来源 | Advanced Functional Materials 高分子科技编辑

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202530991

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文章前瞻

红外隐身技术通过隐藏目标的特征以防止热探测，从而提升其生存能力。由于所有温度高于0 K的物体都会发射红外辐射，即使在恶劣天气条件下也能被红外相机探测到，因此降低其热信号至关重要。根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的热辐射与其表面发射率及其绝对温度的四次方成正比。因此，实现有效红外隐身的两种主要策略是降低表面发射率和调控温度。过去十年中，热红外技术取得了显著进展，主要可分为两类方法：被动式方法，例如低发射率材料、隔热气凝胶以及可调节温度的相变材料；以及主动式方法，如电控红外发射率调制技术。尽管在用于红外隐身的功能材料方面已取得诸多进展，包括被动式温度调控以及静态或动态发射率调控，但在不同高温条件下实现有效隐身仍是一项重大挑战。

基于此背景，1月4日，北京化工大学汪晓东教授、刘欢副教授团队以“Decoupling and Dynamic Regulation of Thermal Radiation and Emissivity via an Active/Passive, Environment-Adaptive Metamaterial for Intelligent Infrared Camouflage”为题发表最新论文在国际知名学术期刊《Advanced Functional Materials》。论文的第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院博士生赵静。

该文章报道了一种新型三明治结构的相变复合材料，将被动热管理与主动发射率调控协同结合。该集成系统包含三个功能层：以超低导热系数的定向多孔聚酰亚胺气凝胶作为基础隔热层；以高潜热容量的聚酰亚胺（PI）/聚乙二醇（PEG）相变复合材料作为中间热缓冲层；以及以基于可逆铜电沉积原理、能够动态调控红外发射率（在2.5–14 μm波段内发射率对比度Δε = 0.69）的电致变色器件作为功能表层。该复合材料表现出卓越性能，最高工作温度可达300 °C，在200 °C高温背景下能将辐射温度维持在低至26.2 °C，同时其发射率可主动调节以适应不同环境条件，从而为开发智能环境自适应热管理系统提供了一种可行且先进的策略，能够在严苛多变场景下实现高效红外伪装。

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图文导读

红外隐身材料是一类专门设计用于降低目标在红外波段（通常指2.5–14 μm）的可探测性的功能材料。其核心目标是抑制或调控物体的热辐射特征，使其难以被红外探测器（如红外热像仪、导弹导引头等）发现、识别或跟踪，从而提升军事装备、人员或设施在战场环境中的生存能力。红外隐身材料已从追求单一“看不见”的阶段，迈入了追求智能动态调控与多谱段兼容隐身的新时期。其发展现状可概括为以下几个关键方向：

（1）从“静态”到“智能动态”的跨越：最新的研究不再局限于使用固定不变的低发射率涂层。科学家们开发出了能像“智能皮肤”一样主动响应环境的材料。例如，通过施加微小的电信号，电致变色器件可以在秒级时间内动态调整自身的红外发射率；而相变材料则能像“热海绵”一样，通过吸收或释放热量来被动调节表面温度，实现自适应“热隐身”。这些材料让目标物在不同温度背景和日夜环境下都能有效隐匿。

（2）从“单谱段”到“多谱段兼容”的融合：现代战场上面临着雷达、红外、可见光等多波段探测的复合威胁。因此，当前的研究热点是设计单一材料或集成结构，以同时应对多种探测手段。例如，通过精巧的超材料（Metamaterial）设计，可以实现材料表面对微波的高吸收（雷达隐身）与对红外的低发射（红外隐身）的完美协同，解决了过去两者在物理原理上的矛盾。

（3）探索“耐高温”与“多功能集成”的极限：为了适应高速飞行器等带来的极端高温环境，新一代材料如耐高温气凝胶、陶瓷基复合材料等正在发展，它们能在数百度的高温下保持结构稳定和隐身性能。

同时，材料正被赋予更多功能，如将隔热、热管理、电磁屏蔽甚至结构承载能力集成于一身，例如通过3D打印技术制备的多功能气凝胶，代表了材料设计的高度集成化趋势。然而，在极端高温环境下，低发射率材料、基于相变材料的相变复合材料以及电致变色器件容易发生热降解、氧化和结构失效，从而导致其性能下降。例如，相变复合材料在经历多次高温循环后可能发生分解，使其潜热容量和温度调控能力显著减弱。同样，电致变色器件常因电解质热稳定性有限而在高温下失效。虽然气凝胶可提供直接的高温隔热效果，但其隐身效能受限于气凝胶基体内部固有的热传导，最终会增强目标红外信号的可探测性。

为应对在不同环境下实现高温红外隐身的挑战，汪晓东教授研究团队设计了一种三明治结构的相变复合材料，该材料机智地集成了被动式温度调控与主动式红外发射率控制功能。该复合材料由三层功能层构成：底层为各向异性PI气凝胶，中间层为各向异性PI气凝胶/ PEG复合相变材料，顶层则采用基于可逆铜电沉积的电致变色器件，并以环氧树脂作为粘合剂。底层的各向异性PI气凝胶作为抵御高温热源的第一道防线，具有高孔隙率（93.3%）、低热导率（29.7 mW·m⁻¹·K⁻¹）以及优异的热稳定性，其热分解温度超过560.58 °C。中间层的PI气凝胶/PEG相变复合材料提供热缓冲效应：当温度超过PEG的熔点时，其固–液相变过程吸收热量，延缓温度上升；同时，气凝胶网络作为支撑骨架，有效防止液态PEG泄漏，确保材料保持稳定的高潜热容量（157.4 J·g⁻¹）。顶层的电致变色层可动态调控表面红外发射率。通过铜的可逆沉积与剥离，该层可在低发射率与高发射率状态之间切换，从而适应环境变化，在2.5–14 μm波段实现强大的光谱调控能力。该层在中波红外（3–5 μm）和长波红外（8–14 μm）波段分别实现了高达0.72和0.69的红外发射率对比度（Δε），具备快速响应速度（着色时间：4.8 s，褪色时间：1.21 s），并在400次循环后仍保留76.24%的性能容量。得益于三层结构的协同作用，所开发的三明治结构相变复合材料展现出卓越的高温红外隐身性能：其最高使用温度可达300 °C；当置于200 °C的加热板上时，表面热辐射温度仅维持在26.2 °C。此外，顶层可切换的发射率赋予材料优异的环境适应性。与采用静态低发射率顶层的传统复合材料不同，本设计能够动态调节其热辐射特征，以匹配周围环境，展现出智能化的红外隐身能力。不同于静态伪装材料，本系统可通过电信号编程，在不同红外发射率状态间切换，从而动态调整其热辐射特征，以模拟不同背景或在特定环境中最小化被探测的可能性。

图1主被动结合模式红外隐身材料结构示意图

图1显示了本研究所设计的主被动结合模式红外隐身材料各身的工作方式，及其以三明治结构的相变复合材料集成形式，获得了被动式温度调控与主动式红外发射率控制功能，从而实现优异的高温红外隐身性能。具备高透光率与高导电性的红外透明导电电极是用于辐射热控制和红外隐身的电致变色器件中的关键组成部分。传统电极难以同时在可见光（Vis, 380–800 nm）、近红外（NIR, 800–2000 nm）和中红外（2.5–14 μm）光谱范围内实现高性能。为解决此缺陷，我们设计了一种兼具高透光率与高导电性的红外透明导电电极，使其适于在电化学势下调控下方活性材料的热辐射。该电极通过模板法在氟化钡玻璃基底上沉积无序金网格制成。

图2 所制备氟化钡玻璃基底的形貌、电性能及光学特征

图2显示了本研究所制备的用于红外透明导电电极的氟化钡玻璃基底的形貌、电性能及光学特征。可以发现，该氟化钡玻璃基底兼具了优异导电性和为保持高透光率所需的大面积非金属化开孔区域的网格。通过控制磁控溅射时间，使氟化钡玻璃基底获得了10 Ω sq⁻¹的低方块电阻和在2.5–14 μm范围内高达83%的中红外透光率。在成功于氟化钡基底上制备金网格后，再将铂薄膜沉积到该透明导电电极上，形成工作电极后，可以发现该基底仍然保持高透明性和低电阻特征。

图3 所制备电致变色器件的工作原理、形貌结构、光学性能及红外隐身特征

图3显示了利用所制备透明导电工作电极组装的电致变色器件的工作原理、形貌结构、光学性能及红外隐身特征。可以看到该器件由工作电极、铜箔对电极以及以二甲基亚砜为溶剂的CuCl₂和LiClO₄电解质溶液构成。工作电极的中红外透明特性使得其下方的电解质层能够贡献高发射率。当施加负向沉积电压时，Cu²⁺离子被还原为金属铜，并逐渐电沉积在铂层上，形成致密的金属薄膜。该薄膜增强了红外反射率并抑制辐射热损失，使器件从高发射率态切换至低发射率态。反之，施加正向剥离电压可将沉积的铜纳米粒子氧化回Cu²⁺离子，从而从铂表面移除金属层，使器件恢复至高发射率态。一系列表征确认了沉积铜的化学状态以及铂层在基底上保持完整。在低外加电压驱动下，Cu/Cu⁺/Cu²⁺的氧化还原转变实现了铜的可逆沉积与剥离，使器件成功地从高发射率态转变为低发射率态。该器件也表现出优异的在沉积/剥离循环稳定性，400次循环后仍保持初始容量的76%。图3还展示了电致变色器件在诱饵或假目标显示方面的应用。器件被分为两个区域：一个是未构建铂层的图案化区域，另一个是制备有铂层的区域。最初，在红外热成像图和光学图像中观察到两个区域之间存在轻微差异，这归因于铂层导致的透光率降低。当施加负向沉积电压后，区域间产生了鲜明对比。镀铂层的区域因铜沉积而呈现高反射性，使图案清晰可辨；相反，无铂层的区域则没有铜沉积。因此，一个可识别的图案同时在热红外图像和光学图像中出现。当施加正向剥离电压时，含铂区域随着铜纳米粒子被剥离而恢复至初始状态，图案随之消失。这种可控的图案生成能力使该器件能够用作诱饵或假目标，并显示特定信息，以适应不同的应用场景。

图4 电致变色器件、PI气凝胶及相变复合材料独立体及其组合体

在不同发热平台上的红外热成像照片及温度演化曲线

图4显示了电致变色器件、PI气凝胶和PI@PEG复合材料在单独及组合情况下的红外隐身性能。可以发现，单独的电致变色器件虽然显示了良好的隐身性能，但其最高使用温度低于75 °C，这主要受限于凝胶电解质的热降解。单纯PI气凝胶和PI@PEG复合材料的红外热成像图及相应温度演化曲线显示，相变复合材料可通过相变实现短期温控以维持低热辐射温度，而气凝胶则通过持续抑制热传导在长期内保持相对较低的热辐射温度。当将其两两复合，则PI/PI双层复合材料表现出稳定的长期温控能力，而PI@PEG/PI@PEG双层复合材料则展现出短期热缓冲特性，这与其单层对应物的行为一致。值得注意的是，混合结构的PI/PI@PEG双层复合材料在加热期间的热辐射温度低于PI@PEG/PI@PEG复合材料。有限元分析模拟结果也验证了这一发现。

图5 具有三明治结构的复合电致变色器件在不同温度平台及热伪装目标上的

红外热成像照片及温度演化曲线

前面研究显示，基于单一材料及双层复合材料的红外隐身性能分析，可以明确看出每种策略均具有独特优势：电致变色器件提供动态红外调制能力，气凝胶实现长期温度调控，而相变复合材料则提供短期热缓冲。此外，将气凝胶与相变材料组合成双层结构，能够整合二者的优势。为实现不同条件下高效的高温红外隐身，我们设计了一种三明治结构复合电致变色器件，其顶层为电致变色器件，中间层为PI@PEG相变复合材料，底层为PI气凝胶。从图5所显示的复合电致变色器件的红外热成像照片可以发现，该器件可在高达300°C的高温下可安全使用。其顶层电致变色器件的集成并未损害底层结构的被动热辐射特性。当施加沉积电压后，发射率显著下降至0.20，实现了高达0.69的整体Δε值。该值与独立电致变色器件的Δε值（0.69）相当，表明卓越的动态发射率控制功能在集成系统中得以完全保留。对最终复合材料发射率、热辐射状态及开关时间的这些直接测量，为被动热管理（维持低表面温度）与主动发射率控制（进一步降低热辐射）的协同结合提供了确凿证据，二者共同实现了卓越的红外隐身性能。图5数据也表明，在没有PEG固-液相变提供的热缓冲情况下，电致变色组件无法在高温下可靠工作，从而强调了相变材料在维持器件功能方面的关键作用。此外，通过对使用三明治结构复合器件针对两个高温军事装备模型作为伪装目标的红外隐身性能评估发现，使用复合器件覆盖这些高温军事目标后，其热辐射温度显著降低，证明了三明治结构复合材料通过被动热调控与主动红外发射率调制的协同结合，实现了卓越的红外隐身能力。

图6 三明治结构复合电致变色器件在户外真实场景中的环境自适应红外隐身性能实验效果

图6显示了针对三明治结构复合电致变色器件在真实户外场景下的环境自适应性能评估结果。该评估实验使用了一个自制的户外红外隐身实验装置，包括一个200°C热台作为高温目标、连接电脑用于电压控制的电化学工作站、为热台和工作站供电的移动电源，以及用于记录三明治结构复合材料与对照样品热辐射行为的红外热像仪。其对照样品由PI气凝胶基层、PI@PEG中间层和铜箔顶层构成。为展示所开发复合材料固有的自适应智能特性，通过主动调控其发射率以适应环境温度的昼夜变化。在一天之内的早、中、晚三个不同时间段内，利用人工、按需重新编程热特征的方式，验证了该材料的核心智能功能：即根据不同热场景进行重新配置以实现有效伪装的能力。此外，还进行了冬季及沙漠条件下的户外模拟实验，以在更广泛的场景中评估三明治结构复合材料的隐身有效性验证。这些实验表明，该复合材料能有效利用其主动发射率调控功能来适应热环境变化。

本研究的关键创新成果在于电致变色层具备的大幅度快速发射率调制能力。这使得该复合器件能动态重构其热学外观，成为一个适用于广泛环境条件（远超昼夜温度单一变量）的通用伪装平台。未来工作将包括在这些多样且复杂的环境中进行系统测试，以全面绘制该技术的适用边界。此外，该复合材料展现出优异的环境适应性，能够动态调整其红外发射率以在不同环境条件下保持有效伪装。虽然当前的户外验证是在单日晴朗天气条件下进行的，但主动发射率调控的基本原理可直接适用于更广泛的复杂场景，包括变化的天气模式和地形背景。该器件在高热辐射状态与低热辐射状态之间切换的能力，提供了模拟天空中“冷”物体或地面上“暖”物体所需的基本功能。设想，未来与红外传感器及智能控制系统的集成，可自动识别背景辐射特征并指令复合材料采用最优发射率状态，从而实现环境自适应红外伪装的完全自主化。

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部分作者简介

汪晓东，男，北京化工大学，教授、博士生导师。1990年本科毕业于北京化工学院，其后继续在北京化工大学学习，分别于1994年和1996年获高分子材料专业硕士和博士学位，同年赴韩国DOOSAN电子集团研究与开发中心做博士后研究，1998年回国在北京化工大学从事教学与科研工作， 2002年晋升为教授，2003年被聘为博士生导师。后作为国家公派访问学者分别于2001年和2012年赴韩国KOLON工业集团中央研究院和法国巴黎第六大学从事科学研究各一年。自参加工作以来，主要从事塑料改性、先进复合材料加工、功能高分子设计及合成、相变储能材料设计制备等领域的研究工作。作为项目负责人主持了科技部国家“十一·五”和“十二·五”支撑计划项目、国家重点研发项目和国家自然科学基金等多个国家级课题的研究工作。其中研究成果分别获得国家科技进步三等奖、石油化工联合会科技进步一等奖、国防科工委科技进步二等奖和（原）化工部科技进步二等奖各一项。作为第一发明人取得授权国家发明专利20余项，作为第一作者或通讯作者，在国内外学术刊物上发表学术论文300余篇，其中在SCI收录的国外英文期刊上发表高水平学术论文200余篇。还担任中国合成树脂协会理事、中国石化联合会所属“全国石油和化工行业聚甲醛制备及加工应用工程实验室”副主任、《中国塑料》期刊编委。

刘欢，男，北京化工大学副教授，硕士生导师。2017年获北京化工大学材料科学与工程专业博士学位，并在本校继续从事博士后研究2年，之后留校任教。主要研究方向为热能存储控温材料，尤其是相变储能材料微纳米胶囊表面的多层级结构及其功能化的构筑，以及高性能相变材料复合物的“结构—传热—储能 ”之间的关联性与多功能化应用研究。作为项目负责人，主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金、教育部博士后科学基金等项目 7 项。以第一作者或通讯作者在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Small、Nano-Micro Letters 等 SCI 期刊发表论文 70 余篇，h 因子 39。

由 DT新材料 主办的 第三届相变材料创新与应用论坛 定于 2026年4月16-18日 在 广州 召开。已邀请汪晓东教授作为特约报告出席会议！

论坛以“智启相变・赋力千行”为主题，旨在促进相变领域学术界和企业界之间的交流与合作，探讨行业最新前沿和突破，推进技术与应用创新。论坛组委会诚邀领域专家、学者学生，以及产业界人士共同参与，共同推进相变产业新未来。