持优异性能。最后，该设备的制造过程仅涉及简单的沉积和激光刻蚀工艺，易于实施且可扩展用于大面积应用。这项工作为极端环境下的热辐射控制、多光谱信息处理和热管理带来了启示，为军事和民用应用中的可靠、节能设备的发展铺平了道路。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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