研究表明，多功能隐形技术可在高温条件下与红外线和设备兼容。然而，由于红外和雷达的隐身机制相互矛盾，很难将多种功能有效地集成到一种材料中。有鉴于此，北京交通大学张如炳教授和北京理工大学黄怿行教授团队结合超结构的拓扑优化和造纸方法，实现了近室温集成制备具有耐高温、宽带微波吸收和红外隐身的分层超结构。定制的超结构具有3.1 GHz的有效带宽和1000℃时25.9 dB的吸收峰，优异的隔热性能使超结构实现红外隐身，从而将物体的辐射温度从1200℃降低到340℃，这项新技术为高温雷达红外双隐形超结构的设计和制备铺平了道路。这项研究以“Multilaminate metastructure for high-temperature radar-infrared bi-stealth:Topological optimization and near-room-temperature synthesis”为题发表在最新一期的Matter上。作者使用蔡伦方法的制备了超结构产物，获得具有多功能性的SiO2纤维纸。通过三点弯曲试验测量复合材料的弯曲应力显示出制备的超结构良好的机械性能。随着挠度的增加，弯曲应力逐渐增加并最终稳定。优化前后复合材料的弯曲应力分别为0.42和0.35 MPa。在加载过程中，复合材料表现出良好的弯曲和柔韧性。尽管中间界面层的一部分是分开的，但卸载后整体保持完整。LC-3和LC-4的拉伸应力-应变曲线，可以看出两个超结构的初始断裂发生在约2%的应变下，这是由典型的层状结构引起的。复合材料在初始断裂之后，整个材料继续承受载荷直到整个结构失效，并且两个结构的最终拉伸应力为约1.22MPa。这些结果表明超结构具有优异的机械性能。为了探索优化方法对吸光度性能的影响，制备了四种不同结构的复合材料。其中，LC-1和LC-2采用传统的未优化模式制备，LC-3和LC-4采用优化的超结构制备。所制备的SiO2纤维纸可以精确地印刷成不同的图案，因此优化的PRF可以散射入射电磁场，这仍然可以使超结构在不牺牲薄度的情况下实现宽带吸收效应。低电阻和高电阻油墨均由碳纳米颗粒和石墨组成。重要的是，油墨可以吸附在纤维纸的表面上。可以看出，高电阻油墨中的碳纳米颗粒均匀地分散在石墨中，这有助于形成空间微电路网络并改善微波吸收性能。由于SiO2纤维纸具有优异的阻燃性能，表面的图案可以得到了很好的保护，高温处理后可以保持原有的结构。碳纳米和石墨仍然很好地吸附在纤维纸的表面上，这对于保持高温波吸收性能是非常重要的。CST Microwave Studio模拟了超结构的电磁参数分布。PRF表面上的电场以及x=0和y=0上的超结构的纵截面如图3B所示。当入射微波被拓扑图案散射时，会发生特殊的场集中。复杂的散射效应不能用简单的图案如正方形和环状来实现。PRF上没有导电墨水的区域允许电场能量流过上部图案并进入下部图案。PRF上产生的表面电流非常均匀且径向变化，这与电场分布不同。功率流和功率损耗可以进一步解释为什么拓扑模式下的能量吸收更好。图案形式和排序顺序使得入射微波更容易接近结构的底层。在传播过程中，电磁能量被图案和硅纸消散。更密集的墨水分布将严重反映入射波，但更稀疏的墨水分布不能将电能充分转化为热量。因此，油墨分布的平衡是PRF拓扑设计中的关键问题。拓扑图案使得微波可以更有效地散射通过空隙和墨水，结构阻抗通过图案的组合来匹配。为了探究电位电磁波吸收器的高温应用，作者测量了不同温度下超结构的反射率。可以看出，反射率曲线及其最小值和有效带宽随着温度从25℃升高500℃而没有显着变化。这表明所提出的超结构具有优异的吸收性能的温度稳定性。随着温度的升高，反射率曲线的谐振峰移动到相对较低的频率方向。温度达到1000℃，复合材料的最小反射率是-23.2 dB，有效带宽达到3.1 GHz，这对实现高温远程雷达隐身具有重要指导意义。SiO2纤维骨架在不同温度下的介电常数显示随着温度的升高、介电常数的实部和虚部减小，但整体变化较弱，使复合材料在高温下保持稳定的波吸收性能。此外，由于设计的超结构的热膨胀性能相对较小，材料的几何尺寸不随温度的升高而变化，二氧化硅复合材料中的纤维、界面相和微观结构基本保持不变。这种稳定的微观结构还保持了由所有这些组分的多样化分布引起的多界面。这是复合材料在高温下保持优异吸收性能的另一个原因。研究表明，实现红外隐身的典型方案是降低发射率。当目标不断发热时，需要隔热以首先降低目标温度。表明优异的隔热性能有利于降低目标温度。丁烷火焰烧蚀（温度大于1200℃）下超结构的火焰加热曲线显示，在超结构背面附近没有明显的变化，并且手指在超结构背面附近是安全的，这表明其在火焰侵蚀环境中的稳定性。这归因于优异的隔热性和高温稳定性。对于红外隐形，由于超结构具有优异的隔热性能，可以降低目标温度，达到红外屏蔽的效果。
综上所述，通过拓扑优化设计和近室温综合合成的方法，制备了高温雷达红外双稳态多层复合材料。通过结构设计和制造，超结构通过PRF的强散射效应和层状纤维骨架的隔热和红外屏蔽效应实现高温多光谱隐身。该结构在很宽的温度范围内（25℃-1000℃）在S-，C-和X-波段表现出优异的电磁波吸收性能。特别是在反射率低于-10 dB及1000℃高温条件下3.1-6.2 GHz范围内的。此外，分层骨架的多孔结构和微观尺度使得超结构表现出优异的红外隐身性，可以有效降低辐射温度。本研究为多功能隐形结构的制备提供了新的灵感和见解，在航空航天领域具有广阔的应用前景。
