超材料在軍用隱身中的應(yīng)用研究

周鵬飛，朱洪立，李明俊，張成軍，王興一，潘士兵

（山東非金屬材料研究所，濟南 250031）

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，軍事力量與軍用技術(shù)也得到了極大的發(fā)展，各種探測與制導(dǎo)手段不斷更新?lián)Q代，對飛機、坦克等軍事目標的生存能力帶來極大的挑戰(zhàn)。為了提高軍用目標的生存能力，研究性能更好的隱身材料，發(fā)展更簡單、高效的隱身技術(shù)迫在眉睫。而超材料作為21 世紀逐漸發(fā)展起來的新型材料，由于其特殊的性能及優(yōu)異的可調(diào)節(jié)性，在隱身材料領(lǐng)域得到了廣泛的研究與關(guān)注，已成為隱身研究的一個重點方向?！俺牧稀币辉~是由Walser 教授提出的［1］，它是一種自然界不存在、人工設(shè)計、具有周期性結(jié)構(gòu)的新型材料。超材料具備天然材料所不具備的特殊性質(zhì)，比如負的磁導(dǎo)率與介電常數(shù)、反常的多普勒效應(yīng)等，而這些性質(zhì)主要來自于人工設(shè)計制造的特殊結(jié)構(gòu)。超材料“metamaterial”一詞始于左手材料，1968 年Veselago［2］大膽推測，如果一種材料同時具有負的介電參數(shù)與磁導(dǎo)率，那么電磁波在這種材料中傳播時的電矢量、波矢量與磁矢量滿足“左手關(guān)系”，與普通材料所滿足的“右手定則”相反。30 年后，Pendry 等［3］推論出在三維細線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在負的介電常數(shù)，為超材料的發(fā)展開辟了新的可能性。之后Smith 等［4］設(shè)計制造出一種復(fù)合介質(zhì)，它在微波區(qū)域的有效磁導(dǎo)率和介電常數(shù)同時為負值，此后超材料作為一種可以進行人工設(shè)計生產(chǎn)的新型材料得到了各國學者的廣泛關(guān)注與研究。超材料作為一種人工設(shè)計、具有特定微結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合材料，有著不受自然規(guī)律限制的特殊性能，如零折射率［5］、負折射率［6］等性能，在隱身斗篷［7］、超材料透鏡［8］、微波天線［9］、電磁防護［10］、吸聲材料［11］等領(lǐng)域得到了廣泛研究與應(yīng)用。典型的超材料有手性材料［12］、光子晶體［13］、超表面［14］、電磁超材料［15］與常規(guī)材料復(fù)合的超材料［16］等。

在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中，雷達探測與紅外探測技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，多頻譜探測技術(shù)在戰(zhàn)場上的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，因此尋找更加“薄、輕、寬、強”的材料是隱身領(lǐng)域需要研究的一個關(guān)鍵問題?！氨?、輕、寬、強”即“厚度薄、質(zhì)量輕、吸收頻帶寬、吸波性能強”，受限于自然界中材料的性能限制，傳統(tǒng)材料很難實現(xiàn)“薄、輕、寬、強”兼容的隱身材料，而可人工調(diào)控的超材料可以達到不同要求的兼容。通過對超材料進行人工設(shè)計得到不同的材料結(jié)構(gòu)，脫出自然界中材料的性能限制，從而獲得許多自然界不存在的超常性能，可以拓寬隱身材料的吸收頻帶、增強材料的吸波性能、實現(xiàn)雷達/紅外與紅外/激光等的多頻譜兼容隱身。本文主要對雷達隱身超材料、紅外隱身超材料以及多波段兼容隱身超材料進行了綜述，對不同的隱身機制進行了分類匯總，總結(jié)了超材料在軍用隱身領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 雷達隱身超材料

雷達探測是通過發(fā)射機與天線向目標發(fā)射電磁波并接收其回波，采用對回波信號的分析獲得所需目標的距離、速度、方位以及表面形狀等信息的探測技術(shù)，因此雷達隱身技術(shù)要求盡可能地降低雷達波的反射，縮減雷達散射截面積（radar cross section，RCS），減少雷達回波能量，從而實現(xiàn)目標隱身。

雷達吸波材料實現(xiàn)隱身目的需要解決兩個問題：（1）要使入射的電磁波進入吸波材料內(nèi)部時不被表面反射；（2）入射電磁波能夠迅速被吸波材料內(nèi)的電損耗或磁損耗等損耗機制完全損耗掉。要實現(xiàn)入射波能夠無反射地進入吸波材料的內(nèi)部，需要采用特殊的條件達到與空氣的阻抗相匹配，然而目前自然界中還未找到阻抗完全匹配的相關(guān)材料。超材料的優(yōu)勢是可以人工調(diào)控材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，使空氣與材料滿足阻抗匹配條件，電磁波才會無反射地進入超材料內(nèi)部并損耗掉，得到將近100%吸收率的完美吸波超材料［17］。2008 年，Landy 等［18］制備了一種在11.65 GHz 處吸收率近100%的超材料吸收體，為后來超材料吸波體的發(fā)展拓寬了方向。雷達隱身超材料主要有多諧振疊加、漫反射以及介質(zhì)損耗三種機制的寬帶吸波超材料。圖1 為周期性對稱結(jié)構(gòu)超材料示意圖與吸收譜圖［19］，復(fù)合超表面示意圖與RCS 譜圖［20］以及夾層超材料的吸收譜圖［21］。

圖1 周期性對稱結(jié)構(gòu)超材料示意圖與吸收譜圖（a）［19］，復(fù)合超表面的示意圖與RCS 譜圖（b）［20］以及夾層超材料的吸收譜圖（插圖為夾層超材料示意圖）（c）［21］Fig.1 Schematic diagram and absorption spectra of periodic symmetric structure metamaterials（a）［19］，schematic diagram and RCS spectra of composite supersurface（b）［20］ and absorption spectra of interlayer metamaterial（inset is interlayer metamaterial schematic diagram）（c）［21］

1.1 多諧振疊加型超材料

現(xiàn)有研究已經(jīng)設(shè)計出單頻［18］、雙頻［22］甚至多頻［23］的高吸收率超材料吸波器，但其帶寬較窄，很難滿足寬帶雷達吸波要求，因此研究人員對超材料進行調(diào)控，通過改變超材料介質(zhì)尺寸［22］、采用周期性對稱結(jié)構(gòu)［19］和多層金屬片塔形結(jié)構(gòu)［24］、改變金屬斑塊的數(shù)量［25］等方法，使不同的諧振吸收峰相互重合疊加從而形成寬頻吸波超材料。

劉曉明［22］將摻雜氧化鎂的鈦酸鍶鋇陶瓷立方體周期性排列，嵌入到丙烯腈丁二烯苯乙烯塑料（ABS）骨架中，背面附上銅膜，制備了一種在8.45 GHz 與11.97 GHz 處吸收率分別達到99%和96%的雙頻吸波超材料，同時通過改變超材料介質(zhì)的尺寸及介電常數(shù)，將這兩個高階Mie 諧振峰耦合在一起，使其吸收峰寬化，得到了寬頻吸波超材料，其吸波率大于95%（反射系數(shù)為－13 dB）的吸收頻帶寬約1 GHz。Jang 等［19］設(shè)計了一種兩個頻譜重疊共振的寬帶微波吸收器，用鋁線束構(gòu)造了周期性對稱的蝴蝶結(jié)陣列，用以產(chǎn)生高歐姆損耗，拓寬吸收帶寬。所設(shè)計的超材料吸收器在5.8~12.2 GHz 的寬頻率范圍內(nèi)，可達到超過90%的總吸收，同時吸收器對入射波的偏振不敏感，見圖1（a）。Ding 等［24］制作了一種由周期性的金屬介質(zhì)多層四角形金字塔結(jié)構(gòu)組成的超材料，通過金字塔結(jié)構(gòu)多頻共振吸收的重疊，該超材料在7.8~14.7 GHz 的頻率范圍內(nèi)對正常入射波的吸收率在90%以上。Liu等［25］所制備的超材料吸收器由圓形金屬斑塊和介電層分隔的金屬地平面組成，增加金屬斑塊的數(shù)量可以產(chǎn)生寬帶共振，擴大頻率范圍。測試表明，該吸收體具有較高的吸收率，其半峰全寬可達2.8 GHz（9.65~12.45 GHz），但是多諧振疊加型超材料在吸收帶寬擴大的同時，其本身的吸收峰強度也會有所下降。

1.2 漫反射超表面型超材料

當入射波照射到粗糙表面上時，反射波會向四面八方散射，發(fā)生漫反射現(xiàn)象，因此研究人員將漫反射原理應(yīng)用到超表面設(shè)計中，使電磁波向各個方向進行無規(guī)則反射，實現(xiàn)物體的背向散射縮減，從而使目標達到隱身目的。

研究人員通過將超表面與磁性吸波材料進行復(fù)合［20］、對不同空間單元進行排列形成多重共振［26-27］、設(shè)計數(shù)字編碼型超表面［28］等方法使超表面實現(xiàn)漫反射，從而獲得漫反射型超材料。張亞中［20］將超材料與傳統(tǒng)吸波材料進行復(fù)合，以磁性吸波材料與橫豎短切線超材料為基本單元構(gòu)成了棋盤形狀的復(fù)合超表面，結(jié)果顯示，當復(fù)合超表面厚度為2 mm 時，在5~34 GHz頻段范圍內(nèi)實現(xiàn)了－6~－15 dB 的RCS 縮減，見圖1（b）。而在垂直角度入射下，實測的RCS 縮減在4~34 GHz 頻段內(nèi)達到－6 dB 以下，接近模擬計算值。Song等［26］提出了由精心排列的空間尺寸變化的單元組成的超表面，該超表面可以均勻漫反射，避免鏡面方向的反射，其在7~12 GHz 波段內(nèi)達到超過10 dB 的RCS 減少。Chen 等［28］用柔性氧化銦錫（ITO）設(shè)計了一種超薄編碼超表面，其在7.8~15 GHz 內(nèi)實現(xiàn)低的后向散射，達到10 dB 以上的減少，且對入射偏振不敏感。與相同尺寸的金屬平板相比，漫反射超表面能有效地降低材料的后向散射，在隱形技術(shù)中具有潛在的應(yīng)用。與普通的粗糙表面相比，漫反射超表面不僅能達到有效的RCS 縮減，還可以通過人為設(shè)計使超表面具有不同的吸收波段與吸波帶寬。

1.3 介質(zhì)吸波超材料

隨著科技的發(fā)展，超材料早已突破單一結(jié)構(gòu)單元組成的限制，研究者將傳統(tǒng)吸波材料引入超材料中，與超材料相結(jié)合從而制備出介質(zhì)吸波超材料，其具有相對較寬的吸收頻段，得到了廣泛的研究與關(guān)注。

Zhou 等［21］將周期性排列的ITO 薄膜夾在兩個透明柔性聚氯乙烯（PVC）層中，設(shè)計了具有夾層結(jié)構(gòu)的寬帶超材料吸波器，該吸收器的寬頻吸收范圍覆蓋了雷達波的X 波段（8~12 GHz）與Ku 波段（12~18 GHz）。當電磁波的入射角小于30°時，所設(shè)計的吸收器在8~18 GHz 實現(xiàn)90%以上的吸收率，吸波性能較好，見圖1（c）。Chen 等［29］設(shè)計了一種由打印細絲、碳負載丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）組成的3D 打印錐體吸收器，實驗驗證該錐體吸收器在5.3~18 GHz的頻率范圍內(nèi)吸收率超過90%，在雷達散射截面的縮減上具有很大的應(yīng)用潛力。郭飛等［30］設(shè)計了一種基于磁/電介質(zhì)混合型基體的寬帶超材料吸波體，其能量損耗只集中在磁性材料和電阻膜上。該超材料吸波體的測試結(jié)果表明，當厚度為2.5 mm 時，吸波體反射率在-10 dB 以下的帶寬達到7.6~18 GHz。同時該吸波體具有吸波頻帶寬、厚度薄、極化不敏感等優(yōu)點，在軍事上具有潛在的應(yīng)用價值。Chen 等［31］通過加載集總電阻成功設(shè)計了一種微波超材料吸波器，其吸收帶寬覆蓋了8~18 GHz 頻段，在入射角高達約60°時，達到90% 以上吸收率的吸收帶寬為9.3~17 GHz。

2 紅外隱身超材料

溫度在絕對零度（－273 ℃）以上的物體都會輻射能量，這些能量以紅外線的形式傳播出去，其波長在0.76~1000 μm 之間。紅外線在大氣傳播過程中，受到大氣中的H2O 和CO2等分子的影響，不同波長的紅外線會有不同程度的衰減，其中衰減程度較輕的波段區(qū)域被稱為大氣窗口。大氣窗口有1~2.5，3~5，8~14 μm 波段，見圖2［32］。目前使用的紅外探測器的工作波段都在這些波段內(nèi)，因此如何降低軍用目標的紅外輻射至關(guān)重要。

圖2 大氣紅外波段透射譜線［32］Fig.2 Atmospheric infrared transmission spectral line［32］

根據(jù)斯特潘-玻爾茲曼定律，實際物體在全波長范圍內(nèi)的輻射度與實際物體的發(fā)射率以及物體的熱力學溫度呈正相關(guān)關(guān)系。實際物體表面發(fā)射率越大，溫度越高，則物體的紅外輻射越強烈，而溫度的變化會使物體的紅外輻射變化更加劇烈，因此，降低軍事目標表面發(fā)射率及自身溫度是使其隱身、提高生存能力的常用方法。

2.1 光子晶體

光子晶體由于光子禁帶的存在，已成為紅外隱身領(lǐng)域研究的一個熱點。1987 年，John［33］和Yablonovitch［34］分別提出光子晶體（photonic crystal）的相關(guān)報道與假設(shè)，為日后的理論研究奠定了基礎(chǔ)。光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而形成的空間結(jié)構(gòu)，其具有光子帶隙（photonic band gap，PBG），當波的頻率位于帶隙范圍內(nèi)時，波不能在光子晶體內(nèi)傳播，這部分特定頻率的波不能通過的區(qū)域被稱為光子禁帶。由于光子晶體在光子禁帶內(nèi)對入射的電磁波具有高反射性，因此光子晶體可以抑制某波段的紅外輻射，降低被紅外探測裝置探測到的概率，同時可以通過對光子晶體的人為設(shè)計使目標的紅外輻射特性與背景相匹配，從而實現(xiàn)紅外隱身［35］。要使光子晶體對某一頻率的光存在禁帶效應(yīng)，必須滿足3 個條件［36］：（1）光子晶體具有周期性結(jié)構(gòu)，其介電常數(shù)能發(fā)生周期性變化；（2）不同材料的介電常數(shù)差別要大，一般認為兩種不同材料的介電常數(shù)比值需要大于2；（3）介電常數(shù)的變化周期和禁帶對應(yīng)的光波長位于同一個數(shù)量級。

張瑞蓉等［37］以3.87 μm 的聚苯乙烯微球（polystyrene，PS）為原料，用垂直基片自組裝法制備出蛋白石結(jié)構(gòu)的三維有序光子晶體，其光子禁帶在8~9 μm 的紅外波段，紅外高反射、低發(fā)射性能良好，對紅外輻射具有很好的抑制作用。Li 等［38］將1.86 μm 的二氧化硅微球通過自組裝法組裝成長程排列的膠體晶體模板，再把硅填充到模板空隙中，制成一個三維硅反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體，其在3.3 μm 處的光子帶隙紅外反射率超過81%。但是這兩個課題組所制備的光子晶體的高反射率帶寬較窄，不能與寬波段的紅外探測相匹配。

Deng 等［39］提出一種基于Ge/ZnS 一維光子晶體的高溫雙帶偽裝結(jié)構(gòu)，實驗驗證發(fā)現(xiàn)，制備的薄膜在400 ℃時，在3~5 μm 波段的紅外發(fā)射率平均值為0.091，在8~14 μm 波段的紅外發(fā)射率平均值為0.128，在3~5 μm 和8~14 μm 波段均表現(xiàn)出較低的紅外發(fā)射率，見圖3。Tong 等［40］設(shè)計構(gòu)造了一種N個周期的多層膜結(jié)構(gòu)光子晶體［CdSe/SiO2］N，研究發(fā)現(xiàn)，光子帶隙隨薄膜厚度成比例變化，且疊加多層結(jié)構(gòu)在3~5 μm 和8~14 μm 波段實現(xiàn)95%以上的反射率。

圖3 不同溫度下Ge/ZnS 一維光子晶體紅外發(fā)射率譜圖［39］（a）3~5 μm；（b）8~14 μmFig.3 Infrared emissivity spectra of Ge/ZnS one-dimensional photonic crystals at different temperatures［39］（a）3-5 μm；（b）8-14 μm

2.2 光譜選擇性超材料

軍事目標能夠?qū)崿F(xiàn)紅外隱身所使用的方法主要是在表面涂敷低發(fā)射率涂層材料，但是涂層在降低目標紅外發(fā)射率的同時，會極大地阻礙目標的輻射散熱，使目標的溫度上升，反而不利于目標的紅外隱身。光譜選擇性紅外隱身材料是通過調(diào)控材料自身的光譜特性，滿足材料在大氣窗口低紅外發(fā)射率的同時，利用非紅外探測波段（例如5~8 μm）進行輻射散熱，解決紅外涂層材料在低發(fā)射率與散熱兩者之間的沖突，紅外隱身性能優(yōu)異［41］。

Zhao 等［42］設(shè)計了一種由周期性的狹縫盒腔和銀納米盤團簇組成的全金屬納米結(jié)構(gòu)，其在3~5 μm 和8~14 μm 具有低的發(fā)射率，在2~3 μm 與5~8 μm 波段具有高發(fā)射率，其中在2.709 μm 和6.107 μm 處的發(fā)射率峰值為94.8%和99.5%，彌補了輻射散熱的不足，與大氣光譜吸收率相匹配。Xu 等［43］提出了一種基于超材料吸收器的中紅外波段范圍內(nèi)與偏振無關(guān)的頻率選擇性熱發(fā)射器。該發(fā)射器在兩個大氣窗口3~5 μm 和8~14 μm 中具有較高的反射率，且發(fā)射率保持在0.06 以下，而在5.5~7.6 μm 的大氣吸收波段內(nèi)具有較高的熱輻射效率，可以通過向外層空間輻射熱量來冷卻自己。Zhang 等［44］利用光學涂層技術(shù)，在石英襯底上交替制備Ge 和硫化鋅薄膜，成功制備Ge/ZnS一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體，光譜發(fā)射率測試結(jié)果表明，所制備的Ge/ZnS 一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體在3~5 μm和8~14 μm 大氣窗口的平均發(fā)射率可分別低至0.046和0.190，但在5~8 μm 非大氣窗口的平均發(fā)射率高達0.579，具有明顯的紅外光譜選擇性、低發(fā)射率特性，基本滿足設(shè)計要求。Lee 等［45］利用介電材料的電磁特性設(shè)計了一種多共振超材料發(fā)射器，其結(jié)構(gòu)為金屬-介電材料-金屬。通過對非探測波段能力耗散的評估發(fā)現(xiàn)，該超材料發(fā)射器在未檢測波段的能量耗散比金屬高16 倍，比傳統(tǒng)的選擇性發(fā)射器高26%?，F(xiàn)有的大部分光譜選擇性超材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝困難，難以得到廣泛的實際應(yīng)用。

3 多波段兼容隱身超材料

隨著雷達、紅外等各種探測技術(shù)向著多元化、智能化、高精化發(fā)展，軍事目標面臨著激光、雷達、紅外以及可見光等探測技術(shù)的聯(lián)合探測，單一的雷達或紅外隱身技術(shù)已不足以保障軍用目標的隱身及戰(zhàn)場存活能力，因此開發(fā)研究紅外與激光、雷達等兼容的隱身材料與技術(shù)迫在眉睫。超材料作為一種可以人工設(shè)計并進行調(diào)控的新型材料，在兼容隱身領(lǐng)域受到極大的關(guān)注，其中雷達與紅外兼容、紅外與激光兼容的研究較為普遍。

3.1 雷達/紅外兼容隱身超材料

與紅外光相比，雷達波是長波，故觀測目標一般不受氣候（霧、雨、雪）、黑夜、煙塵等干擾條件的影響，且雷達波探測距離較大，因此雷達探測應(yīng)用十分廣泛。雷達隱身技術(shù)要求盡可能地吸收雷達波，減少雷達回波能量，而紅外隱身要求抑制材料的紅外輻射，這就要求雷達隱身材料具有低反射率與高吸收率，而紅外隱身材料具有低的發(fā)射率和高的反射率，二者是相互矛盾的，因此雷達與紅外兼容的隱身材料一直是國內(nèi)外學者的一個研究重點?，F(xiàn)有研究中主要有兩個方法可實現(xiàn)雷達/紅外隱身的兼容，即設(shè)計金屬表面覆蓋率高的多層結(jié)構(gòu)［46］以及特定的頻率選擇表面與雷達吸波材料的雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)［47-48］，此外在雷達隱身材料表面涂敷特定的低發(fā)射率涂層［49-50］也能實現(xiàn)雷達與紅外的兼容隱身。

張崢［46］設(shè)計了一種多層結(jié)構(gòu)的隱身超材料，底層為金屬層，中間為環(huán)狀I(lǐng)TO 電阻層，最上層是高覆蓋率的金屬銅（copper）片層，通過調(diào)節(jié)雷達波段的阻抗匹配，實現(xiàn)了8~14 μm 波段紅外發(fā)射率為0.2，同時在8.2~16.2 GHz 范圍內(nèi)雷達波吸收率大于90%，見圖4（a）。所設(shè)計的超材料具有質(zhì)量輕、厚度薄、成本低廉、更加易于加工的優(yōu)點。李君哲等［47］設(shè)計了一種雙層結(jié)構(gòu)形式的紅外與雷達兼容隱身超材料，其結(jié)構(gòu)從上到下包括：頻率選擇表面層、隔離層、電阻型周期表面層、介質(zhì)基底。實驗結(jié)果表明，制備的雷達與紅外兼容隱身超材料厚度小于3 mm，在4~8 GHz 波段范圍內(nèi)的反射率小于－6 dB，見圖4（b），紅外發(fā)射率僅為0.298。徐翠蓮等［48］用氧化銦錫（ITO）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）兩種材料，設(shè)計了一種光學透明的復(fù)合超表面，該結(jié)構(gòu)是在雷達隱身材料上覆蓋一層低紅外發(fā)射率的微波高透頻率選擇表面，其主要由雷達吸波層和紅外低發(fā)射層組成。通過對ITO 的占比與方阻的調(diào)控，實現(xiàn)在3.0~14.0 μm 波段的低發(fā)射率與8.0~32.0 GHz 頻帶內(nèi)高達90% 的寬帶吸波率，具有良好的低紅外發(fā)射性能與寬頻雷達波吸收性能。梁娟等［49］發(fā)現(xiàn)，降低涂層中Al 粉含量可以顯著提高8~14 μm 波段紅外低發(fā)射率涂層與超材料吸波體之間的兼容性?；诖耍壕辏?0］在超材料表面設(shè)計了表層為低發(fā)射率涂層、中間層為阻抗匹配層的雙層復(fù)合涂層，測試發(fā)現(xiàn)，復(fù)合涂層的紅外發(fā)射率為0.198，2~18 GHz 的平均反射損耗為－10.59 dB，－10 dB 吸收帶寬為7.32 GHz，且超材料與該復(fù)合涂層具有良好的兼容性，達到紅外與雷達的兼容隱身要求。

圖4 雷達/紅外兼容隱身超材料（a）超材料結(jié)構(gòu)示意圖［46］；（b）超材料反射率譜圖［47］Fig.4 Radar/infrared compatible stealth metamaterials（a）schematic diagram of metamaterial structure[46];（b）reflectance spectra of metamaterials[47]

3.2 激光/紅外兼容隱身超材料

近年來，軍用激光器件得到了迅猛發(fā)展。由激光制導(dǎo)的導(dǎo)彈，其投擲精度與作戰(zhàn)能力達到了驚人的進步，很容易發(fā)現(xiàn)、擊中并摧毀目標。激光具有高的方向性、單色性、相干性，與雷達探測相似，激光探測器也是通過接收目標的反射波來分析探測，而且激光的分辨力更高、抗干擾能力更強、體積更小，因此激光隱身技術(shù)的主要方法是降低目標的反射率，減少目標的激光回波［51］。

目前，軍事上常用的激光器主要波長有1.06，1.54 μm 和10.6 μm，都位于紅外波段，因此紅外與激光兼容隱身材料要保證在紅外波段具有低發(fā)射率，同時在上述3個激光波長上具有較窄波段的低反射率或高透過率。目前的激光探測系統(tǒng)基本都是較窄線寬且單一的工作波長，因此可以采用“光譜挖孔”的方法實現(xiàn)激光與紅外兩者的兼容隱身［52］。高永芳等［53］對光子帶隙處在遠紅外波段的光子晶體薄膜進行了摻雜，使其在10.6 μm 處有很強的“光譜挖孔”效果，反射率幾乎為0，同時此薄膜在遠紅外波段也能保持較高的反射率。

Kim 等［54］提出了一種用于紅外技術(shù)的具有金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)（metal-insulator-metal，MIM）的雙波段超材料完美吸收體，其3 層MIM 結(jié)構(gòu)分別為Ag、聚酰亞胺（PI）和Ag，單元陣列為水平圓片結(jié)構(gòu)，成周期性分布排列。模擬計算得出吸收體能夠?qū)?.54 μm紅外激光的散射減少90%以上，并將長波紅外和中波紅外特征抑制92%以上，見圖5（a）。Chen 等［55］設(shè)計了一種用于激光與紅外兼容的選擇性超材料吸收器，其單元結(jié)構(gòu)為水平方片結(jié)構(gòu)，見圖5（b），仿真結(jié)果表明，在1.54 μm 處的吸收率達到99%，可以有效地抑制散射或反射1.54 μm 的激光信號，其在3~5 μm 和8~14 μm 波段的發(fā)射率分別低于10%和6%。與使用表面發(fā)射率為0.06 的低發(fā)射率涂層相比，該吸收體可以在非檢測波段通過熱發(fā)射被動冷卻。Zhang 等［56］提出了一種利用亥姆霍茲共振腔的雙頻帶超材料吸收器，它由頂部的金屬圖案層和硅介電層間隔的諧振腔組成，頂部的金屬圖案層是由周期性的方形密封環(huán)陣列組成，見圖5（c）。數(shù)值模擬計算得出，所設(shè)計的吸收器在目標波長為10.6 μm 和1.064 μm 處的吸收率都達到99%以上，即使在60°的大入射角下其吸收率也高達90%，且在紅外工作波段的吸收率也很低，可以實現(xiàn)紅外隱身與1.06 μm 和10.6 μm 兩個波段的激光隱身的完美兼容，設(shè)計的吸收器在紅外隱形領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。Zhao 等［57］選擇中遠紅外透明材料PbTe 和Na3AlF6，構(gòu)建出一種多周期雙異質(zhì)結(jié)光子晶體，并基于薄膜光學理論計算出所設(shè)計的光子晶體在近、中、遠紅外波段的光譜反射率，其中1~5 μm 和8~14 μm 紅外波段的光譜反射率大于99%，1.06 μm 和10.6 μm 波段的光譜透光率大于96%，滿足激光和紅外在近、中、遠紅外波段的兼容隱身。但是，這些研究大多是理論上的，且不具備實際生產(chǎn)應(yīng)用中高產(chǎn)率、低成本、方便快捷的要求，尚不能進行大規(guī)模推廣與應(yīng)用。

圖5 激光/紅外兼容隱身超材料（a）水平圓片結(jié)構(gòu)［54］；（b）水平方片結(jié)構(gòu)［55］；（c）水平方形密封環(huán)結(jié)構(gòu)［56］Fig.5 Laser/infrared compatible stealth metamaterials（a）horizontal wafer structure[54]；（b）horizontal square structure[55]；（c）horizontal square ring structure[56]

4 結(jié)束語

超材料作為可以人工設(shè)計并調(diào)控來獲得性能迥異的“新物質(zhì)”的一種新材料，提供了一種針對不同需求來逆向設(shè)計并構(gòu)建所需材料性能的方法。與傳統(tǒng)材料相比，人工設(shè)計的超材料吸波強度更高、吸收頻帶更寬、性能更加優(yōu)異，符合軍用隱身領(lǐng)域的“薄、輕、寬、強”的要求。然而超材料在隱身領(lǐng)域也有一定的不足，其在隱身方面的研究與應(yīng)用主要受到以下3 個方面的限制：（1）相關(guān)研究大多集中在原理性的探索上，并基于相關(guān)算法模擬相關(guān)波段的隱身特性及兼容問題，尚不能做到低成本、大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用；（2）研究大多是基于平面設(shè)計，且材料的耐腐蝕性能差、力學性能不佳，尚且不能與坦克、飛機、導(dǎo)彈等軍事目標的彎曲表面及工作環(huán)境相匹配；（3）目前研究的隱身超材料結(jié)構(gòu)特性大多是研究人員針對某一特定波段而進行的設(shè)計調(diào)控，只對特定波段背景里的目標起到隱身作用，當外界波段改變時目標則不能實現(xiàn)隱身，因此大多數(shù)隱身超材料對背景波段要求嚴苛，不能適應(yīng)外界多變的背景環(huán)境。

在今后對隱身超材料的研究中，要更加重視對低成本、易制備的隱身超材料的應(yīng)用研究，爭取實現(xiàn)超材料在軍用裝備上的低成本生產(chǎn)以及大規(guī)模應(yīng)用，同時研究人員要開發(fā)更多紅外與雷達兼容、紅外與激光兼容等多波段兼容的隱身超材料，實現(xiàn)軍用目標的多波段兼容隱身，提高其隱身性能與生存概率。此外，研究人員要著眼于隱身超材料綜合性能的研究，進一步提高超材料的耐溫性能、耐蝕性能以及戶外穩(wěn)定性等性能，從而克服復(fù)雜多變的外界工作環(huán)境，擴大隱身超材料的應(yīng)用領(lǐng)域。超材料作為一種新興的材料必定會成為隱身材料領(lǐng)域的重要研究與發(fā)展方向。