雷達波屏蔽隱身與光學透明兼容技術研究進展

石曉飛，侯煥然，金揚利，黃友奇，王衍行，祖成奎

(中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024)

0 引 言

隨著電子技術的發展，各類電子儀器、設備在軍事和社會生活中的應用日益廣泛，電磁波的屏蔽、隱身、抗干擾問題也應運而生。其中，在一些具體的應用場景如飛機艙室玻璃、機站窗口等，要求吸波材料不僅要具有良好的吸收性能，還要保持良好的透光性。因此，超寬帶性能和高透光率材料的研究與開發成為電磁隱身屏蔽材料領域的熱點問題之一[1-2]。

微波吸收是雷達截面積(radar cross section，RCS)減小的有效途徑，然而，傳統的吸波材料(如碳粉、鐵氧體等)一般不具有光學透過性，這嚴重限制了其在透明場景的應用。目前，光學透明電磁屏蔽通常是利用透明導體反射入射電磁波來實現的。透明導電薄膜是一種具有高導電性和高透光率的基礎光電材料，被廣泛應用于光電子器件。典型的透明導體有鋁摻雜氧化鋅(AZO)、銦錫氧化物(ITO)、銀(Ag)、金(Au)等。其中，ITO薄膜是一種n型半導體材料，具有高的導電率、高的可見光透過率、高的機械硬度和良好的化學穩定性，是透明導電領域(尤其是高頻領域)使用最廣泛的電阻材料。在可見光范圍內，ITO薄膜的透光率與導電性成反比，也就是說，ITO薄膜厚度越大，電磁波吸收性能(尤其對于低頻電磁波)越好，透光率則降低。用于飛機視窗的材料需同時具有高透光率和強吸波性能，ITO薄膜在用作飛機視窗材料時面臨著極大難度，往往需要通過特殊的結構設計、尺寸優化、與其他材料復合等策略來改善[3-5]。因此，一系列新型透明導電材料應運而生，如金屬網柵、金屬(Ag等)納米線、石墨烯復合導電薄膜等。

透明導電金屬網柵薄膜作為一種新型透明導電膜兼具材料與結構兩方面的設計優勢，具有較好的抗彎折性，因此金屬網柵被視為替代ITO薄膜的強有力競爭者。但是，由于金屬線遮攔光學頻段，金屬材料抗激光損傷閾值低，還不能滿足位相光柵的衍射條件，這也是其在實際應用場景中存在的問題[6-7]。石墨烯(單層或少層)是一種光學透明材料，在較低頻率下導電性良好，結合玻璃等透明基底材料進行設計，石墨烯在光學透明吸波方面有很大的應用潛力，然而，在實際應用上也存在一些缺陷和障礙，如單層石墨烯對電磁波的吸收有限,大面積高質量石墨烯生長困難等[8-10]。近年來，人們提出了人工結構材料-超材料來調控電磁波、光學和等離激元波的傳播，在亞波長尺度上為工程光-物質相互作用提供了前所未有的研究選項，在透明基底或透明導薄膜上有效設計超材料吸波體的幾何參數，可同時有效調控其介電常數和磁導率，在一定頻率下實現近完美的電磁波吸收。在超材料結構中，單一結構的吸收帶寬比較窄，為了展寬頻帶，大多數研究者使用多層復合超材料和單層不同微結構材料來實現雙波段或多波段吸收電磁波，拓展吸收帶寬。超材料的電磁性能主要取決于層上排列的周期性諧振單元，對于多層結構，周期性諧振單元的精確對位將極大地影響到材料的電磁性能，因此拓撲結構的設計和大面積精密加工是超材料實現特定透明吸波性能的關鍵和難點[11-14]。

一般而言，透明導電材料的光學性能和電磁性能是一對相互矛盾的關系，同時實現高透光率和強電磁屏蔽/吸收性能，對材料特性和制備手段等都有嚴苛的要求。因此，在設計透明吸波體時，需要不同材料、結構和技術手段等多方面的配合來滿足實際需求。本文歸納了近年來雷達屏蔽隱身與光學透明兼容技術的最新研究進展，分析了不同材料、結構和技術手段的優勢與不足，為高效實現透明屏蔽隱身提供思路和參考。

1 ITO、金屬網柵及其他透明吸波材料與技術

1.1 ITO基材料及復合結構

在保證光學透明度的基礎上，利用ITO電阻薄膜構建諧振結構，誘導高歐姆損耗，拓寬諧振帶寬，可顯著提高材料在寬電磁頻帶內的吸收能力。吸收機理主要是電路諧振，與電磁諧振相比，電路諧振更容易實現。

中北大學張斌珍團隊提出了一種基于ITO薄膜的復合諧振結構來構建具有超寬帶吸收特性的光學透明吸波體[15]。復合諧振結構由十字形和方形環交叉排列而成，與單一周期結構相比，提高了諧振質量，表現出寬帶吸收特性。吸波體由三部分組成,頂部為周期性ITO諧振結構濺射在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底上，中部為透明介質層，如空氣、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，底部為連續ITO襯底濺射在另一PET襯底上，形成三明治結構(見圖1(a))。所有構成材料都具有優良的光學透過性能，大大提高了整體透明度。吸波體在8～30.3 GHz寬頻帶內的吸收率達到90%以上，可覆蓋機載和監視雷達信號頻率的X和Ku波段。此外，在不改變諧振結構模式的情況下，研究者分別用柔性PDMS和剛性PMMA介質層代替中間空氣層，測量結果與仿真結果吻合較好，可分別應用于有共性需求的場景和隱身軍備窗口玻璃，為透明隱身系統和電子射頻應用領域的應用提供了更多的靈活性選擇。最近，該團隊又通過疊加多層高透過率ITO電阻薄膜，設計了一種基于柔性多層結構的透明超寬帶微波吸收諧振結構[16]。該諧振結構由ITO在柔性襯底PET上的電阻薄膜圖案構成，調整諧振層ITO圖形尺寸和陣列位置排列使吸收率大于90%，此時超寬頻吸收頻率范圍增加至8.6～75.8 GHz，相對吸收帶寬達到159%。同時，采用透明的柔性介質PDMS和PET襯底，體系獲得了良好的光學透過率(見圖1(b))。由于阻性薄膜共振模式的四重對稱性，吸波體表現出較高的偏振不敏感性，當入射角增加到40°時，對TE和TM極化波的吸收率大于80%。該諧振結構吸波體具有超寬帶吸收特性和寬入射角穩定性，在雷達隱身系統和透明電磁屏蔽等領域具有潛在的應用價值。西安交通大學陳娟課題組也采用類似的方法，利用ITO多層膜結構來實現寬帶吸收，在3～24.5 GHz對TE波和TM波吸收率均達80%以上，對斜入射波具有偏振不敏感性和自適應特性[17]。在此基礎上，他們以PVB和玻璃為襯底制備了超寬帶透明吸波體，新奇之處在于可通過玻璃來調節吸波體與空氣之間的阻抗匹配，實現超寬帶吸波[18]。國外的學者也提出過類似的設計思路。Sheokand等[19]提出了一種基于叉指電容諧振器的偏振不敏感光學透明寬帶吸收器。通過準分子激光微加工技術進行設計，在柔性PET表面制備了叉指電容(IDC)結構的ITO薄膜，如圖1(c)所示，利用該結構有效調制表面電導率，優化阻抗匹配，使吸收帶寬顯著增加，在4～17.20 GHz保證了90%以上的吸收率，覆蓋C、X和Ku波段，相對帶寬達到124.53%。該結構同樣表現出較高的偏振不敏感性，在40°入射角下仍保持了85%以上的TE和TM極化波吸收率。

諧振結構在寬電磁頻帶內高吸收的機理主要是電路諧振，與電磁諧振相比，諸如上文所述的電路諧振更容易實現。西安電子科技大學史琰課題組[20]設計了一種可同時利用電磁諧振和電路諧振來實現光學透明的寬帶微波吸收結構，如圖1(d)所示，吸收單元是帶有空氣間隔層的兩層結構，每一層都是由ITO薄膜、PET片材和PMMA基底組成的夾層結構，頂層設計了齒形ITO薄膜，底層則采用方形ITO薄膜。吸波體在4.8 GHz和13.6 GHz處產生兩個諧振頻率，分別對應電磁諧振和電路諧振，寬吸收帶頻率為3.86～15.04 GHz，覆蓋S、C、X和Ku波段，分頻帶寬為118.3%。他們提出的吸收體具有低剖面、偏振不敏感和角穩定等優點，制作的吸收體樣機的測試結果與仿真結果吻合較好。

圖1 不同的諧振結構示意圖。

前述基于ITO的諧振結構的新穎之處在于具有較大的吸收帶寬、較低的厚度以及在較寬入射角范圍內的高吸收能力。這是因為ITO是一種阻變材料，主要通過ITO產生的歐姆損耗實現高吸收，通過設計諧振結構，可以實現對入射電磁波的有效吸收而不是偏振轉換。

ITO基透明吸波體一般在薄的PET、PMMA、PDMS、PVC或PVB等透明介質上圖形化的ITO拓撲結構組成。在典型的設計結構中，不同方塊電阻的ITO片可分別充當頂層拓撲和背板，具有小方塊電阻的ITO薄膜則像金屬一樣工作，這樣可以保證傳輸能量盡可能小。而在多層設計中，頂、底“透明介質-ITO薄膜”分別采用空氣或PMMA等材料進行分離，這樣，透明吸波體除了具有光學透明特性外，還具有寬吸收帶寬、薄厚度、偏振不敏感和入射角穩定性等優良性能。

中國科學院大學羅先剛團隊設計了一種由三層ITO薄膜和兩層PVC基片間隔而成的靈活透明的微波-紅外雙隱身結構[21]，如圖2(a)所示，頂層ITO薄膜是同時實現紅外波段低發射率和微波波段高透明性的紅外屏蔽層，采用周期性阻性貼片陣列構建的中間層ITO薄膜作為微波吸收層，底層ITO薄膜與頂層ITO薄膜具有相同的表面電阻，作為微波吸收層的背反射鏡。所有ITO薄膜均沉積在超薄PET襯底上，采用兩種相同厚度的PVC基片作為間隔層，以支撐光學透明性好、柔性大的ITO薄膜。該結構具有寬角度(40°)、寬頻帶(7.7～18 GHz)、高效率(>90%)的吸收特性。此外，利用該結構覆蓋金屬柱，在7.5～18 GHz，雷達截面可降低10 dB。該結構在紅外大氣窗口內的熱發射率約為0.23，與金屬接近。該結構可以同時實現微波波段的高吸收、紅外波段的低發射和光學透明。類似地，南京航空航天大學王毅課題組[22]通過在柔性PET層上刻蝕多層周期性ITO結構實現超寬帶電磁吸收。吸收單元為四層結構(見圖2(b))，每層結構均由阻性ITO薄膜結構組成，并由PET層支撐，上三層由兩個大小不等的方形環片組成，這些結構都是由方塊電阻為100 Ω/sq的ITO薄膜制成，底層采用方塊電阻為6 Ω/sq的ITO薄膜代替傳統的反射式金屬基板。該電磁吸收體在3.72～42.42 GHz具有90%以上的吸收率，覆蓋從C波段到Ku波段的超寬頻帶，具有偏振不敏感性和角穩定特性，可以更好地用于寬帶電磁隱身。

除了多層結構設計，簡單夾層結構的ITO基透明吸波材料也具有優異的性能。西北工業大學殷小瑋團隊[23]設計了一種將雙層交叉圖案ITO薄膜夾在兩個透明柔性PVC層中的夾層結構(見圖2(c))，夾層元結構能夠增強吸波材料與自由空間的阻抗匹配，減小電磁波在表面的反射，交叉圖案周期性排列的ITO電阻膜可誘導高歐姆損耗，拓寬諧振的帶寬。當入射角小于30°時，該夾層吸收器在8～18 GHz對TE和TM波偏振均能實現90%以上的吸收。在波長大于532 nm時，光學透過率達到80%以上，在可見光的整個波長范圍(400～800 nm)內的平均光學透過率為80.2%。北京大學固體力學研究所采用由兩層ITO和一層中間玻璃組成的夾層結構，制備了一種透明、電調諧的透明吸波電磁防護和隱身材料[24]。吸收器由三層結構組成(見圖2(d))，頂層為表面電阻為3.13 Ω的圖形化ITO，中間層為玻璃基板，底層為與頂層表面電阻相同的完整ITO層，有效工作頻率范圍在S波段，覆蓋了WiFi等眾多電子設備的共同頻段。而且，這種材料的吸波性能可以通過改變外加電壓來實現電子可調，主吸收峰可高達90%，可調幅度范圍為30%，可調頻帶范圍為1 GHz。樣品在可見光下的透過率為80.23%，在2.6～3.95 GHz頻段，電磁屏蔽效能大于30 dB。頻率可調諧是該材料的特別之處,類似“ITO/介電/ITO”夾層的結構通過適當調整ITO的結構參數和方塊電阻，實現了大于90%的寬微波吸收帶(5.8～8.3 GHz)，通過調節ITO部分的填充比例，獲得了0.52的低發射率，也就是說，不需要特殊的紅外屏蔽層來降低紅外輻射，可實現透明-雷達-紅外隱身兼容[25]。此外，國內外其他學者還設計了“方形ITO薄膜貼片/蘇打石灰玻璃/PEC”夾層結構、“ITO涂層PET片/PDMS/ITO涂層PET片”夾芯結構、“ITO開環結構PET片/PMMA/連續ITO薄膜PET片”三明治結構、“方形鏤空ITO層/石英玻璃/方形ITO貼片層”三層結構等夾層體系，都具有較好的光學透明和寬帶微波吸收性能[26-29]。

圖2 不同的多層、夾層結構示意圖。

增強電磁波吸收的途徑除了對ITO薄膜進行圖形化和復合結構設計，還有對ITO材料組成進行調控。例如采用非平衡磁控濺射的方式對ITO進行鈮摻雜來實現隱身效果，研究發現，具有外形隱身效果的鈮摻雜ITO鍍膜玻璃的RCS曲線分布規律與對應金屬板基本一致，且在不同入射頻率、不同極化情況下均具有外形隱身效果[30]。

1.2 金屬網柵結構

金屬網柵是具有一定周期、線寬等參數的導電網柵狀微細結構，由于其周期遠小于電磁波長，因此網柵有電磁屏蔽的功能；而其周期遠大于近紅外/可見光波長，對光學性能影響較小，因此網柵能夠在屏蔽電磁波的同時保證一定的透光性。金屬網柵一般利用銀等金屬材料在玻璃或PET薄膜上制備由相互連接的金屬線構成的網柵圖案，結構參數和材料選擇具有多樣性，能夠同時實現良好的透光性和電磁屏蔽效能，是目前理想的透明電磁屏蔽技術解決方案之一[6-7,31-32]。

青島理工大學蘭洪波課題組[33]結合微尺度增材制造工藝和高性能納米銀漿的優勢，提出了一種基于電場驅動噴射沉積3D打印制造大尺寸、高性能金屬網柵透明電磁屏蔽玻璃的新方法(見圖3(a))。通過試驗揭示了打印速度對金屬網柵(線寬和形貌)的影響規律和打印金屬網柵線寬、周期對光學透過率、電磁屏蔽效能的影響規律。以高銀含量(質量分數為80%)的納米銀漿(黏度高達20 000 mPa·s)為打印材料，在玻璃基板上制造出大面積金屬網柵(100 mm×100 mm，線寬20 μm)。其中，當金屬網柵周期分別為500 μm、300 μm和150 μm時，網柵的可見光透過率分別為88%、83%和67%，對應的常用中高頻電磁波的屏蔽效能為26 dB、30 dB和37 dB。與現有使用納米壓印、光刻、激光直寫等技術制造金屬網柵透明電磁屏蔽玻璃相比，該方法工藝步驟簡單，容易實現透明電磁屏蔽玻璃的大面積、高效、低成本和批量化制造，尤其能同時兼顧高可見光透過率和強電磁屏蔽效能，為大尺寸、高性能透明電磁屏蔽玻璃的批量化制造提供了一種全新的解決方案。西安工業大學徐均琪團隊[34]采用光刻掩膜技術、電阻熱蒸發沉積技術，在理論分析的基礎上，借助CST Studio Suite電磁仿真軟件設計，探究了網柵制備的最佳工藝，分析了線寬和周期對網柵透光率和屏蔽效能的影響。在12～18 GHz，金屬網柵的電磁屏蔽效能達到12 dB以上，透射率損耗大約8%(見圖3(b))。新加坡南洋理工大學的Lee等[35]在鈉鈣玻璃表面，采用高光學透過率的金屬網格制作透明電極，并與ITO相結合，制備出一種X波段寬帶吸收性能穩定和光學透過率高的透明吸波結構(見圖3(c))。

圖3 網柵制備基本原理及網柵結構示意圖。

實際上，在電磁仿真模擬所用的金屬網柵膜光電特性公式中，材料無限導電的假定條件與客觀事實不符，無法準確預估薄膜型金屬網柵的電磁屏蔽效能。即便采用電導率較高的金屬材料，在20 GHz以下的頻段，薄膜型金屬網柵的厚度也難以達到材料的趨膚深度，而且薄膜型金屬網柵往往與光學基底間有連接層，金屬網柵的外層也需制作環境保護層(或氧化層)，鍍膜工藝形成的金屬層與塊狀材料電導率的差異較大，因此，用材料無限導電理論模型準確預估薄膜型金屬網柵的電磁屏蔽效能是極其困難的。為尋求準確評估薄膜型金屬網柵電磁屏蔽效能的方法，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所馮曉國團隊[36]探索了薄膜型金屬網柵在某頻段的電磁屏蔽效能。根據屏蔽效能受感應電壓和電阻比控制的理論，借鑒連續導電膜用方塊電阻計算屏蔽效能的方法，提出了預估薄膜型金屬網柵屏蔽效能的方法并給出了具體步驟。采用激光直寫工藝流程制備了薄膜型金屬網柵，驗證了理論計算結果與試驗結果的一致性。

此外，在改善金屬網柵視野方面，研究者也做了探索。中國電子科技集團第三十三研究所馬志梅等[37]采用納米復合電鍍工藝，將碳納米管均勻地附著在金屬網柵表面，發現金屬網柵在10 kHz～1 GHz頻段的電磁屏蔽效能提高了3～5 dB，可見光透光率降低了5%，金屬光澤有所消除，有效改善了可視性能。采用納米壓印和劃痕填充技術制備的MXene網柵雷達隱身薄膜，在X波段具有良好的透明性和較高的透波率，同時，這種柔性薄膜也能適應復雜表面的需求[38]。除了規則的金屬網柵，有研究者巧妙利用裂紋模板法制備隨機網格狀金屬網柵透明導電薄膜，即用水性丙烯酸樹脂稀釋液作為掩膜液，將掩膜液涂覆在玻璃基板上形成薄膜，干燥后得到開裂模板，然后采用磁控濺射法進行金屬沉積，最后洗去掩膜層得到隨機網格狀金屬網柵。所制備網柵在紫外可見光波段透過率大于90%，方塊電阻為20 Ω/sq。與傳統制作方法相比，這種方法的制作成本更低，工藝更簡單，透光率高[39]。

1.3 其他材料與技術

除了ITO和金屬網柵，研究者們還開發了其他用于透明和電磁波吸收功能的薄膜材料。

石墨烯具有對頻率敏感的表面阻抗和可調諧的電導率，在太赫茲波段有廣泛應用。石墨烯薄膜的光學透過率在95%以上，大于現有的吸收薄膜,其高熱導率(5 000 W/mK)有利于吸收高功率微波，其超薄厚度(只有一個原子厚度)有利于緊湊設計。上海交通大學朱衛仁團隊提出了一種基于石墨烯的光學透明、吸收可調的吸收器，吸收體由ITO薄膜背面的花紋石墨烯夾層結構制成(圖4(a))[40]。與其他基于ITO等透明電阻材料的光學透明表面不同，石墨烯的片層電阻可以通過對夾層結構施加偏壓來控制，從而實現不同工作波段的動態可調吸收。結果顯示，該材料在7～18 GHz可獲得90%以上的微波吸收。此外，該吸收體具有柔性，厚度僅為自由空間波長的1/15，有利于緊湊和復合設計。韓國中央大學的學者利用噴墨打印技術在PET基底上制備了透明導電環狀石墨烯薄膜，并在底表面引入了光學透明的ITO導電膜，制備了一種光學透明超材料吸收器[41]。該結構在26.8～28.2 GHz吸收率達90%，并具有良好的光學透明性和偏振不敏感性，其結構示意圖如圖4(b)所示。噴墨打印技術具有成本低、工藝簡單等優勢，但基于此技術制備的石墨烯基吸波體的有效吸波頻段太窄，難以實現工程化應用，仍需要進一步研究。

二氧化鈦(TiO2)在可見光和紅外波段具有良好的透明度和穩定性，TiO2還可在提高紅外吸收的同時，不降低材料的微波吸收性能；BaTiO3具有優異的吸波性能，在微波頻段介電常數ε=2 500；Fe3O4是一種常用的磁性氧化物，在EMI屏蔽方面具有良好的應用前景。最近，新加坡理工大學的學者利用這三種材料，通過高介電常數、高磁導率氧化物材料的疊層包覆，實現了無人機可見光波長至近紅外信號的良好微波屏蔽設計。制備過程為：在丙烯酸基片上沉積由BaTiO3-TiO2和Fe3O4-TiO2組成的可見光和紅外波段的光學透明薄膜，再對膜層進行水蒸氣處理進行優化，進而獲得光學性能和電磁性能最佳的材料[42]。新加坡理工大學的Soh等[43]采用濺射制備的高可見光和近紅外透過率TiO2基氧化物可以有效降低吉赫茲波段的S11參數，BaTiO3的高介電常數可大大提高氧化物涂層穹頂的抗反射性能(特別是雷達X波段)，適合用作近微波區高頻率抗干擾電磁屏蔽層。

具有可操控特性的透明吸波結構，能夠吸收不同變化頻率電磁波，同時面臨重大挑戰。最近，北京科技大學開發了一種新型聚合物水凝膠作為光學透明和吸波材料[44]，如圖4(c)所示，以光學透明PMMA三明治結構為骨架，制備聚乙烯醇(PVA)水基凝膠(作為微波吸收和光學透明的活性材料)，底部為ITO基微波反射板。在該結構中，極性網絡在電磁能量衰減方面發揮了重要作用，即通過操縱氫鍵網絡，得到的光學透明固態凝膠能夠提供吸收微波能力。有趣的是，當溫度降低時，這種凝膠可以通過將非晶態轉變為光學不透明狀態，從而使夾層窗口在15～40 GHz具有優異的吸波能力，覆蓋5G頻段的分支。這項工作為利用離子導電凝膠設計和制備可操控微波隱身結構提供了一種新的策略。還有報道利用液體介質制備出了一種液控可調透明吸波結構[45](見圖4(d))這種結構由透明PMMA介質層、上液體介質填充層、雙方環FSS、下液體介質填充層和導電底板構成，液體介質采用礦物油白油和鹽水，液體介質中添加顏料可改變結構顏色，實現變色光學偽裝的目的；調節鹽含量可改變鹽水電導率，結合注入方式可有效提高吸波結構吸收率變化的動態范圍。吸波結構不僅可以實現雷達吸波效果和吸波頻段的調控，同時還有望應用于光學、紅外和雷達多波段融合偽裝裝備。

圖4 其他材料結構示意圖。

基于多層超薄Ag薄膜，多倫多大學的Safari等[46]在理論和試驗上研究論證了一種光學和射頻透明亞玻璃結構，如圖4(e)所示。這種結構以玻璃為基片，玻璃兩面由相同的蜂窩狀網狀圖案組成，網狀中使用多層金屬-介質光譜選擇性涂層，利用兩側可見透明的Ag基導電涂層，改變玻璃基底在射頻光譜中的電磁特性：采用多層介質-金屬涂層，特別是5層光譜選擇性涂層，可以在保持可見光透明性的同時增強元玻璃的射頻透明性。該研究為利用多層金屬介電光譜選擇性涂層設計新型透明材料性能提供了選擇，其中包括紅外反射和主動電調制的光學和微波特性。銀納米線也常用于透明導電領域，阿卜杜拉國王科技大學的Li等[47]在簡單經濟的噴墨打印技術的輔助下對銀納米線導電網絡進行圖形化，制備的吸波體在X波段9.1～12.2 GHz的吸收率大于90%，在550 nm波長處的光學透過率超過83%。

納米復合材料在電磁屏蔽領域可用于提高結構的電磁吸波性能。基于此，韓國高等科學技術研究院Choi等[48]采用優化設計方法，設計制備了分散有炭黑(CB)、碳納米管(CNT)等碳質納米導電顆粒的玻璃纖維/環氧納米復合材料；通過高倍掃描電子顯微鏡觀察碳質納米導電顆粒在環氧樹脂中的分散均勻程度，初步預選了3%(質量分數，下同)CB、2.5%CNT、3%CNT和0.3%CNT四組設計方案;測試其X頻段(8.2～12.4 GHz)介電性能發現平均吸波率均保持在了90%以上；根據力學性能測試，分散有3%CNT的玻璃纖維/環氧納米復合材料兼具高吸波性能和高力學性能，其結構示意圖如圖4(f)所示。

2 基于超材料的光學透明及電磁屏蔽隱身技術

與傳統吸波材料不同，超材料是一種人工電磁材料，它以周期性微結構為基礎，介電常數和磁導率可進行人工設計，突破了傳統材料對電磁特性的局限，為材料結構的設計和制備提供了一個新的自由度。因此基于超材料的吸波體吸引了學術界的極大興趣，通過調整超材料單元結構，在較小的厚度下，可實現寬帶吸波特性。

2.1 透明寬帶電磁波吸收超表面

超表面是由分布均勻的亞波長共振粒子組成的具有操控電磁波能力的人工結構，作為超材料的二維等效，超表面依靠界面場的不連續性來操縱電磁波的幅值和相位。由于微米以及納米結構的尺寸接近可見光和紅外光的波長，因此超表面擁有許多自然材料無法實現的光學性能，譬如負折射率、超級吸收以及超越散射極限的光學聚焦。這些物理性質賦予了超表面巨大潛力，根據具體應用的要求，超表面的光學響應往往需要被設計為不同的波段。以下介紹近年來超表面在透明吸波和電磁屏蔽方面的研究及應用。

近年來，數字編碼超表面的概念被提出來，它是用數字來描述電磁特性。在數字編碼超表面中，采用二進制編碼來計算編碼粒子的反射相位差，在設計不同的編碼序列后，超曲面可以實現波散射、隨機擴散、反常反射等多種功能。目前，主要利用光學非透明材料(如常規介質基板上的銅或鋁等)對編碼超表面開展研究，而光學透明的超表面具有更多操縱電磁波的能力。東南大學崔鐵軍院士團隊提出了一種利用導電ITO薄膜設計光學透明編碼超表面的方法(見圖5(a))[49]；利用周期相位梯度序列設計的反常反射編碼超曲面能夠將正常入射的電磁波反射成一定的反常角度，通過對隨機編碼序列的超表面進行優化，設計的隨機擴散編碼超表面在11.5～12.5 GHz可以實現至少7.8 dB的后向RCS縮減；仿真和試驗結果的一致性有力地驗證了光學透明編碼超表面對反常反射和RCS減縮的優良能力。該方法具有結構簡單、生產過程簡單、對電磁波具有良好的控制能力等優點，可用于設計具有其他新功能的超表面，如偏振轉換、超材料吸收體、光學透明的隱身衣等。哈爾濱工業大學朱嘉琦課題組提出了基于遺傳算法的拓撲優化方法，并將其應用于柔性透明寬帶超材料吸波體的快速高效設計(見圖5(b))[50]；采用二進制編碼和實數編碼相結合的方式，縮短了編碼長度，提高優化的收斂速度，實現了5.3～15 GHz的寬頻帶90%以上的吸收率，其最低截止頻率下的厚度為0.109 λL，TE模和TM模的寬帶吸收分別保持在45°和70°以內；該吸波體具有靈活、低剖面、偏振不敏感、斜入射穩定和高光傳輸以及寬帶吸收等特性，具有潛在的應用前景；拓撲優化設計方法可以根據具體工程需求，快速高效地對吸收體進行設計。

電磁多極子能夠在超表面產生豐富的電磁相互作用，并提供另一個自由度來控制電磁響應。華中科技大學黃黎蓉團隊[51]利用電磁多極干涉工程設計了一種光學透明、柔性和寬帶微波超表面吸收器(見圖5(c))，它由PDMS襯底上ITO亞原子的陣列組成，同時支持基本電偶極子和高階電四極子模式，其干涉滿足基于廣義Kerker效應的后向散射抑制條件，從而在微波波段獲得高吸收。測試結果表明，所制備的超表面在4～18 GHz的微波波段具有89%的平均吸收率，在400～1 000 nm平均透過率為71%。

整片連續的ITO薄膜會在微波波段引起強烈的反射，為滿足隱身需求，需要將整片ITO薄膜分成離散圖案的形式來抑制微波反射，因此ITO基超表面往往設計成各種圖案。東南大學崔鐵軍院士團隊在透明基底(PMMA和PET)上設計了風車狀單元陣列的ITO結構(見圖5(d))[52]，該結構的反射譜具有三個吸收帶，三個峰值強烈地依賴于ITO風車狀結構的幾何尺寸，結構內部不同位置的共振模式不同，在8.3～17.4 GHz的寬帶吸收率大于90%，透光率為77%。由環形單元構成的ITO超表面，在28.1～42.8 GHz的吸收率大于90%，實測透光率為82%[13]。人工磁導體和理想電導體(perfect electric conductor, PEC)交替排列的棋盤格狀結構可有效減弱后向散射RCS，在這種結構中，磁導體結構的反射相位在共振頻率處具有0°的反射相位，有效地抵消了PEC的反射相位(180°)，從而使入射電磁能量向后向散射方向以外的方向散射。基于此，新加坡理工大學的Venkatarayalu等[53]將玻璃基板做成棋盤格表面，用ITO薄膜作為透明導電層，通過調控導電膜電導率這一關鍵參數，得到了具有RCS減縮能力的透明棋盤格圖案表面。在眾多超材料結構中，十字微結構單元不僅結構簡單，而且還和其他形式的單元結構一樣，通過合理的設計可以實現多帶與寬帶等吸波，如十字環島狀圖案的ITO薄膜(見圖5(e))[54]、由十字形和方形環交叉排列的超表面[15]、ITO Jerusalem十字陣列[55]等。

圖5 超表面設計原理及結構示意圖。

單一結構超表面的吸收帶寬比較窄，強烈依賴ITO圖形的結構尺寸，為了展寬頻帶，大多數研究者使用多層復合超材料和單層設計不同的微結構組合來實現雙波段或多波段吸收電磁波，拓展吸收帶寬。圖5(f)是由ITO基超表面堆疊而成的復合超表面結構，不僅可以提供寬帶雷達和熱紅外兼容低散射功能，而且具有帶內微波傳輸窗口和高光學透明度,專門設計用于順序控制紅外發射、微波吸收和傳輸。在1.5～9 GHz，結構的反射率低于10%，在3.8 GHz附近透射峰達到50%，在紅外大氣窗口內，實現了約0.52的低熱發射率，整體結構的實測透光率為33%[56]。通過適當修改超原子的阻抗和諧振峰來控制微波吸收以實現寬帶吸收，在6.28～12.29 GHz對TE偏振具有大于90%的高吸收率，在7.19～15.26 GHz對TM極化的吸收率大于90%[14]。此外，在構建復合超表面時，還可以采用等效電路模型作為跳板進行導航設計[57]，利用互補結構層的偏振不敏感特性[58]，采用雙層介質基板超表面[59]，調節超表面ITO占空比[60]等。

2.2 光學透明頻率選擇表面

頻率選擇表面(frequency selective surface，FSS)是一種由特定形狀的單元圖形構成的一種二維周期陣列的準平面結構，它對電磁波具有一定的頻率選擇性，能夠較好地控制電磁波的傳輸和散射，使入射電磁波發生全反射或全透射，其本質特征是能夠對不同頻率、不同入射角和不同激化狀態的電磁波呈濾波特性。光學透明FSS具有在光學波段透明、在雷達波段選擇性全透射或者選擇性全反射等特性[61]。

FSS可用于雙譜到多譜的兼容設計，特別是在雷達、紅外和可見光的兼容設計方面，可以同時獲得良好的光學透明度、低紅外發射率和寬帶微波吸收。這種多光譜工作表面一般包含三個對應光譜的功能層(見圖6(a))，其中頂層為FSS(一般用ITO陣列代替其他低紅外發射率金屬來制備FSS)，中層為阻性吸收層，底層為完整的導電片。由于導電面積占有率大，FSS的低通特性使得電磁波可以穿過FSS的中間吸收層，利用微波吸收和相位對消來減少微波偽裝的反射。據報道，以PET和PMMA為基板的結構在12.03～29.43 GHz可實現>90%的強吸收，在3.0～14.0 μm可同時實現約0.3的低紅外發射率，平均光學透明度高于90%[11,62]。此外，該結構還可在寬入射角范圍內保持良好的角穩定性和極化不敏感特性，TE偏振和TM偏振在入射角為45°時，吸收率≥80%的帶寬均在9 GHz以上[63-64]。基于FSS設計的柔性超薄吸透一體化結構能夠在寬入射角范圍內吸收任意極化的電磁波，并且在特定頻段內具有幾乎透明的透射窗口，在7.7～12.2 GHz的吸收率都能達到90%，樣品的整體厚度為0.288 mm，超薄的厚度使得該結構柔性可彎曲，易與曲面目標共形[65]。

將上述透明材料、FSS和吸收結構簡單結合在一定程度上會限制性能的相容性，同時，過多的結構層會增加器件的質量和制造難度。空軍工程大學利用拓撲優化策略和激光切割技術優化了多頻譜選擇透過和吸收輕質FSS結構[66]。圖6(b)為兼容FSS結構設計原理圖，選擇6 Ω/sq FSS ITO薄膜作為紅外反射和微波透射層，6 Ω/sq整體ITO薄膜作為底層，20 Ω/sq優化ITO薄膜作為吸收層，襯底是光學透明材料PMMA，通過激光切割將其掏空，以減輕吸收體的質量。整體結構在380～800 nm的透光率達到78%以上，在3～14 μm的紅外發射率低于0.24，在C、X和Ku波段(在45°入射TE和TM偏振下均保持較好的性能)的吸收率超過90%。而且，FSS與吸收ITO之間的PMMA大部分已被激光切割鏤空，使頂層結構變輕。以往實現紅外與微波多光譜兼容的結構大多由紅外屏蔽層和雷達吸收層組成，利用FSS設計功能層能夠得到低紅外發射和微波吸收兼容的超表面。圖6(c)為紅外-雷達兼容FSS設計原理圖，ITO FSS鍍在PET表層，填充率為84.5%，該層可以同時具有吸波性能和低紅外發射率，將ITO的電阻設置為6 Ω/sq，在7.3～10.3 GHz可實現小于-10 dB的反射，在3～14 μm的紅外區域可以實現0.27的低發射率，光學透過率達到80%以上，整個結構的厚度僅為2.175 mm[67]。

通過阻性超表面和通帶FSS結合也可以在寬帶吸收帶內得到具有透明窗口的發射-吸收材料(見圖6(d))[68]，該材料由阻性超表面和由介質層隔開的金屬FSS組成，在通帶內，入射的輻射通過材料產生極低的反射，在通帶外，FSS需要具有高反射，與阻性超表面形成電路模擬吸收器進行寬帶吸收。測試結果顯示：在7.5～14.5 GHz，-10 dB的吸收帶寬約為64%；在吸收頻帶內，透明窗口在10 GHz左右的透射率高達-1.7 dB。此外，還有報道采用金屬網柵和光學透明FSS一體化設計的方法得到了雷達波與光學波段雙帶通結構[69]。

2.3 新型水基超材料透明吸波結構

蒸餾水在微波頻率下具有頻散介電常數和良好的光學透明度，因此可用于設計透明吸波結構。但國內外學者研究發現，由于水的本征色散特性，寬帶吸收需要通過梯度或多層水基諧振器的設計等策略來實現[70-72]。

有報道提出了一種包含空氣層和水層的光學透明寬帶超材料吸波體(見圖7(a))，可同時吸收寬帶微波和降低紅外輻射[12]。整個結構由ITO FSS層、水層、空氣層和ITO反射背板組合而成，頂層為90°圓形和四方星形單元周期性排列，用于微波吸收，基板為PET，上面依次為空氣層和水層，底層為ITO背板。水的引入不僅可以增加微波的吸收，而且通過水循環控制紅外輻射，還可實現紅外隱身。該結構能夠在14.4～39.4 GHz頻帶吸收90%以上的寬帶微波，且具有光學透明特性。

西安交通大學龐永強團隊[73]利用水的光學透明、介電常數分散和損耗大的特性，制備了用于光學透明和寬帶微波吸收的水基超材料吸波體。圖7(b)為可調水基超材料吸波體，選用PMMA為介質層，ITO薄膜為背反射面，為了獲得寬的吸收帶寬，蒸餾水設計為圓柱體和平板的組合，蒸餾水由PMMA容器和ITO背板封裝。測試結果顯示，在6.4～30 GHz可以實現效率超過90%的寬帶吸收，在可見光區域的光學透明度高達85%左右。類似地，上海光激所張龍也設計了由ITO超表面、PMMA基底、水基底和ITO背面依次組成的水基透明吸波窗口(見圖7(c))[74]，其中ITO薄膜為諧振圖案和反射層，蒸餾水與PMMA結合為介電基底。特別的是，該結構可通過控制水基片的厚度來調節吸收性能,在5.8～16.2 GHz的超寬頻帶內的吸收率>90%，在波長為400～800 nm時平均光學透過率為70.18%。此外，吸收體具有對稱的諧振模式，對TE和TM極化波都具有較高的偏振不敏感性和寬入射角穩定性。在此基礎上，通過注水和放電循環，可實現吸收和反射狀態切換，即微波吸收態(TE模式為10.52～20.04 GHz，TM模式為10.52～20.21 GHz)與全波段反射態(5～26.5 GHz)之間的增強寬帶開關功能[75]。

圖7 水基結構示意圖。

由于水具有本征色散特性，水基吸波材料的寬帶吸收往往需要設計多層水基諧振器，這樣就會在一定程度上犧牲厚度和輕量化特性。為克服這一矛盾，可在薄水基超表層引入吸收-擴散式集成設計，在更寬的頻帶內明顯降低后向散射。空軍工程大學屈紹波團隊在ITO背面上方設計了陣列分布的兩型菱形水基諧振器，一方面，水基陣列的介電常數具有頻散特性，可以激發多個電磁輻射以實現高效吸收，同時，預先設計的兩個諧振腔之間的相位差也實現了基于破壞性干擾的類擴散散射，進一步抑制了鏡面反射。這種結構在6.7～20.1 GHz可以顯著降低寬帶后向散射，同時具備良好的光學透明性能[76]。

在光學透明材料表面周期性排列的亞波長結構可以減少Fresnel反射，例如蛾眼結構減反膜就是一種由一系列不同形狀的柱狀結構組成的周期性結構[8]，在這種結構中，亞波長周期圖案可產生具有有效折射率的有效緩沖層，降低入射介質(一般是空氣)與基底之間的阻抗失配，實現寬頻帶、寬角度、偏振無關的可見光和近紅外波段透明的微波吸收。圖7(d)為水基蛾眼超材料結構，在4～120 GHz從正常入射到掠入射，以及TE和TM偏振，該結構都能達到接近100%的吸收水平。

3 結語與展望

隨著雷達探測與電子技術的發展，屏蔽隱身研究的重要性日益增加，特別是透明隱身的需求愈加迫切。但一般透明導電材料都存在光學和電磁性能相互制約的問題，透明隱身屏蔽的研究面臨困難和挑戰，為此各研究機構與科學家們做了大量研究，并取得了一系列重要的進展。

(1)ITO具有導電率高、可見光透過率高、機械硬度和化學穩定性良好等特點，是透明導電領域(尤其是高頻領域)使用最廣泛的電阻材料。隨后發展起來的各種透明吸波結構及復合材料，大都選擇ITO作為基礎的透明導電材料。

(2)金屬網柵薄膜的電磁屏蔽效能高于ITO，同時能夠獲得更高的光學透過率，兼具材料與結構兩方面的設計優勢，具有較好的抗彎折性，但是它固有的網格光學衍射作用會影響實際場景中肉眼的視野質量，這限制了網柵薄膜的發展和應用，未來還需在材料、圖形結構、工藝等方面取得進一步突破。

(3)超表面、頻率選擇表面等超材料透明隱身薄膜具有吸波率高、厚度薄、光學透明性好、電磁波可設計和可操作性強等優勢，但吸收頻段強烈依賴于其拓撲圖形的結構尺寸，為了拓寬吸收頻帶，還需在多層復合、設計不同結構組合、優化制備工藝等方面進一步研究探索。

(4)結合特殊的匹配設計，石墨烯、水基超材料等新型透明吸波材料也表現出良好的光學和電磁性能，但是由于其制備質量和規模的限制，目前還未能實際應用。

(5)與反射型屏蔽隱身相比，吸波型材料的屏蔽隱身性能更全面。透明吸波隱身對材料、結構、制備工藝等要求苛刻，不是一種材料或結構就可以實現的，未來還需在材料選擇與配合、結構設計、實施工藝等方面進行更全面和深入的研究和探索。不同材料、結構和技術手段在該領域的優劣對比如表1所示。

表1 不同材料的結構、優勢和劣勢對比

在透明屏蔽隱身領域，研究者們開展了豐富的理論研究、結構設計和模型制備工作，制得的材料在實驗室范圍內表現出良好的透明和屏蔽隱身性能。但就目前領域內的實際應用而言，仍以ITO及其金屬摻雜透明導電薄膜為主。實驗室開發的新型樣件的尺寸一般較小，而實際應用及相關測試標準要求的樣件尺寸較大(如GJB 8820—2015《數字通信信號抖動測試儀檢定規程》，要求樣件尺寸至少為300 mm×300 mm，飛機風擋為米級)。一方面，諸多新型的研究成果難以在工藝上實現大尺寸加工制備；另一方面，樣件的尺寸會顯著影響其屏蔽效能。一般地，小尺寸樣件放大之后，屏蔽效能都會有不同程度的降低。因此，許多新型的技術方案，目前還未能達到實際應用和產業化水平。但隨著技術的進步和科技工作者的努力，越來越多的科研成果將真正服務于我國通信、戰機、船艦等民用和軍用領域。