摘要
随着探测手段的发展，智能化与高精化的军用隐身探测技术对隐身材料的性能提出了更高的要求，传统材料受限于本身的性能很难实现轻量、宽频、强吸收等隐身要求，而超材料由于其可以按人的意志设计、调整结构并获得相关性能，在隐身领域具有极强的发展潜力，因此超材料在军用隐身领域中的相关研究受到了极大关注。
本文综述了超材料的发展、特殊性能及应用，着重讨论了雷达隐身超材料、红外隐身超材料、雷达/红外兼容隐身超材料以及激光/红外兼容隐身超材料的研究与发展，指出目前超材料在军用隐身方面的研究多数停留在实验阶段，难以适应复杂多变的实际环境，今后应将研究集中在低成本制备与应用、宽频多波段兼容以及高耐温、高耐蚀性与高户外稳定性等方面。
随着电子信息技术的发展，军事力量与军用技术也得到了极大的发展，各种探测与制导手段不断更新换代，对飞机、坦克等军事目标的生存能力带来极大的挑战。为了提高军用目标的生存能力，研究性能更好的隐身材料，发展更简单、高效的隐身技术迫在眉睫。而超材料作为21世纪逐渐发展起来的新型材料，由于其特殊的性能及优异的可调节性，在隐身材料领域得到了广泛的研究与关注，已成为隐身研究的一个重点方向。
“超材料”一词是由Walser教授提出的，它是一种自然界不存在、人工设计、具有周期性结构的新型材料。超材料具备天然材料所不具备的特殊性质，比如负的磁导率与介电常数、反常的多普勒效应等，而这些性质主要来自于人工设计制造的特殊结构。超材料“metamaterial”一词始于左手材料，1968年Veselago大胆推测，如果一种材料同时具有负的介电参数与磁导率，那么电磁波在这种材料中传播时的电矢量、波矢量与磁矢量满足“左手关系”，与普通材料所满足的“右手定则”相反。
30 年后，Pendry 等推论出在三维细线网络结构中存在负的介电常数，为超材料的发展开辟了新的可能性。之后 Smith 等设计制造出一种复合介质，它在微波区域的有效磁导率和介电常数同时为负值，此后超材料作为一种可以进行人工设计生产的新型材料得到了各国学者的广泛关注与研究。超材料作为一种人工设计、具有特定微结构的新型复合材料，有着不受自然规律限制的特殊性能，如零折射率、负折射率等性能，在隐身斗篷、超材料透镜、微波天线、电磁防护、吸声材料等领域得到了广泛研究与应用。
典型的超材料有手性材料、光子晶体、超表面、电磁超材料与常规材料复合的超材料等。在现代军事战争中，雷达探测与红外探测技术应用已经十分成熟，多频谱探测技术在战场上的应用已经十分广泛，因此寻找更加“薄、轻、宽、强”的材料是隐身领域需要研究的一个关键问题。“薄、轻、宽、强”即“厚度薄、质量轻、吸收频带宽、吸波性能强”，受限于自然界中材料的性能限制，传统材料很难实现“薄轻、宽、强”兼容的隐身材料，而可人工调控的超材料可以达到不同要求的兼容。
通过对超材料进行人工设计得到不同的材料结构，脱出自然界中材料的性能限制，从而获得许多自然界不存在的超常性能，可以拓宽隐身材料的吸收频带、增强材料的吸波性能、实现雷达/红外与红外/激光等的多频谱兼容隐身。本文主要对雷达隐身超材料、红外隐身超材料以及多波段兼容隐身超材料进行了综述，对不同的隐身机制进行了分类汇总，总结了超材料在军用隐身领域的发展方向。
01
雷达隐身超材料
雷达探测是通过发射机与天线向目标发射电磁波并接收其回波，采用对回波信号的分析获得所需目标的距离、速度、方位以及表面形状等信息的探测技术，因此雷达隐身技术要求尽可能地降低雷达波的反射，缩减雷达散射截面积（radar cross section，RCS），减少雷达回波能量，从而实现目标隐身。雷达吸波材料实现隐身目的需要解决两个问题：（1）要使入射的电磁波进入吸波材料内部时不被表面反射；（2）入射电磁波能够迅速被吸波材料内的电损耗或磁损耗等损耗机制完全损耗掉。要实现入射波能够无反射地进入吸波材料的内部，需要采用特殊的条件达到与空气的阻抗相匹配，然而目前自然界中还未找到阻抗完全匹配的相关材料。超材料的优势是可以人工调控材料的介电常数和磁导率，使空气与材料满足阻抗匹配条件，电磁波才会无反射地进入超材料内部并损耗掉，得到将近100% 吸收率的完美吸波超材料。2008年，Landy等制备了一种在11.65GHz 处吸收率近100% 的超材料吸收体，为后来超材料吸波体的发展拓宽了方向。雷达隐身超材料主要有多谐振叠加、漫反射以及介质损耗三种机制的宽带吸波超材料。图 1 为周期性对称结构超材料示意图与吸收谱图，复合超表面示意图与 RCS 谱图以及夹层超材料的吸收谱图。
02
红外隐身超材料
温度在绝对零度（－273 ℃）以上的物体都会辐射能量，这些能量以红外线的形式传播出去，其波长在0.76~1000μm 之间。红外线在大气传播过程中，受到大气中的H2O和 CO2等分子的影响，不同波长的红外线会有不同程度的衰减，其中衰减程度较轻的波段区域被称为大气窗口。大气窗口有 1~2.5，3~5，8~14 μm波段，见图2。目前使用的红外探测器的工作波段都在这些波段内，因此如何降低军用目标的红外辐射至关重要。
根据斯特潘-玻尔兹曼定律，实际物体在全波长范围内的辐射度与实际物体的发射率以及物体的热力学温度呈正相关关系。实际物体表面发射率越大，温度越高，则物体的红外辐射越强烈，而温度的变化会
图 2 大气红外波段透射谱线
使物体的红外辐射变化更加剧烈，因此，降低军事目标表面发射率及自身温度是使其隐身、提高生存能力的常用方法。
03
多波段兼容隐身超材料
随着雷达、红外等各种探测技术向着多元化、智能化、高精化发展，军事目标面临着激光、雷达、红外以及可见光等探测技术的联合探测，单一的雷达或红外隐身技术已不足以保障军用目标的隐身及战场存活能力，因此开发研究红外与激光、雷达等兼容的隐身材料与技术迫在眉睫。超材料作为一种可以人工设计并进行调控的新型材料，在兼容隐身领域受到极大的关注，其中雷达与红外兼容、红外与激光兼容的研究较为普遍。
3.1雷达/红外线兼容超材料
与红外光相比，雷达波是长波，故观测目标一般不受气候（雾、雨、雪）、黑夜、烟尘等干扰条件的影响，且雷达波探测距离较大，因此雷达探测应用十分广泛。雷达隐身技术要求尽可能地吸收雷达波，减少雷达回波能量，而红外隐身要求抑制材料的红外辐射，这就要求雷达隐身材料具有低反射率与高吸收率，而红外隐身材料具有低的发射率和高的反射率，二者是相互矛盾的，因此雷达与红外兼容的隐身材料一直是国内外学者的一个研究重点。现有研究中主要有两个方法可实现雷达/红外隐身的兼容，即设计金属表面覆盖率高的多层结构以及特定的频率选择表面与雷达吸波材料的双层复合结构，此外在雷达隐身材料表面涂敷特定的低发射率涂层也能实现雷达与红外的兼容隐身。
张峥设计了一种多层结构的隐身超材料，底层为金属层，中间为环状ITO电阻层，最上层是高覆盖率的金属铜（copper）片层，通过调节雷达波段的阻抗匹配，实现了8~14μm 波段红外发射率为0.2，同时在8.2~16.2GHz 范围内雷达波吸收率大于90%，见图 4（a）。所设计的超材料具有质量轻、厚度薄、成本低廉、更加易于加工的优点。李君哲等设计了一种双层结构形式的红外与雷达兼容隐身超材料，其结构从上到下包括：频率选择表面层、隔离层、电阻型周期表面层、介质基底。
实验结果表明，制备的雷达与红外兼容隐身超材料厚度小于3mm，在4~8GHz 波段范围内的反射率小于－6dB，见图4（b），红外发射率仅为0.298。徐翠莲等用氧化铟锡（ITO）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）两种材料，设计了一种光学透明的复合超表面，该结构是在雷达隐身材料上覆盖一层低红外发射率的微波高透频率选择表面，其主要由雷达吸波层和红外低发射层组成。通过对ITO的占比与方阻的调控，实现在3.0~14.0μm 波段的低发射率与8.0~32.0GHz 频带内高达90%的宽带吸波率 ，具有良好的低红外发射性能与宽频雷达波吸收性能。梁娟等发现，降低涂层中Al粉含量可以显著提高8~14μm 波段红外低发射率涂层与超材料吸波体之间的兼容性。基于此，梁娟在超材料表面设计了表层为低发射率涂层、中间层为阻抗匹配层的双层复合涂层，测试发现，复合涂层的红外发射率为0.198，2~18GHz 的平均反射损耗为－10.59 dB，-10dB 吸收带宽为7.32 GHz，且超材料与该复合涂层具有良好的兼容性，达到红外与雷达的兼容隐身要求。
图 4 雷达/红外兼容隐身超材料
（a）超材料结构示意图；（b）超材料反射率谱图
3.1激光/红外线兼容超材料
近年来，军用激光器件得到了迅猛发展。由激光制导的导弹，其投掷精度与作战能力达到了惊人的进步，很容易发现、击中并摧毁目标。激光具有高的方向性、单色性、相干性，与雷达探测相似，激光探测器也是通过接收目标的反射波来分析探测，而且激光的分辨力更高、抗干扰能力更强、体积更小，因此激光隐身技术的主要方法是降低目标的反射率，减少目标的激光回波。
目前 ，军事上常用的激光器主要波长有1.06，1.54 μm 和10.6μm，都位于红外波段，因此红外与激光兼容隐身材料要保证在红外波段具有低发射率，同时在上述 3个激光波长上具有较窄波段的低反射率或高透过率。目前的激光探测系统基本都是较窄线宽且单一的工作波长，因此可以采用“光谱挖孔”的方法实现激光与红外两者的兼容隐身。高永芳等对光子带隙处在远红外波段的光子晶体薄膜进行了掺杂，使其在10.6 μm 处有很强的“光谱挖孔”效果，反射率几乎为 0，同时此薄膜在远红外波段也能保持较高的反射率。
Kim 等提出了一种用于红外技术的具有金属绝缘体-金属结构（metal-insulator-metal，MIM）的 双波段超材料完美吸收体，其3层MIM结构分别为Ag、聚酰亚胺（PI）和 Ag，单元阵列为水平圆片结构，成周期性分布排列。模拟计算得出吸收体能够将1.54μm红外激光的散射减少90%以上，并将长波红外和中波红外特征抑制92%以上，见图 5（a）。Chen 等设计了一种用于激光与红外兼容的选择性超材料吸收器，其单元结构为水平方片结构，见图 5（b），仿真结果表明，在1.54 μm 处的吸收率达到99%，可以有效地抑制散射或反射 1.54 μm 的激光信号，其在3~5μm 和8~14 μm波段的发射率分别低于 10% 和 6%。与使用表面发射率为 0.06 的低发射率涂层相比，该吸收体可以在非检测波段通过热发射被动冷却。Zhang 等提出了一种利用亥姆霍兹共振腔的双频带超材料吸收器，它由顶部的金属图案层和硅介电层间隔的谐振腔组成，顶部的金属图案层是由周期性的方形密封环阵列组成，见图 5（c）。
数值模拟计算得出，所设计的吸收器在目标波长为 10.6 μm 和 1.064 μm 处的吸收率都达到99%以上，即使在 60°的大入射角下其吸收率也高达 90%，且在红外工作波段的吸收率也很低，可以实现红外隐身与 1.06 μm 和 10.6 μm 两个波段的激光隐身的完美兼容，设计的吸收器在红外隐形领域具有潜在的应用前景。Zhao等选择中远红外透明材料PbTe 和Na3AlF6，构建出一种多周期双异质结光子晶体，并基于薄膜光学理论计算出所设计的光子晶体在近、中、远红外波段的光谱反射率，其中1~5 µm和8~14µm红外波段的光谱反射率大于99%，1.06μm 和10.6 μm 波段的光谱透光率大于96%，满足激光和红外在近、中、远红外波段的兼容隐身。但是，这些研究大多是理论上的，且不具备实际生产应用中高产率、低成本、方便快捷的要求，尚不能进行大规模推广与应用。
图 5 激光/红外兼容隐身超材料
（a）水平圆片结构；（b）水平方片结构；（c）水平方形密封环结构
04
结束语
超材料作为可以人工设计并调控来获得性能迥异的“新物质”的一种新材料，提供了一种针对不同需求来逆向设计并构建所需材料性能的方法。与传统材料相比，人工设计的超材料吸波强度更高、吸收频带更宽、性能更加优异，符合军用隐身领域的“薄、轻、宽、强”的要求。然而超材料在隐身领域也有一定的不足，其在隐身方面的研究与应用主要受到以下3个方面的限制：
（1）相关研究大多集中在原理性的探索上，并基于相关算法模拟相关波段的隐身特性及兼容问题，尚不能做到低成本、大规模生产及应用；
（2）研究大多是基于平面设计，且材料的耐腐蚀性能差、力学性能不佳，尚且不能与坦克、飞机、导弹等军事目标的弯曲表面及工作环境相匹配；
（3）目前研究的隐身超材料结构特性大多是研究人员针对某一特定波段而进行的设计调控，只对特定波段背景里的目标起到隐身用，当外界波段改变时目标则不能实现隐身，因此大多数隐身超材料对背景波段要求严苛，不能适应外界多变的背景环境。
在今后对隐身超材料的研究中，要更加重视对低成本、易制备的隐身超材料的应用研究，争取实现超材料在军用装备上的低成本生产以及大规模应用，同时研究人员要开发更多红外与雷达兼容、红外与激光兼容等多波段兼容的隐身超材料，实现军用目标的多波段兼容隐身，提高其隐身性能与生存概率。此外，研究人员要着眼于隐身超材料综合性能的研究，进一步提高超材料的耐温性能、耐蚀性能以及户外稳定性等性能，从而克服复杂多变的外界工作环境，扩大隐身超材料的应用领域。超材料作为一种新兴的材料必定会成为隐身材料领域的重要研究与发展方向。
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