微波吸收/红外隐身动态调控

论文信息：

L. J. Qu, C. Yang, S. J. Tan, Y. Xiao, Y. Wu, H. C. Chang, L. Xiao, G. B. Ji, A microwave absorption/infrared dual-band dynamic stealth regulator based on the carbon nanotube film and metamaterial, Materials today nano29, 100556 (2024).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2024.100556

研究背景

单频隐身技术越来越难以满足快速发展的军事环境的需求。为了应对多频段探测技术的联合应用，多光谱兼容隐身材料的开发成为一个重要的趋势。碳纳米管 (CNT) 具有优异的导电性和电致变色红外 (EC-IR) 发射率调制特性。然而，CNT薄膜在微波范围内表现出类金属特性，几乎完全镜面反射入射电磁波。这种特性使得使用CNT薄膜实现红外（IR）和雷达隐身之间的兼容隐身变得复杂。本工作提出了一种雷达动态红外兼容隐身结构，该结构将CNT电致变色（EC）器件与超材料技术相结合。顶层获得的超材料结构可以在 9.67–16.04 GHz 范围内实现超过 90% 的吸收，同时在长波红外 (8–14 μm) 范围内提供 0.323–0.768 的红外发射率调制范围。本研究实现了雷达/红外波段的隐身性能，证明了该应用的可行性，为多光谱独立调制伪装和隐身领域提供了新的视角。

研究内容

为了解决碳纳米管薄膜高微波反射率的问题，并实现雷达和动态红外隐身之间的兼容性，本研究提出了一种包含碳纳米管-电容 (CNTs-EC) 器件的超材料设计。结果表明，精心设计的 CNTs-EC 器件在红外和微波波段均表现出有效的兼容隐身性能。该器件在 8–14 μm 波段内展示了可逆的发射率可调性 (0.323–0.768)，以及 9.67–16.04 GHz 的有效吸收范围，这为多波段隐身应用提供了广阔的潜力。

图 1. (a, b) 制备的超材料的照片图像；(c) 单元结构的 3D 视图和 (d) 侧视图；(e) 微波损耗机制；(f) 超材料制备过程的示意图。

为了实现红外可调谐性和雷达吸收性能之间的兼容性，本工作创新性地提出了一种多层结构，如图1所示。具体而言，这种新型结构仅使用一层CNT薄膜作为超材料和可变发射率EC-IR器件的一部分。超结构由顶部的 ITO 图案结构、硫化锌 (ZnS) 介电层和上部的碳膜组成，可以衰减入射微波（图 1(c)）。周期性单元参数如下：晶胞长度 a，内边长 b，外边长 c 和高度 d。EC-IR 发射率器件由上层 CNT 薄膜、Celgard 薄膜和下层 CNT 薄膜构成，其中红外特性通过其上方的超材料辐射到外界，从而实现可调红外隐身。图 1(f) 展示了器件的完整加工过程。首先，通过磁控溅射在 ZnS 上镀制 ITO 薄膜，然后使用紫外激光刻蚀，留下方形环形部分。需要调整溅射速率和刻蚀功率以制备满足要求的图案，从而完成上层制备。

图 2. (a) CNT 薄膜的光学照片和 (b) SEM 图像；(c) 拉曼光谱和 (d) CNT 薄膜的 XRD 图谱。

图 2(b) 中所示的碳纳米管交联有利于形成三维导电网络，从而导致高电导率。CNT 薄膜的拉曼光谱如图 2(c) 所示。缺陷和石墨的相对强度比 (peaks(ID/IG = 0.13) 表明 CNT 薄膜的石墨化程度高。CNT 薄膜的 XRD 图谱在图 2(d) 中显示出在 25.9◦ 处有一个尖锐峰，这也表明初始高纯度 CNT。CNT 薄膜的方块电阻通常为 1 Ω/sq，这反映了几乎所有入射电磁波在微波频段内镜面反射，如图 S1 所示。通过在超材料底部设计 CNT 薄膜，并在其上构建超材料。因此，上层 CNT 薄膜充当微波反射层。考虑到 CNT 薄膜的导电性和电路的排列，EC 器件被放置在超材料下方。

图 3. 提出的方形环形超材料的仿真结果。(a) 超材料的反射率和吸收率；(b) 不同 CNT 薄膜方块电阻（不同发射率状态）的反射率损失；(c) TE 和 (d) TM 极化模式在不同入射角下的反射率损失；两个吸收峰处的仿真结果。(e) 10.9 GHz 处的电场和 (f) 表面电流；(h) 14.3 GHz 处的电场和 (h) 表面电流。

图 3(a) 显示了模拟的反射率和吸收率。黑色实线代表反射率，红色虚线代表吸收率。在 9.6–15.5 GHz 频段内，吸收率大于 90%，有效吸收带宽为 5.9 GHz，并在 10.9 GHz 和 14.3 GHz 处有两个吸收峰。当对EC-IR器件施加电压时，表面CNT薄膜的方块电阻会发生变化。为了验证该结构与ECIR性能的兼容性，图3(b)模拟了EC器件的表面方块电阻。可以看出，方块电阻介于 0.1 Ω 和 1 Ω 之间，并且该结构在选定的频段内仍然保持着超过 4 GHz 的有效吸收带宽。可以发现，方块电阻的变化对吸收性能的影响可以忽略不计，并且该结构与 EC-IR 性能兼容。为了验证结构在广角入射下的兼容性，结构的入射角 θ 从 0 到 50◦ 进行模拟，每 10◦ 进行一次计算，如图 3(c–d) 所示。可以看出，该结构在 0~40◦ 范围内对横电 (TE) 波的入射角 θ 实现了良好的吸收。在 10.9 GHz 和 14.3 GHz 两个吸收峰处，对结构的电场和表面电流进行了模拟。分别截取了电场和表面电流相位为 0 的模拟图像，如图 3 所示。从图 3 (e) 和 (g) 可以看出，此时电场在内外方形环的上、下边缘处最为强烈。从图 3 (f) 可以看出，表面电流紧密地局限在顶层附近，并且在图案层和底层之间产生了反向平行电流，表明存在磁共振，导致该频率处强吸收。从图 3 (h) 可以发现，表面电流紧密地局限在顶层附近，并且在图案层和底层之间没有反向平行电流，表明磁共振没有被激发。因此，可以得出结论，该频率点的吸收是由入射电磁波激发的电共振引起的。

图 4. 圆环超材料的仿真结果。(a) 单位结构; (b) 不同ITO薄膜方块电阻的反射损耗; 两个吸收峰处的仿真结果。(c) 9.6 GHz 处的电场和 (e) 表面电流; (d) 15.1 GHz 处的电场和 (f) 表面电流。

图 5. 交叉超材料的仿真结果。(a) 单位结构；(b) 结构的反射损耗；在两个吸收峰处的仿真结果。(c) 11.2 GHz 处的电场和 (e) 表面电流；(d) 14 GHz 处的电场和 (f) 表面电流。

图 5(a) 显示了具有十字形图案的超材料。超材料的优化尺寸如下：a2 = 0.5 mm，b2 = 5 mm，c2 = 7.5 mm，厚度为 2 mm。图 5(b) 显示该结构的表面填充率为 8.444%，有效吸收带宽为 5.4 GHz（9.9–15.3 GHz）。考虑到有效吸收带宽和表面填充率，该方案被放弃。图 5 (c–f) 所示的 11.2 和 14 GHz 处的两个吸收峰也进行了电场和表面电流模拟。

图 6. (a) 微波测量系统和 (b–h) 测量结果；(b) 不同发射率状态下法向入射的反射损耗；(c) 低发射率状态 (+3.5 V) 下不同入射角的 TE 和 (d) TM 极化模式；(e) 初始状态 (0 V) 下不同入射角的 TE 和 (f) TM 极化模式；(g) 高发射率状态 (− 2.2 V) 下不同入射角的 TE 和 (h) TM 极化模式。

处理后的样品尺寸为 180 mm × 180 mm，厚度为 2.013 mm。测量的微波结果如图 6 所示。制备的超材料波吸收体样品采用拱形法进行测试，如图 6(a) 所示。图 6(b) 显示了该超结构在不同红外发射率状态下，在垂直入射条件下的雷达反射损耗测量结果。可以看出，所提出的超结构可以在不同的红外发射率状态下实现良好的性能。在无外加电压的垂直入射条件下，有效吸收带宽为 9.67 至 16.04 GHz，与仿真结果一致。15.8 GHz 处的差异可能是由于样品制备误差、电极对准问题和 ITO 方块电阻变化造成的。雷达频段的测试结果表明，超材料可以实现EC器件在不同状态下方块电阻的变化。此外，在初始发射率状态（0 V）下，对样品在TE和TM偏振模式下不同入射角的反射损耗进行了测试，结果如图6（c和d）所示。可以观察到，样品在TE偏振模式下入射角小于50°，在TM偏振模式下入射角小于30°时，可以保持良好的吸收性能，这与模拟计算的预期一致。

图 7. (a) 在 70 ◦C; 测量的样品的辐射率-电压曲线；(b) 红外辐射率测试系统；(c) EC-IR 器件和完整超结构的红外图像。

厚度为 42 μm 的 EC-IR 器件放置在 70 ◦C 加热平台上，如图 7 所示，发射率随着电压的增加而降低。图 7 (c) 显示了低发射率和高发射率状态的红外图像。从实验结果可以看出，与原始EC-IR发射率器件相比，制备的超材料样品对低发射率有较大影响，对高发射率的影响较小。从以上讨论可以看出，调制范围变窄的主要原因是ZnS介电层对来自下方EC层的红外光的反射和吸收。此外，ITO 层保持固定不变的低发射率状态，这也降低了调制范围。

结论与展望

本工作制备了一种新型超材料，实现了EC-IR和雷达双频兼容动态隐身器件。上部是由ITO方环和硫化锌组成的红外透明超材料，下部是由CNT基EC-IR器件组成。在主动模式下，该器件在 8~14 μm 范围内表现出 0.323–0.768 的大红外发射率调制范围。同时，该器件在 2.055 μm 厚度下也可以实现 9.67–16.04 GHz 的宽雷达吸收范围，并且具有偏振不敏感性和入射角不敏感性。结果表明，我们设计的超材料将在多频段隐身领域具有重要应用。我们的研究为进一步探索开发用于多频段隐身应用的先进超材料铺平了道路，预计将被整合到更广泛的应用中。

热辐射与微纳光子学