一种温度自适应红外/雷达兼容隐身表面结构的设计方法

本发明涉及航空航天红外及雷达隐身领域，具体涉及一种温度自适应红外/雷达兼容隐身多层表面薄膜结构。

背景技术：

1、随着高新技术的发展和社会的进步，新一代空间态势感知系统具有广阔的应用前景。当前空间态势感知系统的成熟应用已经使得全球范围内实现了一体化的雷达与红外结合的空间态势感知能力，这对于民航行业、天气预报等领域具有全时段、全频谱的准确探测与预警功能。然而，在当前的突发事件应对技术中，侦测、隐私保护与防御等功能之间存在相互制约与平衡的问题，需要寻求统一与协调的解决方案。因此，实现智能侦测、隐私保护与防御等一体化功能集成将是未来安全领域的重要课题。各国安全系统对于多维信息的获取及反获取越来越重视，这在现代安全领域起到至关重要的作用。低可探测技术的发展与应用成为必然，通过降低目标的特征信号特性，使其不易被他人发现、识别、跟踪、定位和攻击，从而实现保护自身安全的目的。现代低可探测技术包括电子雷达、红外感知、电磁监测、可见光隐身、声纳技术以及多波段技术融合等方面。当前安全保障系统主要面临雷达侦测和红外探测的威胁。

2、虽然目前已有大量的研究致力于通过红外特征调控、雷达特征调控以及雷达红外综合特征调控实现目标的隐身，取得了许多进展与突破，但是实际应用过程中中雷达吸波材料的使用通常会产生过多的热量，进而影响红外特征调控的效果。因此，在实现雷达红外综合特征最大功效、避免雷达特征调控与红外特征调控相互制约的挑战仍需要进一步解决。

技术实现思路

1、针对雷达特征与红外特征调控相互制约的瓶颈问题，本专利提出了一种温度自适应红外/雷达兼容隐身表面结构，该表面结构可实现雷达隐身及红外特征调控。通过多层膜结构的设计及有机组合实现目标长波红外以及雷达等多个光谱范围的兼容隐身，并同时可以随着目标温度变化自适应调控其发射率并结合微纳结构绝热膜实现目标的热管理。

2、一种温度自适应红外/雷达兼容隐身表面结构为俯视图为正方形的层状结构，包括以下功能区：

3、红外调控功能区：石墨烯掺杂红外辐射调控膜

4、绝热区：微纳结构绝热膜

5、雷达吸波功能区：雷达吸波多层渐变薄膜

6、进一步地，红外调控功能区为层状结构，其由上下三层材料复合而成，从下至上依次为石墨烯(graphene)、硫化锌(zns)、二氧化钒(vo2)材料。各层厚度分别为：0.5μm、0.75μm和0.075μm。

7、当目标处于较高温度(高于vo2的相变温度)时，vo2处于低电阻态(金属)态。此时，较薄的vo2层对红外波段的辐射具有较高的透过率，大部分的红外辐射透过vo2层进入薄膜的中下层，由于在底层石墨烯层和vo2膜之间引入红外透光介质zns薄膜层，可获得法布里-珀罗(f-p)谐振微腔结构，利用干涉相消的原理，可实现表面结构的红外吸收率的大幅度提升。实现目标表面在高温下的高发射率，利用高发射率实现快速的红外散热，配合绝热区，可使快速使其表面膜层降低至平衡温度。当目标处于较低温度(低于vo2的相变温度)时，vo2处于高电阻态(绝缘)态，此时，vo2对红外波段的辐射具有较高的反射率，可以使维持器件表面的低红外吸收以及发射率。红外调控功能区具有温度自适应的表面发射率调控能力，配合绝热区，可实现高温快速散热以及低温红外隐身的温度自适应的目标热管理。

8、进一步地，由涤纶基材表面涂覆聚氨酯丙烯酸酯(pua)材料组成，其厚度约0.65mm，导热系数约为0.00824w/m·k。

9、进一步地，雷达吸波功能区为碳基阻抗匹配渐变多层膜的周期性结构，周期单元材料为pmi/pet/方阻膜，一共为5个周期，此外，在周期性单元材料下方为金属接地层。其中电阻膜的方阻值每个周期是不同的，自上而下阻值呈现递减趋势。

10、温度自适应红外/雷达兼容隐身表面结构充分利用了需要隐身功能的各种电磁波波长的差异。(1)将红外调控功能区放置于上层，使其可以充分发挥表面红外辐射传热的优势，同时配合中间绝热区对目标进行热管理；(2)在整个分层结构的最下面对应于波长最长的雷达吸波功能区，由于上面的结构均为微波透明材料，整个分层结构的微波响应几乎完全取决于最下层的阻抗匹配雷达吸波多层渐变薄膜的特性，在单一表面结构内的实现雷达隐身及红外特征调控。

11、本发明具有以下优点和效益：

12、a.本发明将基于vo2的温度自适应红外调控膜与基于阻抗匹配渐变雷达吸波膜相结合，可以在单一表面结构中实现雷达隐身及红外特征调控。

13、b.本发明利用了vo2的温度相关相变特性，实现了表面器件的温度自适应发射率调控，在高/低温状态下实现了大气窗口(8～12μm)波段发射率的0.23～0.88的转变，实现了高温散热及低温红外隐身的动态红外特征调控。

14、c.本发明基于多层电阻膜-介质复合结构，设计了一款阻抗匹配多层渐变薄膜材料吸收体，在4～12ghz频段内吸波10db以上，可实现雷达隐身。

15、d.本发明利用微纳结构绝热膜，隔离内部雷达吸波热源与外部红外辐射层，降低外层表面热容，缩短外层表面降温时间，可使得目标从初始高温状态下快速实现红外隐身。

技术特征：

1.一种温度自适应红外/雷达兼容隐身表面结构的设计方法，其特征在于：其总体结构为层状结构，各层俯视图均为正方形，自下至上依次包括如下功能区：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述(3)中电阻膜在每个周期内方阻值不同，最上层第1周期内方阻值为500～800ω/□，并在自上而下第2、3、4、5周期中电阻膜方阻值相比上一周期依次减小50～100ω/□，所有周期内电阻膜边长尺寸范围为190～310mm，厚度范围为1～3mm。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述(3)中热塑性聚酯层材料选用聚对苯二甲酸乙二醇酯pet，在每个周期内厚度范围为0.1～0.5mm。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述(3)中绝缘层材料选用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫pmi，其厚度在自上而下第1、3周期厚度为4.5～6.5mm；第2、4、5周期厚度为1.5～3.5mm。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述(3)中金属接地层在最下方，材料为铜或银，其厚度为0.01～0.5mm。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：除电阻膜层外，其余膜层边长相等，边长范围为320～400mm。

技术总结
一种温度自适应红外/雷达兼容隐身表面结构的设计方法涉及航空航天红外及雷达隐身领域。温度自适应红外/雷达兼容隐身表面结构为层状结构，包括雷达吸波层、绝热层以及温度自适应红外发射层。雷达吸波层在4～12GHz频段内吸波10dB以上，可实现雷达隐身。绝热层采用微纳绝热薄膜，隔离目标内部热源。温度自适应红外发射层可在大气窗口(8～12μm)波段变发射率范围为0.23～0.88，实现目标的热管理及红外隐身。该设计通过多层微纳结构创新设计与石墨烯复合材料的优异电磁调控性能，避免雷达特征调控与红外特征调控相互制约的瓶颈问题，实现雷达红外综合特征调控的最大效能。

技术研发人员：王如志,王晗,王超,安泽琳,李绣峰,刘立英
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10