河南师范大学张凯华&北京科技大学王存海ACS Appl. Mater. Interfaces：用于多光谱伪装的双波段辐射散热波长选择性热调节器

先进多光谱探测器在监视与侦察领域的广泛应用，对军事装备和人员安全构成了严峻威胁。然而，在兼顾优异的热管理性能的同时，覆盖可见光（VIS）至红外波段及特定激光波长的全谱段高效伪装，仍然面临巨大挑战。在此，本文提出了一种波长选择性热调节器（WSTR），能够在可见光、中波红外（MWIR, ε3-5 μm = 0.21）、长波红外（LWIR, ε8-14 μm= 0.17）以及激光波长处（ε1.06 μm = 0.99, ε1.55 μm = 0.94, 和ε10.6 μm = 0.91）实现优异的伪装性能。该调节器在高温条件下的辐射强度可达725.2 W/m2，而在相对较低温度下仅为95.7 W/m2，并通过两个非大气窗口（ε5-8 μm = 0.60, ε14-20 μm = 0.63）实现高效辐射散热，从而实现有效的热调节。此外，它通过调节ZnS薄膜的厚度，可获得适用于不同背景环境的多种结构色，实现可见光伪装；该调节器还采用多层结构设计，在较宽的入射角范围内能够保持稳定的光谱发射率，进一步提升了红外伪装性能的稳定性。本研究为多光谱伪装技术的发展提供了新的设计思路和切实可行的解决方案。相关工作以Wavelength-Selective Thermal Regulators with Dual-Band Radiative Dissipation for Multispectral Camouflage 发表在ACS Applied Materials & Interfaces 期刊。

该研究提出了一种基于七层薄膜结构的波长选择性热调控器（WSTR），通过粒子群优化算法与传输矩阵法对各层膜厚进行优化设计，实现了可见光、红外及典型激光波段兼容的多光谱伪装，并利用5–8 μm和14–20 μm双非大气窗口实现高效辐射散热（图1）。器件采用ZnS/Ge/SiO2/Si/TiO2/GST/Al多层结构，通过优化光谱响应，使其在中波和长波红外波段保持低发射率，在两个非大气窗口保持高发射率，同时兼具优异的可见光与激光波段伪装能力，从而满足不同环境下的伪装与热管理需求（图2a-d）。进一步分析了器件在相对低温和高温条件下的辐射强度，结果表明，所设计结构能够通过双波段辐射散热满足不同温度条件下的红外伪装需求，体现出优异的宽温域热管理性能（图2e, f）。随后，从电场强度分布和电阻损耗两个方面揭示了器件的光谱调控机理，不同波段的发射率峰值分别来源于材料本征吸收以及Fabry–Pérot共振效应，不同功能层协同作用实现了多波段选择性发射特性，为器件的光谱设计提供了理论依据（图3）。在可见光伪装方面，器件通过改变ZnS膜层厚度实现了结构色调节，且实现可见光伪装的同时保持了稳定的激光隐身、红外伪装以及高效的辐射散热；进一步的，分析了器件在不同入射角下的可见光与红外伪装性能，结果表明器件在0°–60°范围内仍具有稳定的可见光伪装、红外伪装以及高效的辐射散热，展现出优异的宽角度适应性（图4）。最后，通过模拟无人机和高速飞机两种典型应用场景下的红外热成像效果，验证了器件在不同环境温度及工作温度下其辐射温度始终低于其表面温度，进一步证明了该结构兼具优异的红外隐身性能与高效热管理能力（图5）。

图1. PSO算法设计流程图。

图2. WSTR的设计理念与光谱特性。（a）WSTR在高速飞行器与无人机应用场景中的功能示意图。（b）WSTR的结构设计。（c）考虑热管理因素的理想多光谱伪装器件的发射率以及WSTR的全波段光谱发射率。(d) WSTR在不同光谱范围内随温度变化的辐射强度与信号衰减率。(e,f) 3-20 μm波段范围内，WSTR和黑体在303 K（e）及483 K（f）时的辐射强度。

图 3. WSTR 的内在物理机制。（ a ）在 1.06 μm 波长下， WSTR 中的电场强度 |E| 与电阻损耗 |Q| 分布。（ b ）在 5.3 μm 波长下， WSTR 中的电场强度 |E| 与电阻损耗 |Q| 分布。（ c ）在 8.89 μm 波长下， WSTR 中的电场强度 |E| 与电阻损耗 |Q| 分布。（ d ）在 18.29 μm 波长下， WSTR 中的电场强度 |E| 与电阻损耗 |Q| 分布。（ e–h ）分别为 WSTR 在 1.06 μm 、 5.3 μm 、 8.89 μm 和 18.29 μm 波长下的二维电场强度 |E| 分布图。

图 4. ZnS 层厚度及入射角变化对 WSTR 在可见光和红外波段伪装性能的影响。（ a ）不同 ZnS 薄膜厚度下， WSTR 在可见光和近红外波段的反射率。（ b ）不同 ZnS 薄膜厚度对应的 WSTR 结构色及其在 CIE 色度图中的色度坐标。（ c ） 300 K 下 ZnS 薄膜厚度对 WSTR 辐射强度和信号衰减率的影响（插图： ZnS 薄膜厚度变化对 WSTR 在 3–20 μm 波段发射率的影响）。（ d ）不同入射角下， WSTR 在可见光和近红外波段的反射率。（ e ）不同入射角下 WSTR 在 CIE 色度图中的颜色变化。（ f ） 300 K 下入射角对 WSTR 辐射强度和信号衰减率的影响（插图：入射角对 WSTR 在 3–20 μm 波段光谱发射率的影响）。

图 5. WSTR在不同温度条件下的热成像效果。（a）在模拟的无人机运行场景中，环境温度设定为5°C，将WSTR加热至30°C、50°C、70°C和90°C以进行热成像模拟。背景铝板的表面温度为60°C，对应的辐射温度为11.4°C。（b）在模拟的高速飞机运行场景中，环境温度设定为-40°C，将WSTR加热至210°C、250°C、290°C和330°C进行热成像。背景铝板的表面温度为270°C，对应的辐射温度为47.1°C。

小结：综上所述，本研究基于多层薄膜结构设计并数值模拟了一种波长选择性热调节器（WSTR），该结构在可见光、红外以及特定激光波段均具备超宽带多光谱伪装能力，并通过双波段辐射散热实现高效热管理。该器件通过调控ZnS层厚度实现宽色域范围内的结构色调节。在中波红外（MWIR）与长波红外（LWIR）波段，其平均发射率分别低至0.21和0.17；在1.06 μm、1.55 μm和10.6 μm三个激光波长处，其反射率分别低至0.01、0.06和0.09。同时，在两个非大气窗口波段其平均发射率分别达到0.60和0.63，从而在满足辐射散热需求的同时实现伪装性能的平衡。在高温（T = 483 K）与相对较低温度（T = 303 K）条件下，其辐射强度分别达到725.2 W/m2和95.7 W/m2。该结构在0°–60°入射角范围内红外发射率保持稳定，模拟热成像进一步验证了其优异的红外伪装性能。本研究通过多层结构实现了多光谱伪装与高效热管理的协同优化，为军事伪装技术的发展提供了一种具有应用前景的创新解决方案。

论文信息： L Xie, K Zhang, Z Chen, J Guo, C Wang. Wavelength-selective thermal regulators with dual-band radiative dissipation for multispectral camouflage. ACS Applied Materials & Interfaces, 2026. https://doi.org/10.1021/acsami.6c03718

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