自适应可见-红外伪装与大范围辐射控制极端环境温度|光谱|发射率|字母|自适应|辐射

论文信息：

Yixiang Huang, Huanzheng Zhu, Yiwei Zhou, Cenzhen Dai, Rongxuan Zhu, Pintu Ghosh, Min Qiu and Qiang Li, Adaptive visible-infrared camouflage with wide-range radiation control for extreme ambient temperatures, PhotoniX 6, 25 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1186/s43074-025-00184-5

研究背景

随着现代侦察技术的飞速发展，尤其是在多波段（如可见光、红外、毫米波等）探测手段日益集成化的背景下，传统的单一波段伪装技术已难以满足复杂多变的环境需求。尤其是在极端温度环境下，如沙漠地区，昼夜温差可超过60 °C，目标在可见光和红外波段的显着性都会发生剧烈变化，因此亟需发展一种能够同时适应可见光和红外波段、并能在宽温范围内动态调节的自适应伪装技术。现有的自适应伪装技术大多局限于单一波段（如仅可见光或仅红外）的动态控制，或在多波段控制中存在耦合问题，导致可见光颜色与红外辐射特性难以独立调节。此外，大多数研究仅通过调节发射率或表面温度中的一种方式来实现红外伪装，这在极端温度环境下的调控范围有限，难以实现有效的热隐身。因此，开发一种能够在宽温度范围内独立、动态地调控可见光颜色与红外辐射特性的集成化伪装平台，具有重要的研究价值和应用前景。

研究内容

本文研究提出了一种面向极端环境的多层结构可见光-红外自适应伪装器件（TCM-MWG-TED），该器件由上层的热致变色（TCM）层、中层的多壁碳纳米管（MWCNT）基发射率-电致变色三层结构，以及底层的热电制冷器（TED）组成。该设计实现了可见光颜色与红外辐射特性的解耦控制，具备在极端温度环境下（如沙漠）进行动态伪装的能力。

该自适应可见光-红外伪装的原理如图1所示，图1(a)所示为沙漠环境中白天（有无植被）和夜晚的伪装需求，指出目标需在不同背景下调整颜色和辐射温度。图1(b)所示为通过辐射温度与表面温度和发射率的关系图，说明了通过协同调控发射率和表面温度可实现更宽的辐射温度调控范围（如从40 °C降至-40 °C）。图1(c)所示为该器件的多层结构设计，上层负责可见光颜色变化，下层负责红外辐射调控。图1(d)所示则通过与其他研究的对比，突出了本器件在辐射温度调控范围上的优势。这些图像共同表明，本研究通过解耦设计和多层集成，实现了在极端环境下的宽范围、多波段自适应伪装。

图1.宽范围辐射控制自适应可见-红外伪装原理；(a)在白天（有和没有植被）和夜间极端温度的沙漠环境中自适应可见-红外伪装的插图；(b)红外辐射的控制机制：物体的辐射温度与表面温度和发射率呈正相关。发射率和表面温度的联合调节使辐射温度控制的范围更广；(c) VIS和IR双频兼容多层结构示意图，其中上层具有动态可见颜色特性和高红外透明度，下层具有动态红外辐射；(d)与以往VIS-IR自适应伪装的比较。

然后本文研究进行了器件结构与性能设计。该可见-红外自适应伪装器件（图2(a)所示）主要由三部分构成：一是约20 μm厚的热致变色（TCM）层；二是由多壁碳纳米管（MWCNT）、水性聚氨酯-离子液体（WPU-IL）及石墨电极组成的三明治结构（总厚度数百微米）；三是厚度数毫米的热电器件（TED）。在可见光伪装方面，红外透明的TCM层在28 °C时实现从绿色到黄色的颜色转换，温度由底部TED调控；在红外伪装方面，通过MWCNT基结构电调控发射率，结合TED调控表面温度，协同实现辐射温度调节。整体器件厚度仅数毫米，实现了可见与红外伪装功能的紧凑集成。其热致变色（TCM）层性能为，通过TCM层的可见光图像与反射光谱显示（图2(b)所示），当温度达到28 °C时，其反射峰从563 nm偏移至582 nm，对应颜色从绿色变为黄色。该TCM化合物由结晶紫内酯、双酚A、1-十四烷醇组成的蓝色透明TCM溶液，添加无机α-FeOOH黄色颜料后，通过丝网印刷工艺在nanoPE基底上形成约7 μm厚的薄膜。在8-14 μm红外波段，TCM层在颜色转换前后均保持约0.83的高透过率（图2(c)所示），表明热切换过程中的寄生吸收可忽略不计。其MWCNT基红外调控结构性能为，在MWCNT/WPU-IL/ 石墨电极（MWG）结构中，10 μm厚的随机分布 MWCNT薄膜（图2(d)所示）兼具发射率调控层与电极功能，其随机取向消除了各向异性光学效应，实现角度无关的红外调制。石墨纸电极确保高导电性与稳定性，中间的WPU-IL凝胶电解质（含1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲磺酰基）亚胺（EMIM:TFSI）离子液体）则促进离子迁移。MWCNT 薄膜的发射率与其直流导电性强相关，通过施加电压可诱导阴离子或阳离子注入/抽出，从而调节导电性与发射率（图2(e)所示）。在0 V时，MWCNT薄膜发射率约为0.73；施加±5 V电压时，发射率可降至约0.23，emissivity差值达0.50。而TCM层与MWCNT基结构结合形成的TCM-MWG结构（图2(e)所示红线），其发射率调控范围为0.44-0.84，差值保持0.40，红外发射光谱（图2(f)所示）进一步验证了这一结果。其热电器件（TED）性能为TED上表面温度（Tc）与施加电流呈强相关性（图2(g)所示），三条曲线分别对应不同散热片温度（Ths）下的温度变化（通过水循环维持散热片温度恒定）。即使在高温环境下（图2(g)所示黄线），TED表面温度仍可降至10 °C，为极端环境下的温度调控提供了保障。

图2. 自适应可见-红外伪装器件的设计；(a) TCM-MWG-TED器件的结构示意图；(b) TCM层的可见光谱及其对应的图像；(c) TCM层在颜色变化前后，在8-14 μm波段的透射光谱；(d) 随机分布的多壁碳纳米管（MWCNT）网络表面形貌的扫描电子显微镜（SEM）图像（质量分数约79%）；(e) MWG（黑色圆形）和 TCM-MWG（红色三角形）在8-14 μm波段的平均发射率随施加在MWCNT薄膜上的偏压变化的关系曲线；(f) MWG（黑色曲线）和TCM-MWG样品（红色曲线）在无偏压（实线）和有偏压（虚线）条件下的发射率对比；(g) 热电器件（TED）上表面温度（Tc）与施加电流之间的实验测量及拟合关联曲线，其中散热片温度（Ths）通过散热片内部的水循环维持恒定。

其次本文研究进行了器件光学性能验证。图3(a)所示以二维四边形区域展示了器件在理论上的辐射温度、表面温度和发射率之间的关系，并标出了绿色和黄色对应的温度区间；图3(b)所示为通过四个极端状态（I-IV）的红外与可见光图像，展示了通过温度和发射率调控实现的辐射温度变化范围可达67.7 °C，同时可见光颜色可根据表面温度自动切换。此外，状态V和VI展示了相同辐射温度下不同的表面温度和颜色，进一步证明了可见光与红外波段的可独立调控性。这些图像表明，该器件不仅在理论上具备宽范围调控能力，实验中也实现了与理论高度一致的多波段伪装效果。

图3. TCM-MWG-TED器件的光学性能；(a) TCM-MWG-TED器件的理论可见-红外（VIS-IR）调制范围；该结果展示了目标辐射温度（纵轴，y轴）、表面温度（横轴，x轴）与发射率（红线：黑体；橙线：发射率ε=0.84；黄线：发射率ε=0.44）三者之间的关系；彩色四边形代表理论红外辐射范围及可见光外观；(b) TCM-MWG-TED器件的实验性能；状态I、II、III、IV定义了调控区间的边界，其中（I-II、III-IV）代表温度调控，（I-III、II-IV）代表发射率调控；不同的红外调控方式对应不同的调控范围，两种方式结合可实现最大调控范围（I-IV），达67.7 °C；状态V与状态VI的辐射温度几乎相同，但表面温度和可见光外观存在差异。

本文研究最后进行了沙漠环境与多像素器件伪装性能表征。为直观展示器件在可见与红外波段的伪装性能，构建了模拟沙漠背景以模拟不同极端环境。在夜间低温沙漠环境中（图4(a)和(d)所示），器件表面颜色变为深绿色，融入昏暗背景以规避可见光探测，同时向TED施加正向电流显著降低目标表面温度，确保在红外波段与寒冷沙漠背景融合；在白天高温沙漠环境中（图4(b)和(e)所示），受TED与背景热量影响，器件表面切换为黄色，匹配沙土背景颜色，同时施加负向电流使TED表面温度升高至接近环境温度，实现红外热伪装；当目标进入沙漠绿洲环境时（图4(c)和(f)所示），器件在28 °C以下呈现绿色以融入植被背景，并通过调控表面温度与发射率规避红外相机探测。综上，该器件不仅能在沙漠昼夜高低温环境下实现红外伪装，还能通过主动热致变色实现动态场景下的可见光伪装，为复杂环境中的目标提供全面保护。

并且为进一步提升功能，研究团队开发了13 cm×13 cm、具备可见光伪装图案且红外多像素动态调控的器件，如图5(a)所示，用于可见光兼容的红外自适应伪装。所有器件像素共享公共石墨接地对电极，WPU-IL凝胶电解质促进离子迁移；顶电极为4×4可调控发射率的 MWCNT 薄膜阵列，由上方柔性聚酰亚胺电路（FPC）提供稳定电压。器件表面覆盖透过率约0.85的可见光伪装图案，在可见光波段可呈现与绿洲、森林、草原等自然环境融合的伪装图案，实现被动可见光隐蔽；在红外波段，该4×4动态阵列可实现可逆显示（图5(b)-(d)所示），通过向选定像素组施加电压，可模拟“F”“H”等字母形状的虚假红外目标，且像素边界清晰，各像素可独立调制且不受相邻像素干扰。该多像素器件不仅验证了大面积制造的可行性，还在自适应伪装、信息加密等领域展现出巨大应用潜力。

图4.不同沙漠环境下的自适应伪装演示；(a)、(b)、(c)（可见光伪装效果）与(d)、(e)、(f)（红外伪装效果）分别对应沙漠白天与夜间场景下的同步红外伪装。

图5.多像素器件的自适应伪装效果；(a) 多像素器件的可见光图像；(b) 多像素器件初始状态下的红外（IR）图像；(c)、(d) 当向不同像素组施加电压时，多像素器件可显示具有可逆性的图案，分别为字母“F”（图(c)）和字母“H”（图(d)）。

结论与展望

综上所述，本研究通过设计并制备了一种集热致变色层、MWCNT基发射率调控结构和热电制冷器于一体的多层可见光-红外自适应伪装器件，成功实现了在极端温度环境下的宽范围、多波段动态伪装。通过协同调控发射率和表面温度，器件的辐射温度调控范围可达67.7 °C，远超单一调控方式的极限；且该器件具备在28 °C时从绿色到黄色的可见光颜色切换能力，并能与不同背景融合；通过展示多像素器件的动态红外图案显示能力，体现了其在信息加密和复杂场景适应方面的潜力。本研究为多波段自适应伪装技术的发展提供了新的设计思路和技术路径，具有较强的科学意义和工程应用价值。