河南師范大學(xué)張凱華&北京科技大學(xué)王存海ACS Appl. Mater. Interfaces：用于多光譜偽裝的雙波段輻射散熱波長選擇性熱調(diào)節(jié)器

先進(jìn)多光譜探測器在監(jiān)視與偵察領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)軍事裝備和人員安全構(gòu)成了嚴(yán)峻威脅。然而，在兼顧優(yōu)異的熱管理性能的同時(shí)，覆蓋可見光（VIS）至紅外波段及特定激光波長的全譜段高效偽裝，仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。在此，本文提出了一種波長選擇性熱調(diào)節(jié)器（WSTR），能夠在可見光、中波紅外（MWIR, ε3-5 μm = 0.21）、長波紅外（LWIR, ε8-14 μm= 0.17）以及激光波長處（ε1.06 μm = 0.99, ε1.55 μm = 0.94, 和ε10.6 μm = 0.91）實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的偽裝性能。該調(diào)節(jié)器在高溫條件下的輻射強(qiáng)度可達(dá)725.2 W/m2，而在相對(duì)較低溫度下僅為95.7 W/m2，并通過兩個(gè)非大氣窗口（ε5-8 μm = 0.60, ε14-20 μm = 0.63）實(shí)現(xiàn)高效輻射散熱，從而實(shí)現(xiàn)有效的熱調(diào)節(jié)。此外，它通過調(diào)節(jié)ZnS薄膜的厚度，可獲得適用于不同背景環(huán)境的多種結(jié)構(gòu)色，實(shí)現(xiàn)可見光偽裝；該調(diào)節(jié)器還采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在較寬的入射角范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的光譜發(fā)射率，進(jìn)一步提升了紅外偽裝性能的穩(wěn)定性。本研究為多光譜偽裝技術(shù)的發(fā)展提供了新的設(shè)計(jì)思路和切實(shí)可行的解決方案。相關(guān)工作以Wavelength-Selective Thermal Regulators with Dual-Band Radiative Dissipation for Multispectral Camouflage 發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces 期刊。

該研究提出了一種基于七層薄膜結(jié)構(gòu)的波長選擇性熱調(diào)控器（WSTR），通過粒子群優(yōu)化算法與傳輸矩陣法對(duì)各層膜厚進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可見光、紅外及典型激光波段兼容的多光譜偽裝，并利用5–8 μm和14–20 μm雙非大氣窗口實(shí)現(xiàn)高效輻射散熱（圖1）。器件采用ZnS/Ge/SiO2/Si/TiO2/GST/Al多層結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化光譜響應(yīng)，使其在中波和長波紅外波段保持低發(fā)射率，在兩個(gè)非大氣窗口保持高發(fā)射率，同時(shí)兼具優(yōu)異的可見光與激光波段偽裝能力，從而滿足不同環(huán)境下的偽裝與熱管理需求（圖2a-d）。進(jìn)一步分析了器件在相對(duì)低溫和高溫條件下的輻射強(qiáng)度，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠通過雙波段輻射散熱滿足不同溫度條件下的紅外偽裝需求，體現(xiàn)出優(yōu)異的寬溫域熱管理性能（圖2e, f）。隨后，從電場強(qiáng)度分布和電阻損耗兩個(gè)方面揭示了器件的光譜調(diào)控機(jī)理，不同波段的發(fā)射率峰值分別來源于材料本征吸收以及Fabry–Pérot共振效應(yīng)，不同功能層協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了多波段選擇性發(fā)射特性，為器件的光譜設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)（圖3）。在可見光偽裝方面，器件通過改變ZnS膜層厚度實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)色調(diào)節(jié)，且實(shí)現(xiàn)可見光偽裝的同時(shí)保持了穩(wěn)定的激光隱身、紅外偽裝以及高效的輻射散熱；進(jìn)一步的，分析了器件在不同入射角下的可見光與紅外偽裝性能，結(jié)果表明器件在0°–60°范圍內(nèi)仍具有穩(wěn)定的可見光偽裝、紅外偽裝以及高效的輻射散熱，展現(xiàn)出優(yōu)異的寬角度適應(yīng)性（圖4）。最后，通過模擬無人機(jī)和高速飛機(jī)兩種典型應(yīng)用場景下的紅外熱成像效果，驗(yàn)證了器件在不同環(huán)境溫度及工作溫度下其輻射溫度始終低于其表面溫度，進(jìn)一步證明了該結(jié)構(gòu)兼具優(yōu)異的紅外隱身性能與高效熱管理能力（圖5）。

圖1. PSO算法設(shè)計(jì)流程圖。

圖2. WSTR的設(shè)計(jì)理念與光譜特性。（a）WSTR在高速飛行器與無人機(jī)應(yīng)用場景中的功能示意圖。（b）WSTR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（c）考慮熱管理因素的理想多光譜偽裝器件的發(fā)射率以及WSTR的全波段光譜發(fā)射率。(d) WSTR在不同光譜范圍內(nèi)隨溫度變化的輻射強(qiáng)度與信號(hào)衰減率。(e,f) 3-20 μm波段范圍內(nèi)，WSTR和黑體在303 K（e）及483 K（f）時(shí)的輻射強(qiáng)度。

圖 3. WSTR 的內(nèi)在物理機(jī)制。（ a ）在 1.06 μm 波長下， WSTR 中的電場強(qiáng)度 |E| 與電阻損耗 |Q| 分布。（ b ）在 5.3 μm 波長下， WSTR 中的電場強(qiáng)度 |E| 與電阻損耗 |Q| 分布。（ c ）在 8.89 μm 波長下， WSTR 中的電場強(qiáng)度 |E| 與電阻損耗 |Q| 分布。（ d ）在 18.29 μm 波長下， WSTR 中的電場強(qiáng)度 |E| 與電阻損耗 |Q| 分布。（ e–h ）分別為 WSTR 在 1.06 μm 、 5.3 μm 、 8.89 μm 和 18.29 μm 波長下的二維電場強(qiáng)度 |E| 分布圖。

圖 4. ZnS 層厚度及入射角變化對(duì) WSTR 在可見光和紅外波段偽裝性能的影響。（ a ）不同 ZnS 薄膜厚度下， WSTR 在可見光和近紅外波段的反射率。（ b ）不同 ZnS 薄膜厚度對(duì)應(yīng)的 WSTR 結(jié)構(gòu)色及其在 CIE 色度圖中的色度坐標(biāo)。（ c ） 300 K 下 ZnS 薄膜厚度對(duì) WSTR 輻射強(qiáng)度和信號(hào)衰減率的影響（插圖： ZnS 薄膜厚度變化對(duì) WSTR 在 3–20 μm 波段發(fā)射率的影響）。（ d ）不同入射角下， WSTR 在可見光和近紅外波段的反射率。（ e ）不同入射角下 WSTR 在 CIE 色度圖中的顏色變化。（ f ） 300 K 下入射角對(duì) WSTR 輻射強(qiáng)度和信號(hào)衰減率的影響（插圖：入射角對(duì) WSTR 在 3–20 μm 波段光譜發(fā)射率的影響）。

圖 5. WSTR在不同溫度條件下的熱成像效果。（a）在模擬的無人機(jī)運(yùn)行場景中，環(huán)境溫度設(shè)定為5°C，將WSTR加熱至30°C、50°C、70°C和90°C以進(jìn)行熱成像模擬。背景鋁板的表面溫度為60°C，對(duì)應(yīng)的輻射溫度為11.4°C。（b）在模擬的高速飛機(jī)運(yùn)行場景中，環(huán)境溫度設(shè)定為-40°C，將WSTR加熱至210°C、250°C、290°C和330°C進(jìn)行熱成像。背景鋁板的表面溫度為270°C，對(duì)應(yīng)的輻射溫度為47.1°C。

小結(jié)：綜上所述，本研究基于多層薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并數(shù)值模擬了一種波長選擇性熱調(diào)節(jié)器（WSTR），該結(jié)構(gòu)在可見光、紅外以及特定激光波段均具備超寬帶多光譜偽裝能力，并通過雙波段輻射散熱實(shí)現(xiàn)高效熱管理。該器件通過調(diào)控ZnS層厚度實(shí)現(xiàn)寬色域范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)色調(diào)節(jié)。在中波紅外（MWIR）與長波紅外（LWIR）波段，其平均發(fā)射率分別低至0.21和0.17；在1.06 μm、1.55 μm和10.6 μm三個(gè)激光波長處，其反射率分別低至0.01、0.06和0.09。同時(shí)，在兩個(gè)非大氣窗口波段其平均發(fā)射率分別達(dá)到0.60和0.63，從而在滿足輻射散熱需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)偽裝性能的平衡。在高溫（T = 483 K）與相對(duì)較低溫度（T = 303 K）條件下，其輻射強(qiáng)度分別達(dá)到725.2 W/m2和95.7 W/m2。該結(jié)構(gòu)在0°–60°入射角范圍內(nèi)紅外發(fā)射率保持穩(wěn)定，模擬熱成像進(jìn)一步驗(yàn)證了其優(yōu)異的紅外偽裝性能。本研究通過多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多光譜偽裝與高效熱管理的協(xié)同優(yōu)化，為軍事偽裝技術(shù)的發(fā)展提供了一種具有應(yīng)用前景的創(chuàng)新解決方案。

論文信息： L Xie, K Zhang, Z Chen, J Guo, C Wang. Wavelength-selective thermal regulators with dual-band radiative dissipation for multispectral camouflage. ACS Applied Materials & Interfaces, 2026. https://doi.org/10.1021/acsami.6c03718

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