一种具备隐身和红外信标功能的蒙皮、制备方法和用途

本发明属于多光谱伪装及红外信标，具体涉及一种具备隐身和红外信标功能的蒙皮、制备方法和用途。

背景技术：

1、随着无人机在战场发挥越来越重要的作用，无人机反制措施也层出不穷，红外探测预警，激光扫描定位，电磁波干扰通信的联合措施大大提高了低空慢速小型无人机在战场的生存难度，同时解决激光隐身、红外隐身和无人机串联识别的问题，对提高低空慢速小型无人机在战场的生存率至关重要。

2、由于激光制导具备高精度、高速度和高主动性的特点，一旦被锁定，则会暴露目标位置和运动轨迹，使得低空慢速小型无人机进入“待摧毁”状态，故实现低空慢速小型无人机激光隐身为首要难题。目前常用的激光制导的波段有1.064μm、1.55μm和10.6μm，但由于激光制导技术向着多模式协同制导发展，需要无人机同时实现多波段的激光隐身。激光隐身的核心是减少回波信号，这需要无人机实现在这几个波段的高效吸收，而普通的吸波涂层往往存在吸收效率低，厚、重、稳定性差等诸多缺点，也有研究者利用超构表面实现对电磁波的吸收，但是，目前这种吸波材料的加工制造难度大、成本高，不适合大规模生产。

3、对于低空慢速小型无人机，其机身温度较低，红外信号较弱，全机身的红外隐身需求低，但部分制动部位仍然具有较高温度，可以产生明显的红外信号。与激光隐身相反，红外隐身需要目标物在双大气窗口波段（3-5μm, 8-14μm）低吸收率（发射率）。根据stefan-boltzmann定律，物体热辐射强度与其表面发射率(ε)及其绝对温度(t)的四次方成正比。与降低物体表面温度相比，降低表面发射率是一种更有效、更方便的红外隐身策略。而10.6μm波长处激光隐身需要在该波段高吸收（高发射），这与红外隐身的要求是相矛盾的。有的研究者通过引入窄带吸收，实现激光隐身和红外隐身的兼顾，但这使得其无法应对10.6um波长处的可调谐制导激光，也一定程度上降低了器件红外隐身效果，有的研究者通过主动控制相变材料相变从而实现红外隐身与激光隐身功能的切换，但可逆切换实现困难，且需要携带复杂的控制系统，也会损耗器件驱动能量。

4、在复杂的战场电磁环境下，往往电磁通讯手段会受到严重干扰甚至被切断，无人机机群编队将会因为无法识别敌我而陷入混乱。有研究者通过可见光通信识别，但这往往会暴露目标本身导致被锁定摧毁，且需要额外能量驱动信标的工作。而利用无人机本身产热驱动长波红外的信标，不仅实现了可隐蔽性，提升了能量利用率，此外长波红外的低干扰信号也提升了识别的准确性。而红外信标编码，不仅需要大的辐射率调制幅度，还需要多个辐射率梯度以获得足够的编码位制，且表面精细图案化也存在较大的困难。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种具备隐身和红外信标功能的蒙皮、制备方法和用途，同时具备激光隐身、中红外隐身以及红外信标功能，且隐身效果好，识别能力强。

2、本发明实施例提供一种具备隐身和红外信标功能的蒙皮，包括依次连接的易失性相变材料层、非易失性相变材料层、介质层以及金属层，，所述介质层的层数至少为3层，且相邻介质层的折射率不同。

3、本技术的易失性相变材料层用于实现自适应中波红外隐身；非易失性相变材料层用于调节蒙皮长波红外发射率；介质层与相变材料层共同构成fp谐振腔，激发多级fp谐振，通过谐振激发，可实现红外制导激光波段高吸收；金属层为金属反射层，通过欧姆损耗增强对入射光的吸收。

4、在其中一个实施例中，所述介质层包括依次连接的低折射率介质层ⅰ、高折射率介质层、低折射率介质层ⅱ（所述的低折射率、高折射率是指相对的概念，即低折射率介质层的折射率低于高折射率介质层的折射率），低折射率介质层与高折射率介质层交替形成一维光子晶体，增强特定吸收峰效率，与非易失性相变材料层贴合的为低折射率介质层，可减少介质层与相变材料层的耦合。

5、在其中一个实施例中，低折射率介质层的材料为二氧化硅（二氧化硅可以激发材料本身具备的声子谐振，进一步提高制导激光波段吸收率）、硫化锌或氮化硅（优选为二氧化硅），高折射率介质层的材料为硅或锗。

6、在一个实施例中，所述易失性相变材料层为钒系相变材料层，其模式切换温度为相变温度，当器件温度超过该温度，将进入红外隐身模式，也可以通过引入温度感知调控电路，将其模式切换温度降低到设定值，但不可超过相变温度。

7、在其中一个实施例中，所述非易失性相变材料层为硫系相变材料层，所需厚度当使之在长红外具备大发射率差异（发射率差异在40%以上即为大发射率差异），超过50nm。可通过激光直写控制晶态硫系相变材料在非易失性相变材料层中的占比调控发射率，此外信标图案即为激光直写图案，本技术的红外信标是通过增大晶态非易失性相变材料占空比，减小长波红外发射率的高对比度“暗信标”。

8、在其中一个实施例中，所述易失性相变材料层的材料为二氧化钒或五氧化二钒（优选为二氧化钒），所述非易失性相变材料层的材料为in3sbte2、ge2sb2te5或ge3sb2te6（优选为in3sbte2），所述金属层的材料为镍或铬。

9、在其中一个实施例中，所述高折射率介质层厚度小于低折射率介质层ⅰ厚度；低折射率介质层ⅰ厚度小于低折射率介质层ⅱ厚度；非易失性相变材料层厚度小于易失性相变材料层厚度，大于入射光趋肤深度。

10、在其中一个实施例中，所述易失性相变材料层厚度为350~450nm，非易失性相变材料层厚度为50~100nm，低折射率介质层ⅰ厚度为1000~3000nm，高折射率介质层厚度为600~1800nm，低折射率介质层ⅱ厚度为1000~3000nm，金属层的厚度不小于100nm。

11、在其中一个实施例中，所述易失性相变材料层厚度为411nm，非易失性相变材料层厚度为78nm，低折射率介质层ⅰ厚度为1263 nm，高折射率介质层厚度为1154nm，低折射率介质层ⅱ厚度为1914nm，金属层厚度为200nm。

12、在其中一个实施例中，还包括衬底，所述衬底的材料为si、sio2、气凝胶、pmma、特氟龙或pi。

13、在其中一个实施例中，易失性相变材料层、非易失性相变材料层、介质层以及金属层连为一体。

14、在其中一实施例中，所述易失性相变材料层完全相变温度为68℃，此为自适应模式切换温度，可通过设置温度传感电路，降低模式切换温度。

15、在其中一实施例中，所述非易失性相变材料层通过调控晶态相占空比调节其长波红外发射率，且对不同发射率表面进行编码，发射率阶梯数为编码位制。

16、在其中一实施例中，所述非易失性相变材料层通过连续光源激光直写写入信标图案，通过短脉冲光源激光直写擦除信标图案。

17、本发明实施例提供一种所述的具备隐身和红外信标功能的蒙皮的制备方法，在金属层上采用电子束蒸镀方法沉积介质层，然后采用磁控溅射方法制备非易失性相变材料层，最后采用磁控溅射方法沉积易失性相变材料层。

18、本发明实施例提供一种所述的具备隐身和红外信标功能的蒙皮的用途，用于制备无人机、载人飞机、汽车或船舶表面的外皮材料。

19、本发明的有益效果是，本发明具备隐身和红外信标功能的蒙皮，较为适合低空慢速小型无人机，蒙皮从上到下层叠依次为：易失性相变材料层、非易失性相变材料层、低折射率介质层、高折射率介质层、低折射率介质层、底层高损耗的金属层。易失性相变材料层达到相变温度由绝缘态切换为金属态，使得蒙皮在中波红外（3-5um，8-14um）辐射率大大降低，蒙皮由激光隐身模式切换为红外隐身模式。非易失性相变材料层可通过连续光源激光直写相变，由介质态变为金属态，相变前后在长波红外（8-14um）具有大发射率差异，通过调节晶态相变材料占空比，可在大的辐射率调制范围内，得到具备不同辐射率状态的辐射阶梯，从而实现位制编码。本技术的多层膜系整体构成一个fp腔，在制导激光波段激发多级fp谐振，从而实现1.064µm、1.55µm和10.6µm波长红外激光形成同时、高效、宽角度吸收，此外二氧化硅本身激发的声子谐振将进一步增强对制导激光的吸收。

20、本发明将相变材料引入到结构设计中，通过易失性相变材料相变，可以实现自适应红外隐身，使得蒙皮在过热部位由激光隐身模式切换为红外隐身模式；通过非易失性相变材料相变，可实现长波红外大幅度发射率调制，为直写红外信标提供了可能性。

21、与现有技术相比，本发明通过多级fp谐振与声子谐振，实现多波段制导激光（1.064µm、1.55和10.6µm）高效吸收；通过自适应中波红外（3-5um，8-14um）隐身避免了过热部位导致目标暴露，同时在机身大部分部位仍保持激光隐身效果，且与主动相变系统相比抛弃了繁琐的控制系统，也减少了能源损耗；通过激光直写长波红外（8-14um）信标，提高无人机敌我识别率，其可“写入”和“擦除”的特点使得信标具备时效性、灵活性和特殊性。

22、本发明低折射率介质层ⅱ大于低折射率介质层ⅰ，低折射率介质层ⅰ大于高折射率介质层，且两者厚度接近，这种膜系布局及厚度设置在相位调控能力上呈现出“金字塔”的特点（其中低折射率介质层ⅱ大于低折射率介质层ⅰ为“金字塔重要特点），即从底层往上对入射光相位改变作用逐渐减小，与普通交替结构相比，减少了膜系层数，减小了膜系总厚度，激励谐振峰吸收效率更高且为宽带吸收。

23、本发明所展现的可直写信标为“暗信标”，即自身发射率随直写占空比增加而降低，与周围高发射热环境形成鲜明对比，而普通信标原理为提高自身热发射率，不仅对比度低，且存在高暴露风险。

24、本发明所展现的底层的金属层优选为高损耗金属，与常见的金、银和铂金属反射层相比，大大提高了底层金属热损耗，分担了介质层热效应。

25、本发明所展现的易失性相变材料层位于非易失性相变材料层上方，而常见的双层/多层相变材料叠加模型易失性相变材料层往往位于中间层或底层，相比于常见排布方案，本方案避免了额外的相位引入，提高了红外隐身模式反射率，而在近红外波段将硫系相变材料置于中间层，避免了其在该波段的类金属镜面效应，提高了近红外波段激光隐身效率。

26、本发明的其他优点将在随后的具体实施方式部分结合附图及表格予以详细说明。