徐卫林院士团队万骏及华科胡彬等综述：耐高温中红外材料的结构与热光子调控

极端热环境是高超声速飞行、航天器再入、空间基础设施、高温能源转换以及严苛工业过程中的核心服役场景。在这些体系中，热量传输与热辐射不再只是辅助性问题，而是直接决定系统效率、功能稳定性与服役寿命的关键因素。随着工作温度不断升高，中红外(MIR)波段逐渐成为热辐射能量交换的主导通道，深刻影响辐射散热、热防护、红外探测、热伪装、能量收集与高温光学监测等重要过程。因此，能够在高温、氧化、热循环、机械冲击和强能流等复杂条件下稳定调控中红外辐射行为的材料，已成为极端能源系统与先进热管理技术发展的关键基础。然而，高温中红外材料的设计远比常温光学材料更加复杂。其光学性能并非仅由室温下的电子结构、声子振动或折射率决定，而会随着温度升高和环境作用发生持续演化。载流子浓度与迁移率变化、声子寿命缩短、非谐振动增强、缺陷浓度波动、表面氧化层生成、晶粒粗化、孔隙与裂纹扩展等过程，都会改变材料的复介电函数与光学常数，进而导致反射率、发射率或透过率发生漂移。对于高反射低发射材料而言，高温下的载流子散射、表面粗糙化和氧化膜增厚会显著削弱镜面反射能力；对于高吸收高发射材料而言，声子共振、自由载流子损耗和缺陷吸收必须在高温下保持稳定，否则会导致光谱选择性退化；对于高透过材料而言，自由载流子吸收、多声子吸收、散射损耗、色心形成和表面损伤则会共同限制其高温光学窗口。由此可见，中红外功能与热稳定性之间存在强耦合关系，单纯依赖常温光谱指标难以预测材料真实服役性能。当前，高温中红外材料研究已在金属与合金、导电氧化物、过渡金属氮化物、MXene、碳基材料、氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、共价半导体、氟化物与硫族化合物等体系中取得重要进展，但相关研究仍存在明显碎片化问题。一方面，不同材料体系通常围绕单一功能或特定应用展开，缺乏统一标准来比较其光谱波段、温度极限、气氛稳定性与性能衰减机制；另一方面，现有综述多聚焦于热辐射器件、辐射冷却、热光伏、红外光子学或某一类材料，而对“材料结构如何决定高温中红外性能保持”的底层逻辑讨论仍不充分。尤其是在极端服役条件下，电子与缺陷结构、晶体结构与相稳定性、微结构与介观结构、表面与界面演化往往共同控制材料的光学漂移与失效路径。因此，亟需建立一种结构主导的系统性框架，将中红外反射、吸收/发射与透过三类功能统一到高温稳定性和结构演化机制之中，为极端能源系统中的材料选择、性能预测与工程化设计提供可迁移的理论依据。