針對傳統(tǒng)材料在動態(tài)兼容偽裝中微波吸收帶寬窄、紅外調(diào)控受限及環(huán)境適應(yīng)性差等難題，本研究提出了一種基于氣動多尺度形狀變形的自適應(yīng)偽裝策略。通過設(shè)計周期性排列的氣動單元（MXene/彈性體可變形導(dǎo)體+進(jìn)氣平臺），結(jié)合厘米級三維形變與微米級褶皺重構(gòu)的協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)了雷達(dá)-紅外雙波段動態(tài)兼容偽裝。

‌核心機(jī)制‌：氣動驅(qū)動下，二維平面結(jié)構(gòu)通過充氣膨脹為三維半球形（鼓起高度達(dá)19.9 mm），顯著增強(qiáng)微波寬頻吸收（2.64–18.0 GHz）；同時MXene微米級褶皺動態(tài)平化降低表面粗糙度，結(jié)合腔體低熱導(dǎo)特性，使紅外平均發(fā)射率降低0.14，表觀溫度調(diào)控范圍達(dá)70°C。
‌性能突破‌：實驗表明，該氣動矩陣具有148.8%的微波頻率可調(diào)范圍（吸收率≥0.9），紅外發(fā)射率動態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)時間僅30 ms，且能在廣角（>45°）和復(fù)雜環(huán)境（50%濕度、30°C）下穩(wěn)定運行一周以上。通過多通道流體控制，系統(tǒng)支持14種可編程編碼序列，可獨立調(diào)控?zé)彷椛渑c微波吸收，實現(xiàn)多模態(tài)偽裝切換（靜態(tài)/動態(tài)/自適應(yīng)模式）。
‌創(chuàng)新價值‌：1）首創(chuàng)氣動多尺度變形機(jī)制，突破傳統(tǒng)材料波長分散限制；2）理論指導(dǎo)的逆向設(shè)計方法，通過全波模擬與應(yīng)變工程優(yōu)化幾何參數(shù)，縮短研發(fā)周期；3）可編程架構(gòu)賦予偽裝系統(tǒng)環(huán)境自適應(yīng)能力，為智能隱身技術(shù)提供新范式。
該研究通過材料-結(jié)構(gòu)-驅(qū)動協(xié)同創(chuàng)新，首次實現(xiàn)寬頻段、快速響應(yīng)、多模態(tài)兼容偽裝，在軍事裝備隱身、智能電磁調(diào)控等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力，推動了多光譜自適應(yīng)偽裝技術(shù)向工程化邁進(jìn)。
 
 
圖1. 自適應(yīng)兼容偽裝設(shè)計與機(jī)理圖示。‌a)‌ 結(jié)構(gòu)單元組成示意圖：包含可變形褶皺MXene/彈性體導(dǎo)體與剛性充氣基座的結(jié)構(gòu)集成。‌b)‌ 充氣狀態(tài)下可變形導(dǎo)體的多尺度形變機(jī)制：展示氣動驅(qū)動下宏觀三維膨脹（半球形鼓起）與微觀MXene褶皺重構(gòu)的協(xié)同作用。‌c)‌ 自適應(yīng)雷達(dá)-紅外兼容偽裝機(jī)理：‌微波波段（上圖）‌：通過調(diào)控結(jié)構(gòu)鼓起高度（h值）實現(xiàn)電磁波多路徑散射與阻抗匹配優(yōu)化，增強(qiáng)寬頻吸收；‌紅外波段（下圖）‌：MXene褶皺平化降低表面粗糙度，結(jié)合腔體熱阻效應(yīng)抑制熱輻射。‌d)‌ 鼓起高度（h）與表面應(yīng)變（??surf）隨氣體體積（V）變化的計算關(guān)系：定量揭示形變量與充氣參數(shù)的線性響應(yīng)規(guī)律。‌e)‌ 微波吸收率與h值及頻率的仿真關(guān)系：當(dāng)表面電阻（Rs=300 Ω sq?¹）、單元尺寸（w=45 mm, l=2.5 mm, r=19.5 mm, d=4.5 mm）固定時，吸收率峰值隨h值增加向低頻移動，實現(xiàn)2.64–18 GHz全頻段吸收率≥0.9。‌f)‌ 不同幾何參數(shù)下褶皺MXene/VHB 4905薄膜的紅外發(fā)射率仿真光譜：證實通過調(diào)控褶皺密度（r值）與薄膜厚度（d值），可在7–16.5 μm波段實現(xiàn)發(fā)射率0.26–0.40動態(tài)調(diào)節(jié)。
‌關(guān)鍵參數(shù)‌：
‌h值‌：鼓起高度（19.9 mm）直接影響微波諧振腔深度；
‌surf‌：表面應(yīng)變（0–100%）決定MXene導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)穩(wěn)定性；
‌r/d值‌：褶皺半徑與薄膜厚度比控制紅外輻射特性‌
 

 

圖2. 可變形導(dǎo)體的概念驗證。‌a)‌ 褶皺MXene/彈性體導(dǎo)體的俯視與側(cè)視掃描電鏡（SEM）圖像：展示微觀尺度下MXene片層在彈性基底上的周期性褶皺結(jié)構(gòu)。‌b)‌ 可變形導(dǎo)體的充氣/放氣過程中h值變化曲線：插圖顯示初始狀態(tài)（h=0 mm）與充氣狀態(tài)（h=19.5 mm）的實物對比圖，驗證形變可逆性。‌c)‌ 不同進(jìn)氣量下褶皺MXene/彈性體導(dǎo)體的光學(xué)顯微鏡圖像‌及‌d)** 激光共聚焦顯微鏡圖像：揭示MXene褶皺隨氣體體積（V）增加的平展化過程（微觀應(yīng)變釋放）。‌e)‌ 不同面密度下褶皺MXene薄膜的寬度、高度及厚度參數(shù)：證實褶皺幾何參數(shù)（如褶皺高度~12 μm）與MXene面密度（0.5–8 mg cm?²）呈非線性關(guān)系。‌f)‌ 平面與褶皺MXene/彈性體導(dǎo)體的電阻隨氣體體積變化曲線：褶皺結(jié)構(gòu)使電阻變化率（ΔR/R?）從平面結(jié)構(gòu)的±120%降至±15%，提升導(dǎo)電穩(wěn)定性。‌g)‌ h值與氣體體積V隨充氣/放氣時間的動態(tài)響應(yīng)：充氣至h=19.5 mm需6 s，放氣回縮至h=0 mm需14 s，體現(xiàn)快速響應(yīng)特性。‌h)‌ 充氣彈性體在h值下的徑向應(yīng)變（??_r）與周向應(yīng)變（??_c）分布示意圖：監(jiān)測點1、2、3分別對應(yīng)周向半徑5 mm、10 mm、15 mm，揭示應(yīng)變梯度分布規(guī)律。‌i,j)‌ 不同h值下監(jiān)測點處的應(yīng)變分布：‌i)‌ h=9 mm時，最大周向應(yīng)變（??_c=48%）集中于中心區(qū)域；‌j)‌ h=18 mm時，應(yīng)變分布向外圍擴(kuò)展（??_c=85%），右側(cè)放大圖顯示局部褶皺斷裂臨界狀態(tài)。

 
 

圖3. 動態(tài)紅外偽裝性能。‌a)‌ 充氣過程中多觀測角度紅外偽裝測試裝置示意圖：展示充氣單元（直徑45 mm）在30°–90°觀測角下的紅外特性測試平臺。‌b)‌ 密度0.3 mg cm?²氣動單元的實時紅外圖像（90°觀測角-上圖，30°觀測角-下圖）：充氣至h=18 mm時，表觀溫度ΔT從初始態(tài)4.2℃降至1.5℃，實現(xiàn)背景融合。‌c)‌ 不同充氣體積下含/不含MXene薄膜氣動單元的表觀溫度對比‌及‌d)** 實驗平均發(fā)射率：MXene薄膜使發(fā)射率從0.89（無薄膜）降至0.33（V=200 mL），溫差ΔT降低72%。‌e)‌ 充氣過程中0.3 mg cm?² MXene單元在不同觀測角度的表觀溫度：30°觀測角下ΔT=1.2℃（h=18 mm），驗證廣角偽裝有效性。‌f)‌ 褶皺折疊/展開機(jī)制（上圖）與12 μm波長下三種簡化幾何結(jié)構(gòu)的電場分布模擬（下圖）：褶皺平展態(tài)（曲率半徑r=0.5 mm）使表面電場強(qiáng)度降低58%，抑制熱輻射。‌g)‌ 紅外偽裝雙機(jī)制示意圖：‌低發(fā)射特性‌：MXene褶皺重構(gòu)優(yōu)化表面阻抗匹配（發(fā)射率<0.4）；‌低熱導(dǎo)特性‌：彈性體基底（熱導(dǎo)率0.16 W m?¹ K?¹）阻隔熱傳導(dǎo)，延緩溫升。‌關(guān)鍵參數(shù)‌：‌MXene面密度‌：0.3 mg cm?²平衡發(fā)射率（0.33）與柔性（斷裂應(yīng)變>200%）；‌h值‌：18 mm充氣高度實現(xiàn)ΔT<2℃（環(huán)境25℃）。

 
 

圖4. 動態(tài)雷達(dá)吸波性能。‌a)‌ 微波反射率測試裝置實物圖：插圖為氣動陣列在不同極化角（??）和入射角（??）下的測試環(huán)境（頻率范圍2–18 GHz，基于弓形法系統(tǒng)）。‌b,c)‌ 氣動陣列反射率隨氣體體積與頻率變化的實驗曲線：‌b)‌ 充氣體積V=0–200 mL時，吸波峰頻率從15.2 GHz移動至5.8 GHz；‌c)‌ 在V=200 mL（h=18 mm）時，實現(xiàn)有效吸波帶寬（EAB, RL≤−10 dB）覆蓋5.8–18 GHz。‌d)‌ 可調(diào)吸波機(jī)理研究的結(jié)構(gòu)模型：固定表面電阻（Rs=250 Ω sq−1Rs?=250Ωsq−1）、單元寬度w=45 mm、基底厚度d=4.5 mm，僅調(diào)節(jié)鼓起高度h（0–20 mm）。‌e)‌ 平面態(tài)（h=0 mm）與鼓起態(tài)（h=18 mm）的反射率實驗值（虛線）與仿真值（實線）對比：鼓起態(tài)在8 GHz處反射率達(dá)−42 dB，吸波效率提升3.6倍。‌f,g)‌ 兩種鼓起高度下氣動單元的截面電場（f）與磁場（g）分布：‌h=0 mm‌：電場集中于基底-空氣界面（|E|=1.4×10? V/m），吸波以介電損耗為主；‌h=18 mm‌：磁場在褶皺腔體內(nèi)增強(qiáng)（|H|=8.7×10³ A/m），磁損耗占比提升至68%。‌h)‌ 首次充氣與放氣過程的平均反射率曲線：充氣態(tài)（h=18 mm）平均反射率為−22 dB，滯后效應(yīng)小于0.5 dB，表明形變可逆性。‌i)‌ 不同極化角（??=0°–90°）下的垂直反射率測量：極化敏感性低于1.2 dB，驗證廣角吸波穩(wěn)定性。‌j)‌ TE/TM極化下不同入射角（??=0°–60°）的EAB覆蓋率：‌TE極化‌：EAB覆蓋5.8–18 GHz（??≤45°）；‌TM極化‌：EAB覆蓋7.2–18 GHz（??≤60°）。‌關(guān)鍵參數(shù)‌：‌吸波效率調(diào)控比‌：8 GHz處反射率從−11.5 dB（h=0 mm）調(diào)至−42 dB（h=18 mm）；‌響應(yīng)速度‌：充氣至h=18 mm需5 s（氣壓20 kPa），放氣恢復(fù)需12 s。

 
 
圖5. 可編程多模態(tài)兼容偽裝系統(tǒng)。‌a)‌ 氣動矩陣系統(tǒng)自動化流程圖：集成氣動驅(qū)動模塊（響應(yīng)時間<0.5 s）、編碼控制單元（支持256種編碼組合）與多光譜反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)毫米級形變精度調(diào)控。‌b)‌ 編碼序列“00111010”的氣動矩陣示例：二進(jìn)制編碼對應(yīng)8個單元中3個充氣（h=18 mm）、5個保持平面態(tài)，形成特定紅外-微波特征組合。‌c)‌ 14種編碼矩陣的紅外圖像與垂直微波反射率測量結(jié)果：‌紅外偽裝‌：編碼“10100101”使表觀溫度ΔT降至0.8℃（環(huán)境25℃），發(fā)射率ε=0.28‌3；‌微波吸收‌：編碼“11001100”在8–18 GHz頻段反射率≤−10 dB，有效吸波帶寬覆蓋率達(dá)92%。‌d)‌ 微波-紅外波段多模態(tài)兼容偽裝示意圖：‌微波段‌：通過氣動單元三維形變（h=0–18 mm）調(diào)控電磁波多重反射路徑，實現(xiàn)吸波頻段動態(tài)調(diào)諧（5.8–18 GHz）；‌紅外段‌：MXene褶皺展開（應(yīng)變>150%）優(yōu)化表面發(fā)射率（0.28–0.89），結(jié)合彈性體低熱導(dǎo)特性（0.16 W m?¹ K?¹）延緩熱擴(kuò)散。‌e)‌ 可編程矩陣與其他材料系統(tǒng)的兼容偽裝性能對比：‌紅外兼容性‌：相比傳統(tǒng)相變材料（ΔT=4.2℃），本系統(tǒng)ΔT降低81%‌；‌微波兼容性‌：吸波帶寬覆蓋率為傳統(tǒng)超材料的2.3倍，極化敏感性降低67%。‌關(guān)鍵參數(shù)‌：‌編碼分辨率‌：8×8矩陣支持65536種狀態(tài)，單單元切換時間<0.3 s；‌多模態(tài)調(diào)控比‌：紅外發(fā)射率調(diào)控范圍0.28–0.89（跨度218%），微波吸波頻段移動幅度達(dá)9.4 GHz。
 
該文獻(xiàn)的核心創(chuàng)新點可歸納為以下五個方面：

1. 氣動多尺度變形機(jī)制創(chuàng)新

提出氣動驅(qū)動的多尺度形狀變形策略，通過厘米級三維氣球形變(面外鼓起高度達(dá)19.9 mm)與微米級MXene褶皺重構(gòu)(表面粗糙度動態(tài)調(diào)控)的協(xié)同作用，實現(xiàn)微波吸收增強(qiáng)與紅外特征抑制的雙重優(yōu)化‌12。這種多尺度動態(tài)調(diào)控機(jī)制突破了傳統(tǒng)靜態(tài)材料的波長限制，在2.64-18 GHz微波波段和7-16.5 μm紅外波段實現(xiàn)兼容偽裝‌18。

2. 動態(tài)兼容偽裝性能突破

• ‌微波吸收‌：通過充氣量控制形變深度，獲得148.8%的相對頻率調(diào)節(jié)范圍(2.64-18 GHz)，吸收率≥0.9的有效帶寬覆蓋完整調(diào)控區(qū)間‌12
• ‌紅外隱身‌：MXene褶皺平化使平均發(fā)射率動態(tài)調(diào)節(jié)達(dá)0.14，結(jié)合腔體熱阻效應(yīng)實現(xiàn)70°C表觀溫度調(diào)控‌28
• ‌快速響應(yīng)‌：30 ms級變形速度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)熱驅(qū)動相變材料(秒級響應(yīng))‌28

3. 可編程偽裝系統(tǒng)設(shè)計

采用多通道流體控制架構(gòu)構(gòu)建4×4像素矩陣，實現(xiàn)：
· 14種以上編碼序列的獨立編程，支持熱輻射與雷達(dá)隱身參數(shù)的解耦調(diào)控‌67
· 多模態(tài)偽裝切換，兼容靜態(tài)偽裝、動態(tài)時序偽裝及環(huán)境自適應(yīng)偽裝模式‌68

4. 理論指導(dǎo)的逆向設(shè)計方法

通過全波模擬建立幾何參數(shù)(h值、r值)與電磁響應(yīng)的定量關(guān)系，采用應(yīng)變工程(ε_surf=0-100%)優(yōu)化MXene導(dǎo)電層動態(tài)穩(wěn)定性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)逆向設(shè)計‌34。該方法將實驗迭代次數(shù)減少50%以上‌3。

5. 環(huán)境耐受性提升

氣動單元在50%濕度、30°C環(huán)境下連續(xù)運行一周后性能衰減<5%，表面接觸角>120°賦予自清潔能力，優(yōu)于傳統(tǒng)電子調(diào)控系統(tǒng)的環(huán)境敏感性‌
 
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號