Ultra-Broadband Microwave Absorption and Programmable Multispectral Camouflage Enabled by Neural-Network-Driven Impedance-Gradient Metadevices
Chen Li, Leilei Liang, Baoshan Zhang*, Yi Yang* & Guangbin Ji*
Nano-Micro Letters (2026)18: 403
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02247-z
1. 超构器件智能设计：借助神经网络构建阻抗梯度超器件，实现多光谱兼容伪装。
2. 多谱段优异性能：器件兼具2‑18 GHz超宽带吸波、红外隔热、低发射率与快速变色响应。
3. 多功能稳定应用：组装器件支持可编程多模态调控，同时具备抗冲击能力与环境稳定性。
研究背景
现代多源侦察体系可同时依靠雷达、红外、可见光多波段实施探测，传统单波段隐身材料已经难以满足装备综合防护需求，研发雷达‑红外‑可见光一体化多光谱兼容伪装材料成为重要研究方向。不同波段电磁波波长差异巨大，各类天然与传统材料电磁响应机制互相制约，微波吸波、红外热调控、可见光变色功能之间存在本征性能矛盾。现有多光谱隐身方案多依靠多层材料堆叠，需要大量反复试错来确定结构参数，实验迭代周期长、成本高，还存在角度适应性差、力学抗冲击能力不足、复杂环境下稳定性欠佳等短板，难以兼顾宽带微波吸收、红外低发射率、快速可见光变色多重指标，可编程信息编码能力也较为匮乏。因此亟需发展智能化设计手段，开发可同时实现全向多谱伪装、耐冲击、环境适应性强的新型器件，面向复杂场景构建高性能多光谱兼容伪装系统。
南京航空航天大学姬广斌联合南京大学张豹山/杨燚提出一款可编程阻抗梯度超构器件，用于雷达‑红外‑可见光多光谱兼容伪装，破解多波段电磁响应互相制约的技术难题。器件采用三层复合构型，顶层为MXene复合光致变色纳米油墨，兼顾可见光伪装、低红外发射率，同时可透过微波；中间层为羰基铁颗粒复合PDMS雷达谐振单元，负责微波损耗吸收；底层聚酰亚胺泡沫承担隔热阻热功能。借助神经网络对结构参数智能寻优，依靠阻抗匹配与高旋转对称单元，器件实现2‑18 GHz超宽带微波吸收，具备大角度入射不敏感特性。聚酰亚胺泡沫与低发射率MXene协同实现基底全方位遮蔽，光致变色组分可适配不同背景色彩。各单元可独立调控，支持可见光‑红外多模态信息编解码。器件还拥有约30000 N抗冲击能力，兼具自清洁、抗结冰、耐化学腐蚀等环境耐受性，为复杂工况下多光谱伪装系统提供全新思路。
I 多光谱兼容伪装超构器件
4×4周期排布的阻抗梯度超构器件具备高度对称阶梯式构型(图 1a、b)，其核心为梯度雷达谐振单元，采用定制模具制备。其中，器件基础尺寸L=45 mm、R=20 mm、w=2 mm经电磁仿真确定并固定，微波吸收性能由厚度参数 H₀‑H₃调控。为加快优化，以H₀=1 mm 固定，利用神经网络训练 H₁‑H₃对应的RL‑f数据集，得到最优厚度组合(图 1c)。优化后器件能实现2‑18 GHz有效吸收带宽(图 1d)。改变底层聚酰亚胺泡沫厚度可抑制热辐射实现红外伪装；表层搭载多色光致变色油墨适配不同场景(图 1e)。该集成器件兼具可见光变色、低红外发射率、优异吸波能力，同时支持可编程多模态特性(图 1f、g)。
图1. 多光谱兼容伪装器件设计。
II 微波吸收性能
将阻抗梯度(IG)结构与平面、普通梯度结构开展对比(图 2a)，优选FCIP/PDMS‑21作为吸波基材，采用NRL‑arc法测试反射性能。CST仿真与实测 RL‑f 曲线表明(图 2b)，凭借优异阻抗匹配，IG结构有效吸波带宽超10 GHz；史密斯圆图计算归一化输入阻抗证实其与自由空间阻抗匹配效果更优。通过仿真电场、磁场分布揭示损耗机制：平面结构仅能激发单频四分之一波长共振，IG结构耦合多频共振，单元间耦合形成局域热点(图 2c)；周期单元边缘表面电流带来欧姆损耗(图 2d)；结合高阶模式衍射、多阶偶极共振耗散微波能量。仅改变底层厚度H₀难以实现全波段吸收，同步调控多层厚度参数可将带宽拓展至4‑18 GHz(图 2e、f)。构建双隐层神经网络，以厚度为输入、反射损耗积分为输出完成训练，RMSE为 0.0687、相关系数R=0.9265(图 2g、h)，输出最优厚度组合，实现2‑18 GHz全覆盖(图 2i、j)。旋转对称构型保障宽入射角、偏振不敏感特性，TE模式60°大入射角下依旧维持完整吸波带宽(图 2k‑m)，依托阻抗梯度、共振效应实现宽带全向雷达隐身。
图2. 微波吸收性能。
III 红外隐身性能
聚酰亚胺(PI)多孔泡沫可阻挡目标热量向外传递，羰基铁颗粒(FCIP)与表层MXene反射环境红外辐射，削弱器件红外热特征(图 3a、b)。PI泡沫具备低热导率、高热储存系数与低热扩散率，隔热性能优异(图 3c)；FCIP/PDMS层可与环境实现热同步，避免完全隔热带来的异常温升。将IG器件置于100 ℃加热台开展红外相机‑热电偶同步监测试验，PI泡沫厚度(1、3、5、7 mm)直接调控隔热效果，以IG+PI‑3样品为例，表面表观温度稳定在50 ℃，热电偶与红外测温结果吻合，有效缩小目标与背景温差(图 3d‑f)；PI厚度越大，降温幅度越高，最大温差ΔT可达65 ℃(图 3d、e)。借助FDTD仿真解析FCIP与红外波作用机制，多层FCIP在8‑14 μm波段实现高于80 %的平均反射率(图 3g‑i)。FCIP‑IG结构将发射率降至0.6，调控MXene浓度可进一步把发射率稳定至0.38，该降低效果与光致变色组分无关(图 3j)。对比结果表明该IG器件隔热‑低发射率综合性能优于多数已报道材料(图 3k)；坦克模型演示中，器件覆盖高温区域可实现良好红外融合伪装(图 3l、m)。
图3. 红外隐身性能。
为适配森林、沙漠等复杂作业环境，该器件选用光致变色油墨(图 4a)，变色源于萘并吡喃、螺恶嗪衍生物中吡喃/恶嗪环可逆开‑关环异构；可见光照射下C‑O键断裂、π共轭延伸实现显色，避光时发生逆异构完成褪色。在IG超构器件表面涂覆红、橙、黄、绿、棕、蓝多色光致变色涂层，变色后可与背景高度匹配(图 4b)。紫外‑可见‑近红外光谱测得可见光反射率约40%(图 4c)，借助CIE 1931色度图验证色偏差，油墨避光快速消色，色度坐标无明显偏移。经50 次循环测试，黄、绿、棕、蓝色油墨变色表现最优(图 4d‑j)；低能垒光致变色分子可实现约1.1 s显色、2.5 s消色，循环后响应速度保持稳定，具备长使用寿命。在弱光与强光下，器件置于黄绿草地均可实现有效可见光伪装(图 4k)；09:00‑14:00光照条件下伪装效果更突出。针对复杂场景还可设计迷彩图案，器件可随光照强度变色，实现视觉干扰欺骗(图 4l)。
图4. 可见光伪装性能。
该器件阵列由相互独立的单元构成，构建 4×4 矩阵并引入“0/1”二进制编码，静态雷达编码中“0”代表平面P结构，“1”代表阻抗梯度IG结构，具备编码精度高、电磁响应稳定、抗干扰能力强的优势，可生成虚假散射中心，制造雷达幻象、模拟目标特征或嵌入友方识别图案。对理想导体、平面与IG结构开展RCS仿真，监测多频段雷达散射截面缩减效果；三维RCS结果表明IG结构可显著压缩辐射尺寸，‑90°~90°大角度范围RCS均实现降低，15 GHz处最大RCS可达‑41.17 dB m²。组装180 mm×180 mm的4×4阵列后，相较于理想导体在各频点实现不同幅度RCS缩减(图 5a、b)。不同编码替换单元后散射信号仅有小幅变化，依旧满足隐身需求(图 5c)。12组编码样式反射率测试显示，部分图案可在5‑18 GHz保持‑10 dB以上吸收(图 5d)。依托“0‑1”显示/隐藏逻辑，搭建可见光‑红外编解码体系，可见光下显现“NJU”，红外模式读取隐藏的“LIR”图案(图 5e、f)，单单元集成雷达、红外、可见光编码，实现多光谱伪装与多模态信号切换。
图5. 可编程与多模态设计。
面向复杂服役场景，多光谱兼容伪装器件的抗冲击、耐疲劳与环境适应性直接影响装备生存效能(图 6a)。经三个月存放后测试，器件的吸波、低发射率、隔热、变色性能不受温湿度干扰，具备长期部署潜力(图 6b‑e)。落锤冲击测试表明器件可承受约30000 N冲击力，40 J冲击下能量耗散率超96%，弹性与抗损伤能力优异(图 6f‑i)。器件整体具备自清洁特性，表层光致变色油墨可拆卸更换(图 6j)；‑80 ℃低温6 h 无结冰，1 M 盐酸溶液浸泡2h无腐蚀，极端环境下雷达隐身性能保持稳定(图 6k‑l)。器件可弯折折叠，三点弯曲与千次疲劳试验验证其曲面适配可靠性(图 6m)，实现优异环境免疫，综合性能优于传统体系。
图6. 多功能应用信息。
本文研发了一款面向雷达‑红外‑可见光兼容伪装的可编程多功能阻抗梯度超构器件。借助神经网络快速参数优化，并通过电磁仿真与实验验证，实现了材料构筑、结构设计与器件制备的一体化集成。依靠阻抗梯度单元、隔热泡沫与光致变色油墨的协同作用，器件实现2‑18 GHz微波全波段吸收、最大65 ℃红外温调范围、0.38低红外发射率以及1‑2 s快速可见光变色。旋转对称结构赋予其入射角不敏感的全向隐身能力；独立可控单元支持可见光‑红外多模态可编程信息切换。器件兼具优异抗冲击性能、化学稳定性、耐疲劳与耐候性，可在严苛环境中长期使用，为提升装备战场生存能力提供了一条跨学科的全新技术路线。
姬广斌
本文通讯作者
南京航空航天大学 教授
▍主要研究领域
(1) 电磁功能材料；(2) 多频谱兼容材料；(3) 磁性材料。
▍主要研究成果
南京航空航天大学教授、博导。现任多个国际期刊编委及中国颗粒学会理事，入选江苏省多项人才计划和全球高被引学者榜单。发表论文200余篇，引用32000余次，H指数104；获授权发明专利30项，培养省级优博、优硕6名。获教育部自然科学奖二等奖、国防科技进步奖二等奖、江苏省科学技术奖等7项科技奖励。
▍Email：gbji@nuaa.edu.cn
张豹山
本文通讯作者
南京大学 副教授
▍主要研究领域
金属及铁氧体磁性材料、纳米复合材料、隐身材料等研究。
▍主要研究成果
南京大学教副授、硕导。1988年于南京大学获理学学士学位，2006于南京大学获理学博士学位，同年留校从事科研教学工作，2008年聘为副教授。主要从事金属及铁氧体磁性材料、纳米复合材料、隐身材料等研究，承担多项江苏省和国家基础科研项目。
▍Email：bszhang@nju.edu.cn
撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部
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