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随着可见光（VIS）和红外（IR）探测的快速发展和广泛应用，探索可见光-红外（VIS-IR）兼容的隐身技术变得越来越重要。在可见光波段中，伪装颜色主要分为颜料色（源于分子对特定波长光的选择性吸收）和结构色（源于周期性精细结构对特定波长光的选择性反射）。因此，亟须设计一种可见光-红外兼容的隐身装置。在本研究中，提出了一种可见光-红外（VIS-IR）兼容且独立的伪装装置，该装置由上层的红外透明可见光彩色图案层和下层的电致变色红外层组成。实验结果表明，可调制不同的颜色，并且红外发射率可以从0.43电控制调节至0.9。
图1展示了该装置结构模型，该装置由上层多层MWCNT/PE/PSNS复合膜、多孔PE间隔层（填充有离子液体）和下层MWCNT/PE复合膜组成。在我们的设计中，可见光和红外功能都来自上层多层膜，即最外层的PSNS层用于实现定制颜色，同时具有高红外透明性；而最内层的MWCNT层用作红外发射率调节的活性材料，并作为整个装置的电极。且该装置中可见光和红外隐身功能是独立实现的，而不像大多数现有的可见光-红外兼容隐身那样耦合在一起。为了实现与角度无关的颜色，在PSNS层中引入了短程有序非晶光子结构（一种非封闭排列的面中心立方晶体结构）。这种结构内部含有光子禁带，通过反射这些光来显示指定的颜色。
关于红外发射率调节，采用商用MWCNT膜作为活性材料，因为它们在红外范围内具有优异的电调谐性能，并且易于大面积制造，具备实际应用潜力。此外，MWCNT膜的高电导率消除了对额外电极层的需求。当在上层MWCNT电极上施加正电压时，阴离子会被驱动到MWCNT中，随后吸附的阴离子将嵌入MWCNT的石墨层中，从而导致P型掺杂。同样，在负电压下，阳离子会导致N型掺杂。P型掺杂和N型掺杂都会改变费米能级并抑制带间跃迁，从而导致红外吸收率和发射率的变化。通过改变偏置电压，这一嵌入过程是可逆的，因此该隐身装置的发射率可以动态调节。
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图1.VIS-IR兼容的隐身设备的示意图。通过PSNSs的非晶光子结构实现VIS多色图案，通过充放电实现红外发射率调制。
为了研究对红外性能的影响，对组合的PE/PSNS层的透射和反射特性进行了数值模拟，如图2所示。模型具有面心立方晶体结构，如图2(a)所示。从图2(b)可以看出，随着PE厚度的增加，透射率略有下降，而反射率相应增加。对于0.5、0.7和1μm厚的PE层，在模拟的光谱范围内，透射率分别保持不低于0.93、0.90和0.84。如图2(c)所示，当PSNS层的厚度在3-4微米之间时，模拟的透射和反射光谱在不同PSNS直径下几乎保持不变，表明PSNS直径对红外透射/反射特性几乎没有影响。此外，还考虑了斜入射下的透射/反射性能。如图2(d)所示，组合的PE/PSNS层的透射率随着入射角的增加呈现下降趋势，但即使在45度入射时仍能保持超过0.8的透射率，验证了良好的角度稳定性。由于PSNS层以及PE层的高红外透明性，可见光隐身性能可以轻松叠加到基于MWCNT的电致变色红外层上，成功实现了具有多色图案和可调发射率的可见光-红外兼容且独立的隐身功能。
图2.(a)基于面中心立方晶体结构的PSNS模型。(b)不同PE厚度下的透射和反射光谱的模拟结果。(c)不同PSNS直径下的透射和反射光谱的模拟结果。(d)与角度相关的透射和反射光谱的模拟结果。
图3(a) 展示了隐身装置的制造过程，包括MWCNT/PE复合膜的热压工艺、MWCNT/PE膜PE侧的等离子预处理、PSNS的雾化沉积、六甲基二硅氮烷（HMDS）疏水处理和最终装置的组装。图3(b)展示了未处理的MWCNT膜的表面形貌，可以看到碳纳米管相互缠绕形成了高度多孔的结构。经过热压处理后，MWCNT与PE膜紧密结合，其表面致密且光滑，如图3(c)所示。随后，在PE表面进行了等离子处理，形成了浅坑缺陷，如图3(d)所示。这些浅坑缺陷不仅能有效增强PE膜与PSNS之间的粘附强度，还能增加PSNS分布的均匀性，如图3(e)所示，其中PSNS的雾化沉积时间持续约1分钟。为了获得所需厚度的PSNS层，雾化沉积时间需要持续约9分钟。从图3(f)和(g)中可以看出，PSNS在PE膜上均匀且紧密地自组装，厚度为3-4微米，形成各向同性的短程有序结构。
图3.(a) 隐身装置的制备过程。(b) 未处理的MWCNT膜。(c) 等离子预处理前的MWCNT/PE复合膜。(d) 等离子预处理后PE膜的表面形貌。(e) 雾化沉积约1分钟的PSNS分布形貌。(f) 雾化沉积约9分钟的PSNS分布形貌。(g) MWCNT/PE/PSNS复合膜的横截面。
为了获得不同的外观颜色，将PSNS尺寸从200 nm变化到300 nm，得到了一种包含蓝色、绿色和紫色的颜色系统，如图4(a)所示。可以看出，PSNS直径分别为200 nm、240 nm、260 nm、280 nm和300 nm时，反射光谱的特征波长分别位于445 nm、520 nm、615 nm、630 nm和650 nm。实际上，在实际沉积过程中，很难将PS微球堆叠成理想的FCC晶体结构。同时，购买的PS微球尺寸也存在偏差。因此，测量结果与计算结果之间的偏差归因于实际中的不规则堆叠结构和颗粒尺寸偏差。值得指出的是，由于个别PSNS的共振Mie散射和反向散射共振，并没有产生纯黄或红色。
为了提高PSNS层的附着力，加入了聚乙烯醇（PVA）作为粘合剂，然而，添加的PVA量也会影响外观颜色。因此准备了四种不同PVA浓度（0 wt%、4 wt%、8 wt%和12 wt%）的MWCNT/PE/PSNS复合膜，雾化沉积时间相同为9分钟，PSNS直径为200 nm，如图4(b)所示。可以观察到，随着PVA浓度的增加，膜的亮度降低，这也通过测得的反射光谱得到了很好的体现。这一现象可以解释为PVA（n≈1.48）掺入后PSNS与空气基质之间的折射率对比度减少。尽管如此，PVA浓度对反射光谱的特征波长几乎没有影响。此外，对制备的MWCNT/PE/PSNS复合膜进行了耐磨测试，如图4(c)所示，随着PVA浓度的增加，膜表面的损伤程度显著减轻。因此，添加PVA的量应考虑在亮度与机械强度之间取得平衡。此外，用六甲基二硅氮烷（HMDS）处理了装置表面。由于PSNS产生的纳米尺度形貌和HMDS的低表面能，良好的疏水性能得以实现。如图4(d)所示，紫色（300 nm PSNSs）和蓝色（200 nm PSNSs）膜的水接触角分别达到了126.4°和133°。
图4.(a)不同直径下的PSNS层的反射光谱。(b) 不同PVA浓度下的PSNS层的反射光谱。(c)不同PVA含量样品的耐磨试验和耐磨试验结果图。(d)对紫色（300 nm PSNSs）和蓝色（200 nm PSNSs）薄膜的疏水性的实验验证。
在验证了可见光性能后，进一步研究了该装置的动态红外功能。用红外相机记录了偏置电压从-4 V变化到4 V相应的热像，如图5(a)所示。随着绝对偏置电压的增加，表观温度下降。同时，我们还比较了不同上电极膜的红外发射性能，包括未处理的MWCNT膜、MWCNT/PE膜、含4 wt% PVA的MWCNT/PE/PSNS膜、含8 wt% PVA的MWCNT/PE/PSNS膜和含12 wt% PVA的MWCNT/PE/PSNS膜，如图5(b)所示。对于使用未处理MWCNT膜作为上电极膜的情况，集成发射率在偏置电压约-1.0 V时呈现最大值，并且在两侧呈近线性变化；而其他情况下，集成发射率呈现出类似下凹的抛物线变化趋势，在相同偏置电压下显示出细微的区别。碳纳米管的最高红外发射率在中性状态下可以观察到。一旦施加负电压，阳离子会被驱动到MWCNT并在其表面积累，产生n型掺杂。相反，施加正电压时会发生p型掺杂。因此，未处理的p型MWCNT膜可以通过适当的n型掺杂返回中性状态。而该装置中的MWCNT/PE膜经过高温热处理，可以有效减少MWCNT中的缺陷。因此，在处理过的MWCNT/PE膜的情况下，最大集成发射率发生在0 V。从图5(c)中可以看到，经过100次循环偏置后，未处理MWCNT的集成发射率调节范围从0.43（0.37–0.8）退化为0.3（0.7–1），而MWCNT/PE和MWCNT/PE/PSNS的调节范围分别变化为0.46（0.39–0.85）到0.44（0.44–0.88）和0.47（0.43–0.9）到0.46（0.44–0.9）。因此，可以得出结论，PE膜有助于提高装置的循环稳定性。
最后，用草地伪装图案的10 cm × 10 cm装置覆盖在人的手臂上，以展示其VIS-IR兼容的伪装性能。从图5(d)可以看到，覆盖装置的手臂皮肤与背景灌木匹配良好。除了在可见光区域的隐身效果良好外，该装置在红外成像相机下也具有红外伪装能力。由于人体温度通常高于周围环境温度，当装置不工作时，覆盖区域与的皮肤在热像中明显突出；然而，当施加4 V电压到装置时，覆盖区域的热温度接近背景的温度，显示出良好的红外隐身性能。此外，将该装置与一些报道的VIS-IR兼容伪装结构从外部刺激、可见性能（多颜色图案）、红外性能（发射率/温度调节）、功能独立性四个方面进行了比较。可以看出，该装置在先进的VIS-IR兼容隐身方面具有综合优势。
图5.(a)−4V到4V的偏置电压的热图像。(b)不同上层膜的集成发射率与偏置电压的函数。(c)对不同上层薄膜的集成发射率的循环测量结果。(d)该装置覆盖在手臂上的视觉和红外图像。
本文 展示了一种可见光-红外兼容 隐身 材料，能够独立实现彩色图案的可见光外观和可调节的红外发射率。可见光伪装功能是通过上层的聚苯乙烯纳米球（PSNS）涂层来实现的。下层的电致变色红外层利用了碳纳米管（MWCNTs）作为电极和红外活性材料。实验结果表明，已经获得了不同的颜色（包括蓝色、绿色和紫色），并且红外发射率可以从0.43电制调节到0.9。此外，经过100次充放电循环后，几乎没有出现可见光-红外 隐身 性能的退化。此外，最外层表面的水接触角超过120°，表明具有良好的疏水特性。因此，本研究为推进多光谱兼容材料提供了一种有效的方法，这些材料可能在隐身领域以及节能领域具有重要应用。
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