Advanced Materials:可自由编码辐射性能的热红外隐身和热红外伪装膜

根据斯特藩-波尔兹曼定律,所有常温附近的物体都在向外辐射平均波长约10微米的电磁波。这种电磁波也称为热红外射线,它无处不在,且包含着丰富的信息。热红外射线虽然肉眼不可见,却可以被特殊的设备接受到,借以实现对物体的远程探测和快速表征。热红外信号的设计,调控以及测量具有重要的意义,在日常生活,工程技术,工业生产,科学研究,生物医学,公共卫生,军事科学等多方面具有广泛的应用。

理想物体(称为“黑体”)的红外辐射功率(P)随温度(T)的四次方成正比,而相同温度的普通物体的辐射功率只能达到黑体的一部分,这个百分比称为辐射效率(thermal emittance,ε)。对于绝大多数常规材料,辐射效率几乎不随温度发生变化。这种性质使得常规材料也基本服从功率随温度的四次方变化规律,限制了对热红外信号的调节能力和功能型热红外材料的开发。

美国加州伯克利大学的Junqiao Wu(吴军桥)教授和博士后研究员Kechao Tang(唐克超)主导的此项研究首次突破了这条P 正比于T4规律的限制,通过纳米级调控的梯度式钨掺杂二氧化钒(VO2)相变材料,开发出可自由设计辐射性能的材料平台,并以此制成具有高性能和独创性的热红外隐身膜和伪装膜。相关结果发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201907071)上。

VO2薄膜在金属-绝缘体相变时具有热红外辐射效率大幅和迅速降低的性质,但其相变温度偏高(~ 67 °C)且工作范围很窄(< 5 °C),难以直接应用。研究团队通过钨掺杂连续调节相变温度的技术,创新性地将多层纳米尺度的不同钨掺杂浓度的VO2薄膜集成在一起并退火处理,制成了渐变钨掺杂的VO2薄膜。根据选取的钨掺杂浓度和厚度比例,这种新材料可以在常规环境温度附近(-20 °C – 70 °C)灵活地设计并调节辐射率随温度的变化规律,借以实现多种新型功能热红外材料的开发。第一种设计方案实现了红外辐射率按ε 正比T-4规律减小,恰好抵消黑体辐射的T4的温度依赖关系,并利用湿法转移技术,开发出了辐射功率不随温度变化的柔性红外反探测薄膜。经实验展示,此薄膜可以将温度在10 °C – 65 °C范围内目标物体的热红外辐射功率锁定在特定的设计值,有效地实现了热红外隐身(camouflage),并相比于传统热红外遮蔽技术具有无能耗,成本低,对温度梯度和波动免疫等诸多优势。在此基础上,第二种设计方案通过将不同结构的材料组合在一起,实现了一种全新的技术—热红外伪装。这项技术可以在任意温度场的表面根据需要制造出任意虚假的热红外温度场,进而诱骗红外探测器并隐藏真实信息(如图所示,“CAL”三个字母代表的虚假温度场被锁定在设计值,不随实际温度发生改变)。以此热红外隐身和伪装膜为代表的梯度式钨掺杂VO2材料平台将为红外科技提供新的设计和发展维度,并将在国防,科研,工程,以及信息加密技术方面发挥重要的作用。