仿生红外光学兼容智能隐身显示原理的数值模拟

本项目旨在通过数值模拟和实验佐证相结合的方法研究仿生红外发射的调变原理，探索纳米仿生红外光学兼容智能隐身的显示原理。首先研究头足纲动物变色龙的变色行为，阐明了调整不同色素细胞的体积与相对含量来改变外观颜色的原理；基于这一原理，以电子纸显示器件为模型, 研究电泳颗粒的介电常数、结构、堆积方式等因素等对电子纸显示变色的影响；设计出TiO2、ZrO2等多种具有红外低发射率高反射率的纳米晶球模型，研究了在电场作用下非平衡状态的红外发射率调变，数值模拟表明TiO2/ZrO2交替组成的一维光子晶体薄膜的光子带隙变宽。将具有低红外发射率的纳米复合轻质亚光学波长功能球作为电子纸悬浮粒子模拟色素单元，利用纳米可控制备技术研制单分散、粒径可调的纳米复合颗粒，组装成红外宽频柔性图像分割显示器件，达到良好的红外隐身效果 本项目执行期间在国内外期刊共发表论文11篇，其中SCI论文6篇，部分工作受到国内外同行的关注。三年来培养博士后一名，毕业博士生一名，硕士生两名。达到了项目的预期目标。

仿生的宽频红外光学兼容智能隐身技术在当前信息化战争中具有重要的战略地位。数值模拟仿生红外对实现红外仿生伪装具有重要的理论指导意义。本项目旨在通过数值模拟和实验佐证相结合的方法研究仿生红外发射的调变原理，探索纳米仿生红外光学兼容智能隐身的显示原理.首先,数值模拟头足纲动物的变色原理，探索生物变色的基本原理；然后,根据生物变色原理,以电子纸显示器件为模型,理论研究与实验佐证的方法探索红外发射率的调变原理,研制具有低红外发射率、高反射率的无机纳米彩色球，研究构建红外宽频图像柔性显示器件所涉及的关键问题：红外发射调变的原理，外在因素作用下非平衡状态的红外发射率的调控和相关理论研究。这为红外宽频分割图像柔性显示器件的实验研究，实现红外可见光兼容隐身提供了重要的理论依据，为国防建设中主动隐身所涉及的光电隐身关键功能材料、关键技术进行一次创新的尝试。

航空红外隐身材料技术研究和应用较多的是低红外发射率材料、控温材料等。近年来，红外、厘米波兼容多频谱隐身材料、智能型红外隐身材料也成为研究的热点。

红外隐身材料涂料

低发射率材料通过调节目标表面发射率来控制红外辐射强度，材料形式以涂料为主，是红外隐身材料最主要的研究领域。低红外发射率涂料能降低目标自身的热辐射，同时具有使用方便、施工工艺简单等特点。

低红外发射率涂料主要由红外低辐射填料和低吸收或透明粘接剂两部分组成。

1)红外低辐射填料

低辐射填料是低红外发射率涂料的主要组成部分。填料的组成、尺寸形貌以及在涂层中的分散状态等都会直接影响低红外发射率涂料的辐射性能。

不透明体的反射率越高，发射率越低。因此，有较高反射率的金属填料是比较好的红外低辐射填料，如Al粉、Cu粉、Fe粉、zn粉等。石墨红外吸收率高，发射率也高；一些金属氧化物发射率较高；另一些则具有较高的红外透过率，它们对涂料的热红外隐身性能不会有负面影响。灿粉性能优良、价廉易得，成为金属填料的主要研究对象，其中包括灿粉的形态、粒径、在涂层中的含量等对低红外发射率涂层性能的影响。

2)红外低吸收或透明粘结剂

粘结剂一般对吸波涂层的电性能的影响很小，但对涂层红外辐射性能却有较大影响。曾有文献指出，红外隐身涂层在热红外波段的吸收能力至少有60%取决于粘结剂。

红外隐身材料薄膜

低发射率薄膜是另一类有发展前景的红外隐身材料，是国内外研究的热点。这类材料按结构可分为金属膜、掺杂半导体膜、电介质/金属多层复合膜等。

低红外发射率薄膜的制备方法很多，主要方法包括溶胶一凝胶法、化学气相沉积法、真空蒸镀法和溅射法等。溶胶一凝胶法主要是通过喷涂或浸涂的方法将待镀材料的溶液，均匀地涂覆于加热的衬底上，使喷涂或浸涂上的溶液发生水解反应，从而形成薄膜；化学气相沉积法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用在基片表面的化学反应(热分解或化学合成)生成要求的薄膜；真空蒸镀法是在真空室中，通过电阻蒸发、电子束蒸发、高频感应蒸发等手段蒸发待形成薄膜的材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流至衬底表面凝结形成固态薄膜的方法；溅射法则是在真空室中，充以惰性气体，利用高频、高压电场作用产生高能量离子流轰击靶材，使得靶材表面原子或原子团逸出，然后在衬底的表面形成膜层，主要有直流、射频、磁控等方法，其中磁控溅射法是制备金属薄膜、掺杂半导体薄膜常用的方法。

红外隐身材料控温材料

红外辐射强度与物体表面温度的四次方成正比，对温度变化更加敏感，控温材料即是通过控制材料表面温度来调节其红外辐射强度。研究的控温材料包括各种隔热材料、有源制冷材料和相变材料等。

隔热材料在红外隐身领域已得到了广泛应用，如针对目标的强热源部位的辐射抑制等。

有源制冷材料和相变材料在红外隐身领域的研究起步较晚，大致十来年的时间，其中有源制冷材料采用半导体制冷机理，具有较高的辐射控制效率，但带来功率负荷增加、结构复杂、重量增重以及多频谱兼容困难等问题，使其应用范围受到一定限制。相变控温材料是一类展现出良好应用前景的红外隐身材料，具有应用方便、形式多样、兼容性好等优点，例如美国采用微胶囊技术包覆脂肪烃，来降低目标红外可探测性。

红外隐身材料智能型材料

智能红外隐身材料即主动式红外隐身材料，代表了隐身材料技术研究的最先进方向。它是一种具有感知功能、信息处理功能、自我指令并对信号做出最佳响应功能的材料系统或结构。材料由低发射率向可变发射率(自适应材料体系)方向发展；由单纯控发射率向控发射率/控温结合的方向发展。 2100433B

本项目拟研究模仿大自然中的生物，例如变色龙利用光、热、神精脉冲等来改变自己表皮的颜色，适应环境，保护自己。研究模拟光辐射、光反射调变原理- - 生物红外发射的调变原理，研究在外在因素作用下非平衡状态的红外发射率的调控和理论，采用低红外发射率无机纳米晶和轻质彩色功能球调变红外发射率，在纳米尺度上设计、研制具有光显示和低红外发射率的无机半导体纳米晶，通过与不同折射率的高分子材料复合制备轻质复合功能球，同时采用掺杂、包覆等技术进行功能化改性；通过调控微室中功能球、染料与溶剂的发射率差值，在微室柔性膜机理和新型组装方法上突破，构建微流控电泳微室，进而研制红外新型柔性薄膜图形分割器件，为新型柔性智能隐身成像器件研制提供理论基础和核心技术，为国防建设所涉及的光电隐身功能关键材料、关键技术进行一次创新的尝试。

一般来说, 用于热隐身的材料应具有以下基本特性: 具有符合要求的热红外发射率或较强的控温能力; 具有合理的表面结构; 具有较低的太阳能吸收率; 能与其它频段的隐身要求兼容。发射率是物体本身的热物性之一, 其数值变化仅与物体的种类、性质和表面状态有关。而物体的吸收率则不同, 它既与物体的性质和表面状态有关, 也因外界射入的辐射能的波长和强度而异, 所以严格讲来, 吸收率不是物体的热物性。目前, 以降低发射率为主要目标的涂料的主要性能指标是: 目标表面的发射率Ε T IR , 在可见光和近红外波段的太阳能吸收率A SUN 及与其它波段红外特性要求的兼容性。