流体驱动的智能多光谱兼容隐身
文摘
科学
2024-12-30 09:09
山东
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X. Y. Yang, L. L. Liang, C. Li, B. S. Zhang, Y. Zhao, S. J. Tan, G. B. Ji, Fluid-Actuated Nano−Micro−Macro Structure Morphing Enables Smart Multispectrum Compatible Stealth, Nano Lette19, (2024).论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05494
现代检测技术推动了伪装技术走向多光谱兼容性和动态调节。然而，由于频段原理不同，开发这种隐身技术具有挑战性。在这里，这项工作提出了流体操作多光谱兼容智能隐形设备的设计概念，该设备采用带有通道介电层的可变形机械色层/弹性体。流体驱动后，可变形弹性体层将机械应变传递到机械变色层，从而改变(568-699)纳米的可见反射波长。同时，泵入的液体重新配置空间结构参数，以改变动态雷达吸收的微波共振和衍射，实现动态雷达吸收，在(8.16-18.0) GHz时具有显著宽带吸收。使用热吸收特性还实现了动态红外隐身，由ΔT ≈ 16.5°C的温度差显示。此外，该设备表现出快速响应时间、出色的循环性能（100次循环）和可编程性（10个代码），提供了一种新的隐身策略。
在这里，我们展示了一种流体操作多光谱兼容的智能伪装设备，该设备可实现从可见波长到微波波长的动态时空操纵。该设计从制造具有可拉伸的机电致变色层、丙烯酸二电弹性体（VHB 4905，3M）和带水通道的介电垫片的结构单元开始，在对弹性体施加时间顺序压力时，提供多面和可重新编程的2D到3D几何变换能力（图1a，b）。在流体驱动过程中，可变形弹性体中的机械应变导致上层机械变色层的纳米结构变形以进行动态颜色变化。同时，该设备利用液体的热吸收特性降低动态红外隐身的表观温度，并重新配置高介电液体的空间结构参数，以操纵动态雷达吸收的共振行为。分层结构设计和流体驱动允许同时调整可见光颜色、红外辐射和雷达散射特性，实现三带电磁隐身兼容性和动态调整。此外，智能隐形设备具有宽调节范围、快速响应时间、可编程性和周期性等优点，可以大大提高军事目标的全天候、实时、主动伪装能力。
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图1。多光谱兼容伪装设计理由。（a）流体操作多光谱兼容智能隐形器件的结构单元由可拉伸可变形手性液晶弹性体（CLCE）、丙烯酸酯介电弹性体（VHB 4905）、刚性充气底座、充满水的聚四氟乙烯管导管和铜箔组成。（b）流体作用多光谱兼容智能隐形器件结构的原理图。（c）显示充气状态下可拉伸机制色层的结构变形机制的原理图。（d）使用水的热吸收特性的热隐形图。（e）流体化单元结构参数变化的原理图表示和注水后。（f）注射水量（V）的图，作为颈部半径（r）为3、6和9毫米时的冠高度（h）的函数。（g）液体装置在冠高度（h）为0、3、6和9毫米时模拟反射率。
如图1a,b所示，流体作用多光谱兼容智能隐形设备由结构单元的周期性排列组成。着色单元结构为双层系统，手性液晶弹性体（CLCE）膜放置在丙烯酸介电弹性体（VHB 4905，3M）支撑层上。支撑层通过其自身的附着特性粘附到保留的注水通道的介质板上。在注水过程中，流体作用单元提供连续的、可控的表面应变（εsurf）和厘米隆隆声高度。周期性螺旋结构和应变响应特性的结合使CLCE能够通过形状变形方法表现出可调的结构颜色特性（图1c）。结构色中心波长（λc）可以通过根据de Vries条件（定义为λc = navgp）调节CLCE的平均折射率（navg）和螺旋间距长度（p）来修改。因此，注水导致双层在平面内膨胀，由于表面应变增强，导致螺旋结构中的间距（p）受压，从而导致蓝移现象。得益于大比热容量Cwater= 4.2 × 103J kg–1°C–1，水不仅通过热吸收和动态循环降低设备的表观温度，以保持环境和目标表面之间的近似热辐射，而且还实现随着时间的推移而变化的温度变化，以实现动态红外隐身（图1d）。同时，通过修改水量（V）来调节冠状高度（h），从而实现有效吸收带宽和微波吸收频率的动态可调性（图1e）。为了简化实验过程，根据冠体积方程（图1f）计算了不同颈部半径（r）时的水体积（V）和冠高度（h）的变量。
特别是，当h达到9毫米时，在7.26、11.58和11.30 GHz出现三个明显的吸收峰值，并伴随着有效吸收带宽的显著扩展（图1g）。动态微波吸收是通过增加注水量来实现的，这归因于可重新配置的电磁共振行为。
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图2。动态可见光伪装。（a）合成手性液晶弹性体所需的单体示意图。（b）计算的表面应变（εsurf）作为r = 3、6和9毫米的水量（V）的函数。插页显示了手性液晶弹性体的示意图。（c）示意图显示了充气状态下可拉伸的机械变色层的多尺度结构变形机制。（d）在0、2、4和6毫升（顶部）水体积下的薄膜形状变形和颜色变化的照片以及相应的偏光显微镜（POM）图像（底部）。（e）CIE 1931颜色空间中，注水体积为0、2、4和6毫升的反射颜色变化。（f）在各种应变测量了反射红色的机械色层的反射光谱，范围从0%到120%。（g）土壤上的红色反光膜（左）和草原上的绿色反光膜的照片（右）。（h）反射率中心波长与水的充放电过程中施加的表面应变。（i）反射率中心波长在100个周期内表现出稳定性。CLCE前体是根据两阶段硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成和光聚合反应合成的（图2a）。随着LC756的百分比增加，薄膜的反射中心波长逐渐变蓝,为了调查水体积（V）与变形过程中产生的表面应变（εsurf）之间的关系，根据表面应变公式（图2b)计算和分析εsurf值。随着颈部（r）的半径逐渐增加，εsurf的增长速度趋于缓慢，这对逻辑颜色变化单元的开发至关重要。随着水量（V）的增加，机械色层从二维平面结构逐渐转变为三维球形冠状结构。在横向应变下，这种结构变化通常伴随着沿立螺旋或垂直于立螺旋的变形应力。机械色层表现出显著的光子反射颜色变化，从红色发展为蓝色（图2d，顶部）。当变色单元转换三维球形冠状结构（εsurf= 97.7%）时，机相色层经历了连续的应变；同时，其在结构单元上的表观颜色逐渐从橙色变为浅黄色、石灰绿色和天蓝色。这种颜色变化在POM图像中得到了进一步验证（图2d，底部）。图2d说明了机械色层的宏观颜色变化，并定量验证了1931年国际Eclairage委员会（CIE 1931）色彩空间（图2e）中的反射颜色变化轨迹。可以发现，随着应变的颜色变化在颜色空间中遵循平滑的曲线轨迹。为了阐明动态颜色变化的潜在机制，使用紫外线可见分光光度计（图2f）测量了注射体积为0、2、4、6和8毫升的机械色层的反射率。结果显示，在分别为699、698、633、622和568纳米的波长下有明显的反射峰值。这些峰值在施加应变时表现出可预测的转变。此外，机械色层的颜色不断变化，相应的中心波长变化曲线在水填充和排水过程中显示出高度重叠（图2h），显示出高可重复性。此外，即使在100个周期后，机械色层的反射率中心波长也保持稳定（图2i），表明了耐用性。随后，当红色和绿色变色单元分别放置在土壤和草原上时，它们的颜色与周围环境完美融合（图2g），展示了可见光伪装的机制色层的巨大前景。广泛的色彩调制允许隐形设备在各种场景中使用，如沙漠、草原和海洋。
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图3。动态红外迷彩。（a）动态红外热辐射转换的机理图。（b）结构单元在不同进气或注水时的表观温度变化。（c）结构单元的表观温度差与进气/注水量的直方图。（d）循环注水下结构单元的表观温度变化超过300秒。（e）0、0.5、1和1.5毫升进水量时单个半球的表观温度和时间变化曲线。（f）空气和水体积为0、0.5、1、1.5和2毫米的单半球的红外线热图。（g）框图自动化和可编程矩阵系统的整体流程。（h）动态红外热图的演示和（i）可编程矩阵系统在不同编码序列下的可见光颜色变化。
近年来，出于红外伪装的目的，对人体和军事装备等物体的热辐射信号进行动态控制引起了大量研究兴趣。根据斯蒂芬·玻尔兹曼定律：E=εσT4，动态控制物体的实际表观温度或目标表面的红外发射率为实现自适应热伪装提供了两种可能的方法。当每个细胞的注入空气量为8毫升时，温度差为9.1°C；同样，当每个细胞的注射水量为8毫升时，温度差为16.5°C（图3b，c）。与空气相比，水可以迅速将温度降低到与周围环境相同的水平，从高热辐射变为低热辐射。这是因为水的比热容量更大，导热性更低，这通过吸收和隔热来减少热辐射（图3a）。同时，流体作用装置通过在热水和冷水之间交替来保持一致的温度，从而保持约20°C的温度（图3d）。总之，流体作用装置能够修改水量或加热过程的持续时间，从而实现动态红外伪装的表观温度的动态调整。图3g展示了具有三个模块的可编程多路复用矩阵的概念控制系统：（i）输入编程设计信息并将其转换为数字信号；（ii）将处理后的信号传输到水控制系统以执行一系列代码阵列；（iii）控制最终设备显示的注水线的切换。代码“1”表示一个创建半球冠的通道，而“0”表示创建一个平面的通道。![]()
图4。动态雷达吸收性能。（a）在0、1.5和4.5毫升的注射体积下，流体操作设备2D到3D动态形状变形的示意图说明，其中结构单元表面包含2×2阵列流体槽。（b）实验反射率曲线和（c）流体操作设备在不同水体积下的相应2D投影。（d）当注射体积设置为4.5毫升时，流体操作设备在不同入射入射角下的TE和TM偏振的有效吸收带宽（EAB，<−10 dB）覆盖间隔。（e）循环注射和放水测试后的垂直反射率。（f）实验和模拟流体操作设备在水体积为0毫升（顶部，平板）和4.5毫升（底部，气球形状）的垂直反射率。（g-i）模拟交叉查看电场（顶部）、磁场（中间）和功率流向量分布（底部），共振频率为（g）7.8 GHz，（h）12.7 GHz和（i）15.0 GHz。
图4a显示了流体操作设备的动态2D到3D形状转换调制的原理图布局，其中四个单元中的每一个都共享相同的注水通道（C1-C4），所有这些都连接到相同的水源。图1g展示了流体作用装置在不同冠高度（h）下计算的反射率变化。图4b和c进一步了解了冠高度（h）对微波反射率的影响。在垂直入射的情况下，随着每单位注入的水量（V）从0增加到4.5毫升，9.2 GHz的明显吸收峰值逐渐转移到较低的频率，14 GHz出现更宽的吸收峰值。此外，有效吸收带宽（EAB）值的范围从[9.36，18] GHz到[8.16，18.0] GHz的范围。此外，相对调谐范围计算为75.2%（WRTR= 75.2%）。此外，随着入射入角的增加，横向磁（TM）极化的EAB覆盖范围逐渐增加，并向更高的频率转移。相反，对于横向电（TE）极化，EAB覆盖率逐渐减少。值得注意的是，即使受到60°的斜入射角，该设备也表现出稳定的微波吸收性能。对于TM偏振，EAB值覆盖[6.27，18] GHz的频率范围，频率调制为11.73 GHz，对于TE偏振，EAB值覆盖的频率范围为[10.02, 18.0] GHz，频率调制为10.98 GHz（图4d）。此外，在100个周期的疲劳测试后，该设备仍然保持稳定的微波吸收性能和可逆的动态调谐能力（图4e）。为了阐明流体操作设备的微波吸收机制，对水体积为0和4.5毫升的垂直反射率进行了计算分析（图4f）。两者在反射率与频率的总体趋势方面有一般共识，轻微的偏差来自轻微的样品制造错误和测试条件。此外，为了研究流体操作设备的吸收机制，进一步分析了4.5毫升水体积（图4g-i）的矢量电场（E场）、磁场（H场）分布和7.8、12.7和15.0 GHz频率的功率流（图4f）。如图4g（底部）所示，功率流量从垂直到水平变化，功率密度损失主要在FR-4层压板的下部，证实了这些影响。大多数电磁电磁波被FR-4层压表面吸收，然后被水谐振器吸收。随着频率增加到f2= 12.7 GHz，水谐振器内环形电场的强度下降，导致磁偶极子共振减弱。然而，光柵衍射效应和欺骗SPP模式表现出最大值（图4h，顶部），导致该频率下最强的共振峰值。总之，介电模式、欺骗SPP模式和跨多个频段的光柵模式的组合允许开发具有高吸收率的宽带吸收器。
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图5。流体启动设备的动态兼容性伪装及其应用。（a）可见红外波段兼容性伪装中的动态控制伪装性能。（b）与其他材料系统相比，可编程流体激活设备的伪装性能。（c）适应丛林（顶部）和沙漠（底部）等不同环境的可见光颜色变化伪装示意图。（d）动态红外伪装的应用示意图。（e）动态雷达隐身应用示意图。
流体作用装置可以实现从可见波段到微波波段的动态可调多光谱兼容伪装。图5a显示了不同频段不同音阶的动态调音性能。由水压触发，h值随着注射时间的变化与理论值相匹配，响应时间约为1s。该设备具有多光谱动态伪装、快速响应、动态可调性和可编程性（图5b）。它可以动态改变可见光的反射率（568-699纳米）。广泛的色谱使该设备能够在沙漠、草原和海洋等不同环境中应用（图5c）。同时，改变水量和温度可以改变热红外特性。增加水量会降低目标的表观温度和红外特征，使红外线检测更加困难。此外，该设备的像素化呈现可以将目标坦克的热辐射信号伪装成其他小型车辆，从而实现红外伪装的目的（图5d）。此外，可以通过修改水量来调整表冠高度，从而动态调节吸收频率和有效吸收带宽，以便即使对于不同频段的雷达可检测目标，也可以实现雷达隐身（图5e）。它还具有广泛的调节范围、可编程性和良好的周期稳定性等优点，据我们所知，这些优势在以前的伪装系统中从未被报道过。
这项工作提出了一种创新的流体诱导空间结构变形策略，用于自适应可见红外雷达多光谱兼容伪装。利用介电弹性体固有的粘性特性，将机电色层和集成水通道的介电垫片结合在一起，形成流体作用装置。可变形的弹性体层传递机械应变，以诱导机械色层的颜色变化，从而在(568-699) 纳米的可见范围内实现动态反射率调整。与此同时，流体作用方法用于重新配置结构参数，以实现(8.16-18.0) GHz的宽带吸收和75.2%的相对调谐范围。此外，利用水的吸热特性来降低设备的表观温度，提供了动态红外隐身。阵列设计的目的还包括构建目标多像素矩阵，该矩阵将表现出多光谱兼容性、动态伪装能力、可编程性、快速响应时间和周期性稳定性，从而为设计灵活性和潜在可扩展性提供无限的前景。
