基于ITO導(dǎo)電薄膜的雷達/紅外兼容隱身輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，一支由中國礦業(yè)大學(xué)、中國空間技術(shù)研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員組成的團隊設(shè)計并研制出一種基于超材料的寬帶微波/紅外兼容隱身結(jié)構(gòu)器件，該結(jié)構(gòu)包括基于氧化銦錫（ITO）薄膜制備出的紅外隱身層（IRSL）、微波吸收層（MAL）和微波反射層（MRL），能夠在2～18.6GHz范圍內(nèi)實現(xiàn)90%以上的吸收，其紅外發(fā)射率低于0.3。相關(guān)研究成果以“一種基于超材料的輕質(zhì)寬帶雷達/紅外兼容隱身結(jié)構(gòu)”為題發(fā)表在《紅外與毫米波》期刊上。

隨著可見、紅外、雷達及激光制導(dǎo)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍事裝備在戰(zhàn)場上將面臨多波段偵查的威脅，與之對應(yīng)的多波段兼容隱身技術(shù)能提升武器裝備戰(zhàn)場生存能力。在各類探測手段中，雷達（微波）與紅外探測占據(jù)90%，因此微波與紅外兼容隱身技術(shù)成為多波段兼容隱身的主要研究方向之一。一種常見實現(xiàn)方式是在微波吸收劑外層包覆紅外高反射率的微金屬顆粒，以實現(xiàn)雷達與紅外隱身的兼容。但紅外高反射率的金屬材料在微波頻段也具一定反射，因此在一定程度上犧牲了微波吸收性能。如何解決紅外隱身和雷達隱身對電磁波反射特性相互矛盾的難題，是實現(xiàn)雷達/紅外隱身技術(shù)的關(guān)鍵。

超材料在操縱電磁方面具有可設(shè)計性和靈活性，越來越受到研究者的關(guān)注。超材料的特性主要取決于周期或非周期排列的結(jié)構(gòu)單元，通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，操縱其有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，實現(xiàn)超材料對電磁波的調(diào)控。

基于此，本文設(shè)計了一種基于ITO導(dǎo)電薄膜的雷達/紅外兼容隱身輕質(zhì)超材料結(jié)構(gòu)。圖1為雷達/紅外兼容隱身超材料結(jié)構(gòu)示意圖，器件從上到下依次為IRSL、MAL和MRL。各功能層由襯底為聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET，0.175mm）的透明導(dǎo)電ITO薄膜構(gòu)成。各功能層之間為不同厚度（d1、d2、d3）的PMI泡沫。MAL由兩個周期尺寸和方阻不同的兩種結(jié)構(gòu)層組成。MAL1和MAL2分別吸收低頻段和高頻段微波，二者結(jié)合實現(xiàn)對微波的寬頻吸收。MRL由ITO連續(xù)膜組成，將透過的微波反射至微波吸收層進而實現(xiàn)多次諧振吸收。

圖1 雷達/紅外兼容隱身超材料結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雷達/紅外兼容隱身超材料結(jié)構(gòu)的各功能層結(jié)構(gòu)圖：（a）微波吸收層1和微波吸收層2的單元結(jié)構(gòu)圖；（b）紅外隱身層的單元結(jié)構(gòu)圖。本文仿真了雷達/紅外兼容隱身超材料結(jié)構(gòu)在正入射情況下的吸波性能，電場偏振方向沿y軸，結(jié)果如圖3所示。仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在2～18.6GHz寬帶范圍實現(xiàn)了超過90%的吸收率（黑色曲線）。

圖3 雷達/紅外兼容隱身超材料的模擬吸波性能

利用激光刻蝕制備出紅外隱身層和微波吸收層，再將厚度不同的PMI泡沫插入各結(jié)構(gòu)層間，最后得到與設(shè)計一致的超材料吸波結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸為300mm×300mm×17.2mm，實際得到的樣品厚度為17.5mm，如圖4中插圖為樣品實物照片，由于ITO/PET薄膜可見透光率良好，樣品基本呈現(xiàn)PMI泡沫的顏色。用弓形法測試樣件在2～4GHz，4～8GHz，8～18GHz的吸波性能，測試結(jié)果如圖4所示。與仿真結(jié)果基本一致，制備的吸波結(jié)構(gòu)在2.7～18GHz頻段的吸收率高于90%。

圖4 雷達/紅外兼容隱身超材料結(jié)構(gòu)在正入射時的仿真與實驗吸波曲線，插圖為樣品的照片

最后，通過熱紅外相機（PI640，Optris Inc.）測量超材料吸波結(jié)構(gòu)的發(fā)射率。如圖5所示，將紅外隱身層和大小相同的對照組樣件（方阻相同的ITO連續(xù)膜，PET薄膜）放在70°C的加熱板上。紅外隱身層表面的紅外溫度為39°C，紅外發(fā)射率（ε）為0.27；對照組ITO連續(xù)膜和PET薄膜的紅外溫度分別為31°C（ε=0.15）和68°C（ε=0.95）。

圖5 雷達/紅外兼容隱身超材料結(jié)構(gòu)在70°C溫度下的紅外熱像圖綜上，本文成功設(shè)計并制備了一種能夠?qū)崿F(xiàn)雷達/紅外兼容隱身的超材料結(jié)構(gòu)，并對其各項性能進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明本結(jié)構(gòu)在2.7～18GHz微波吸收率大于90%，在8～14μm紅外波段的發(fā)射率低于0.3。本結(jié)構(gòu)具有良好的極化穩(wěn)定性，當(dāng)電磁波斜入射角小于60°時也能保持良好的寬帶吸波效能。該結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，密度僅為35kg/m3，便于貼附在裝備表面使用。本研究成果在武器裝備多譜段隱身領(lǐng)域、微波屏蔽領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。