探索热辐射：红外发射率的调控艺术与应用（隐身篇）

人和物体无时无刻不在向外界辐射红外能量，也就是红外线。红外线在空气中传播时，会遇到水分子、二氧化碳、一氧化氨等极性分子以及固体颗粒物的阻碍，这些物质会对红外线进行一定程度的吸收和散射，因此红外射线在空气中传播时会发生能量衰减。波长在0.76~2.6um、3~5um以及8~14um这3种波段内的红外线在空气中传播时不受阻碍，这几个波段通常被称作红外“大气窗口”，可以通过红外探测设备进行探测。其中8~14um波段主要应用于热成像系统，3~5um波段主要应用于红外制导技术。

红外热成像仪探测原理为通过获取物体的红外辐射，再与环境的红外辐射进行对比，从而实现对物体的探测。物体向外发射红外辐射，探测仪将其接收再通过计算换算成人眼能够识别的图像信息，即在显示屏上将物体表面每个点赋予不同颜色，颜色深浅由物体表面温度决定。人眼根据物体与周围环境所呈现出不同的颜色差异来锁定目标。红外热成像仪因其识别精度高、抗干扰能力强、反应速度快等优点，在军事侦察领域应用广泛。

图 1 红外隐身的主要路径（顾杰，2022）

当目标物体与周围环境所发出的红外辐射相近时，红外探测仪不易区分目标与环境，可达到红外隐身效果。物体的红外辐射强度 遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律，如下式：

式中： 为物体表面的红外发射率； 为斯特藩常量； 为绝对温度。

由上式可知，物体表面温度、辐射率越高，物体的红外辐射强度就越高。在物体温度较低时，表面红外辐射率对辐射强度影响占主导，而当物体表面温度较高时，表面温度对辐射强度影响占主导。想要实现红外隐身，可以从以下方面进行考虑：改变物体的红外发射率；将物体的表面温度改变至与周围环境接近；在物体辐射红外线的途径中进行阻隔，使其在传播途径中发生吸收或散射。目前红外隐身材料大多依据前2点来进行研制，通过在物体表面涂覆低发射率涂层来降低物体表面的红外辐射率，或者采用吸热、隔热材料将物体包裹，降低物体与环境的红外辐射温度差。

图 2 红外隐身材料的热成像（Moghimi M J，2018）

1 低发射率红外隐身材料

1.1 低发射率涂层

选用低发射率涂层材料涂覆在物体表面，可以有效地降低目标红外辐射强度。涂层通常由黏合剂和低发射率填料（如金属、半导体等）组成。较多选用金属粉末作为涂层填料是因为许多金属在红外波段所表现出的发射率极低，如铜、银、金、铝、铂、镍等在不同温度下这些金属的红外发射率如下表所示。综合考虑成本问题，目前填料选用铝粉和铜粉较多。

表1 不同温度下常见金属的红外发射率（许毅辉，2023）

金属由于其较低的红外发射率能够作为填料制备涂层，但是也存在一些不足。首先，金属材料耐高温性能不强，普遍工作环境温度为600~800℃，在更高温度环境下不能长时间工作。其次金属本身的高反射率使得制备的涂层反而更易被雷达发现。掺杂半导体材料可以通过调整材料中各组分含量对红外发射率进行调控，从而实现雷达/红外双重隐形。例如掺锡氧化钢（ITO）为典型的掺杂半导体材料，其对红外的反射率大于70%，透光率大于95%，可实现兼容隐身。除此以外还有掺铝氧化锌（ZAO）、掺锑氧化锡（ATO）等，因此，选用掺杂半导体材料作为填料制备的低红外发射率涂层应用领域较为广泛。

图3 ATO及复合涂层制备流程示意图（许毅辉，2023）

1.2 低发射率纤维和薄膜

低红外发射率的纤维膜具有柔韧轻便的特点，在红外隐身领域有着广泛的应用。低红外发射率纤维可通过静电纺丝以及熔融纺丝等方法制得，具体方法是在纺丝液中加入导电金属粉体、碳基材料粉体等制备，利用金属或碳基材料对红外进行吸收和反射，达到红外隐身效果。

2. 控温红外隐身材料

根据红外辐射强度公式可知，实现红外隐身除了可以通过降低物体红外辐射率，还可以通过控制物体表面温度实现。控制物体表面温度又称热抑制法，可以利用隔热材料、相变材料等来控制物体表面温度，减少目标的红外辐射强度，实现红外隐身目的。

2.1 隔热材料

隔热材料通常是利用低热导率材料对目标物体进行包裹或涂覆，从而对物体散发出的热量进行隔绝以实现红外隐身效果。常见隔热材料有中空纤维、中空微珠、SiO₂气凝胶等。中空微珠的粒径通常在几微米到一百微米之间，具有空心或多层结构，因其质量轻，化学稳定性强、导热系数低等特点是优秀的保温隔热填料。SiO₂气凝胶是一种拥有三维网状空间结构的多孔纳米材料，具有高孔隙率和比表面积，是体积密度极低、导热率极小的材料之一。

2.2 相变控温材料

相变材料因环境温度变化发生相变过程中，对热量进行释放或储存，可以使被保护物体表面温度与周围环境温度保持一致。在红外隐身领域，相变材料应用较多的有2种，分别为固液相变材料和固固相变材料。

固液相变材料的应用主要是微胶囊相变材料。内部被包裹的相变材料称为囊芯，外部成膜材料称为壁材。当物体表面散发热量时，外部壁材保持固态不变，内部的相变材料会因相转变吸收热量，控制物体温度，实现红外隐身。微胶囊相变材料的制备方法包括：界面聚合法、原位聚合法和复合凝聚法。

固固相变材料即晶相转变材料，当外界温度达到相变温度，其晶格结构和光学性质会发生改变，从而有效调节红外发射率。最典型的材料为二氧化钒（VO₂），二氧化钒在68℃附近会发生相变，结构从单斜晶向变为四方品向，可以实现红外从透射变为反射，因此这种能够调控红外发射率的相变材料在动态隐身领域应用广泛。

3 新型智能红外隐身材料

3.1 超材料

超材料是一种人工合成具有超常物理性质的复合材料，其特殊性质来源于人工设计的微结构，在电磁、通信、红外隐身等领域有着广泛的运用。光学超材料如光子品体，其可以通过微结构的周期性变化来调控电磁波的传播。周期性结构产生的光子禁带对相应频段的电磁波高反射，且能抑制其自发辐射。光子品体结合响应性材料能够制备出具有自适应性的智能红外隐身材料。

热学超材料作为超材料家族的一大分支，是人工合成具有各向异性、非均一性的结构特点的材料，与自然界中的均质材料相比在热学方面展现出特别的性能。通过人工结构设计可以实现热导系数按需分布，屏蔽物体温度场来实现红外隐身。

超材料因其特殊的光学或者热学性能为红外隐身材料的设计提供了新思路，但其对材料结构控制的要求相对较高，目前来看实现大规模生产的难度较大。

3.2 红外隐身仿生材料

受自然界中众多“伪装大师”的启发，在隐身领域，仿生材料也是当前研究热点之一。例如许多生物可以通过色素细胞等改变自身颜色，在1s内就可融入周围环境，达到隐身效果。

红外隐身仿生材料通过模仿自然界中生物的特性，设计并制造出能够有效降低物体红外辐射强度的材料。这些材料通常具有特殊的微结构或成分，能够吸收、散射或抑制红外波段的电磁波，从而使物体在红外探测设备下难以被察觉。红外隐身仿生材料在军事、航空航天、安防等领域具有重要应用，能够有效提高装备的隐身性能，增强其生存能力和作战效能。随着材料科学和仿生学的发展，红外隐身仿生材料的技术不断进步，为现代科技领域带来了新的突破和挑战。

4 协同复合材料

为实现高效的红外隐身，单一的改变红外发射率或者控制温度都具有一定的局限性，协同利用低发射率材料和控温法可以更加有效地实现红外隐身。目前的策略通常是将控温材料、低发射率材料或者是超材料复合形成更高效的红外隐身材料。

图4 红外隐身协同复合材料（许毅辉，2023）

5 红外隐身材料对比

红外隐身材料主要包括低发射率材料、控温材料以及近年来较为热门的智能型红外隐身材料，已广泛应用于织物、军事装备等领域。低发射率材料是红外隐身材料最主要的研究领域，具有使用方便、施工工艺简单、成本低廉等特点，但也存在易腐蚀、密度大且难加工的不足。控温材料主要包括各种隔热材料和相变材料，具有应用方便、形式多样、兼容性好等优点，但也存在隔热材料厚度较大，相变材料使用温度相对较低的缺点。新型智能红外隐身材料代表了红外隐身材料技术研究的最先进方向，通常具有对外感知、自我指令的特点，但制备工艺复杂、成本高。协调复合材料是未来红外隐身材料发展的方向，红外隐身更加高效，但合成难度大。

红外隐身材料的发展仍需考虑以下几点：面对日益复杂的作战环境和极端条件，对红外隐身材料的耐高热、耐腐蚀和力学性能提出了更高的要求，研制耐高温、抗冲击、耐腐蚀的红外隐身材料十分必要；单一波段的隐身技术不能应对飞速发展的探测技术，未来红外隐身领域的研究重点为多波段兼容隐身技术，研发多波段兼容隐身材料以满足现代化军事发展需求。为更好地实现红外隐身，红外隐身材料应向控温、低发射率以及超材料相结合的方向发展。

6 红外发射率的测量

红外隐身材料通过控制目标的红外辐射特性，使其与背景环境融为一体，从而规避红外探测系统的识别。发射率作为衡量材料表面红外辐射能力的核心参数，其精确测量对隐身材料的研发、性能评估及实际应用至关重要。

红外隐身技术的核心在于调控目标的红外辐射特征，而发射率是直接决定这一辐射特性的关键物理量：

发射率直接影响隐身效能：材料的红外发射率越低，其表面辐射的能量就越弱，在红外热像仪中显示的目标特征也就越模糊。因此，精确测量并控制材料的发射率，是设计和优化红外隐身材料的直接依据。

保障隐身性能的可靠与稳定：理想的隐身材料不仅需要初始的低发射率，还需在复杂的实战环境中（如温度剧变、机械摩擦、风雨侵蚀、日照老化等）长期保持这一特性。通过测量不同环境条件下的发射率数据，可以评估隐身涂层的环境适应性、耐久性及可靠性，确保其在整个服役期内稳定发挥作用。

EM10便携式红外发射率测量仪是一款为现场及实验室环境设计的先进测量设备，其设计和功能充分考虑了红外隐身材料研究和应用的实际需求。

下面的表格详细列出了EM10的主要特点和优势：

EM10在红外隐身材料领域的应用价值与前景：EM10的出现，为红外隐身材料从实验室研究到工程化应用的全生命周期都提供了强有力的工具。

加速材料研发与优化：在研发阶段，科研人员可以利用EM10快速测量不同配方、不同工艺制备的隐身涂层的发射率，精准评估其隐身性能，为材料优化提供即时、可靠的数据反馈，大大缩短研发周期。

实现现场质量监控与效能评估：在军事装备的生产制造和维护现场，EM10可以用于对大型装备（如飞机蒙皮、舰船甲板、坦克装甲）的隐身涂层进行直接检测。这对于保证出厂装备的隐身质量，以及评估在役装备的隐身性能是否因老化、磨损而下降至关重要。

推动多频谱兼容隐身发展：现代战场对隐身技术提出了多频谱兼容（如雷达波、红外、激光）的更高要求。EM10提供的高精度红外发射率数据，有助于研究者开发能够同时有效应对多种探测手段的智能隐身材料。

拓展至更广阔的应用领域：除了传统的军事装备，EM10的便携和高精度特性也使其在航空航天、新能源材料、建筑节能材料等多个需要精确热辐射管理的领域展现出巨大的应用潜力。

精确的红外发射率测量是发展和验证红外隐身技术的基石。EM10便携式红外发射率测量仪凭借其双波段同步、高精度、快速便携和智能易用的突出特点，成功地将实验室级的精确测量能力带到了广阔的现场，有力地推动了红外隐身材料的技术进步和实战化应用，在未来国防科技和先进材料领域具有广阔的发展前景。