偵察定位、制導(dǎo)破襲……自第二次世界大戰(zhàn)紅外探測(cè)裝置首次運(yùn)用于戰(zhàn)場(chǎng)后，紅外探測(cè)技術(shù)歷經(jīng)多次迭代，在目標(biāo)探測(cè)、雷達(dá)成像等領(lǐng)域始終占有一席之地。

正所謂“道高一尺，魔高一丈”，伴隨著紅外探測(cè)技術(shù)的不斷演進(jìn)，紅外隱身技術(shù)的發(fā)展也步入快車道。然而在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，受限于材料本身的物理性質(zhì)，人們還是采用降低溫度、改進(jìn)設(shè)計(jì)、借助涂層等傳統(tǒng)方法來(lái)減少紅外輻射。直到2008年，超構(gòu)材料的概念及相關(guān)研究拓展到熱學(xué)領(lǐng)域，才為熱隱身裝置的選材提供了一個(gè)全新的方向——熱超構(gòu)材料。

發(fā)展至今，熱超構(gòu)材料雖然還處于實(shí)驗(yàn)階段，卻已模擬驗(yàn)證了限制條件下的熱隱身，理論預(yù)言了熱偽裝以及熱幻象等熱流控制功能。今天，就讓我們一起走近熱超構(gòu)材料，了解它是如何通過(guò)對(duì)熱流的巧妙編織，實(shí)現(xiàn)熱學(xué)領(lǐng)域的各種奇妙偽裝的。

從“光隱身”到“熱隱身”

談起冷熱，大家并不陌生。寒來(lái)暑往、春嵐秋風(fēng)，都涉及熱量的變化流動(dòng)。但在長(zhǎng)期以來(lái)的固有印象中，“熱”都是作為一種感受而出現(xiàn)，與事物的表里溫度緊緊聯(lián)系在一起。

隨著科技發(fā)展，人類從雨雪風(fēng)霜、電閃雷鳴等自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)了能量，并逐漸發(fā)明出“馴化”這些能量的神奇工具。這其中就包括超構(gòu)材料。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，超構(gòu)材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。這種結(jié)構(gòu)材料的物理性質(zhì)由材料幾何特性決定，并不只受材料本身特性影響。如果把普通材料比作一條紙帶，那超構(gòu)材料則是將這條紙帶扭轉(zhuǎn)對(duì)接成莫比烏斯環(huán)，從而具備迥異的物理特性。

20世紀(jì)90年代，超構(gòu)材料首先在電磁學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出光學(xué)負(fù)折射等新奇現(xiàn)象，也為真正意義上的光學(xué)隱身提供了理論基礎(chǔ)。這就好比《哈利·波特》里那頂神奇的“隱身斗篷”，超構(gòu)材料利用自身特殊的復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料即可實(shí)現(xiàn)隱身遁形，觀者就像被施了“障眼法”一般。

后來(lái)，有學(xué)者把超構(gòu)材料的概念拓展到了聲學(xué)、彈性波，甚至力學(xué)領(lǐng)域。但無(wú)論是光學(xué)、電磁學(xué)還是聲學(xué)、力學(xué)領(lǐng)域，對(duì)超構(gòu)材料的研究都基于一個(gè)共同理論基礎(chǔ)：傳播方式由波動(dòng)方程（用來(lái)描述自然界中各種波動(dòng)現(xiàn)象，如聲波、水波、光波等）主導(dǎo)。研究和操控波動(dòng)方程，即可設(shè)計(jì)出具有隱身功能的光學(xué)和聲學(xué)超構(gòu)材料，這也讓“裁虹剪霓、披霞為衣”的美麗傳說(shuō)開(kāi)始走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

而在熱學(xué)領(lǐng)域，熱傳導(dǎo)需要滿足擴(kuò)散方程（用來(lái)研究氣體的擴(kuò)散、液體的擴(kuò)散、半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)擴(kuò)散等問(wèn)題）。擴(kuò)散方程與波動(dòng)方程的物理機(jī)制迥異，想將超構(gòu)材料由光學(xué)擴(kuò)展到熱學(xué)領(lǐng)域，相當(dāng)于僅憑借物體本身特殊的復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，就看不到它的形貌，還測(cè)不準(zhǔn)它的溫度；又或者說(shuō)，相當(dāng)于不僅給物體披上一件“光隱身斗篷”，還要披上一件“熱隱身斗篷”。這就更加難上加難了。

直到2008年，復(fù)旦大學(xué)黃吉平教授課題組首次利用變換熱學(xué)理論，設(shè)計(jì)出一類熱超構(gòu)材料，從理論上預(yù)言了熱隱身等新奇的熱學(xué)性質(zhì)，為人工控制熱流提供了一條全新的道路。此后，熱隱身和熱超構(gòu)材料受到了各國(guó)科研人員的廣泛關(guān)注。專家學(xué)者們不斷制備出各種具有新奇熱學(xué)性質(zhì)的熱超構(gòu)材料，探索著實(shí)現(xiàn)熱隱身的途徑。

雖然超構(gòu)材料在熱學(xué)領(lǐng)域起步較晚，但擴(kuò)散方程的獨(dú)特物理性質(zhì)，讓其具備了獨(dú)特的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。以光學(xué)超構(gòu)材料為例，基于波動(dòng)方程的光學(xué)變換理論在實(shí)現(xiàn)上需要考慮頻率，目前研制的光學(xué)超構(gòu)材料往往應(yīng)用于某單一或狹窄頻段，呈現(xiàn)出來(lái)的光學(xué)隱身效果并不具備普遍適用性。而基于熱傳導(dǎo)方程的熱超構(gòu)材料則不存在頻率問(wèn)題，具有更強(qiáng)的適用性，在足夠?qū)挿旱倪吔鐥l件中都可以表現(xiàn)良好，一旦實(shí)踐投產(chǎn)，在生產(chǎn)生活中的實(shí)用價(jià)值將更加凸顯。

隱蔽熱流，堵不如疏

熱學(xué)偽裝常規(guī)做法是平衡目標(biāo)與背景之間的熱輻射，最理想情況就是讓目標(biāo)的紅外特征完全融合到背景中。由于武器裝備的紅外特征往往比常規(guī)環(huán)境高，所以實(shí)現(xiàn)熱隱身的傳統(tǒng)方法一般都在阻斷或減小物體本身對(duì)外熱輻射上做文章。比如，戰(zhàn)機(jī)在燃料中加入添加劑以降低尾噴流溫度，艦艇在鍋爐等高溫部位使用隔熱材料減小紅外特征等。

從理論基礎(chǔ)上來(lái)看，傳統(tǒng)熱偽裝很難實(shí)現(xiàn)真正意義上的熱隱身效果。遇到溫差變化大的復(fù)雜環(huán)境，依靠熱遮蓋和熱絕緣固化了的紅外特征，反而還會(huì)暴露自身位置。相較于“堵住”熱輻射的傳統(tǒng)方法，熱超構(gòu)材料將功夫花到“疏導(dǎo)”熱流上，展現(xiàn)出更加廣闊的效能前景。

與相對(duì)成熟的光學(xué)或電磁隱身裝置類似，目前制備熱超構(gòu)材料的主要手段，都是通過(guò)整合不同材料來(lái)實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率梯度的。由于變換熱學(xué)理論對(duì)材質(zhì)在不同方向上呈現(xiàn)的性質(zhì)差異要求很高，使得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證“熱隱身斗篷”等新奇的熱學(xué)器件面臨巨大挑戰(zhàn)。直到2012年，美國(guó)科學(xué)家才首次制備出真正意義上的“熱隱身斗篷”。而后，科研人員相繼實(shí)驗(yàn)制備出熱隱身衣、熱聚集器和熱旋轉(zhuǎn)器。

熱隱身衣。相較于傳統(tǒng)隱身裝置，基于熱超構(gòu)材料引導(dǎo)熱流特性制備的隱身衣，能夠?qū)崟r(shí)引導(dǎo)背景熱流避開(kāi)被保護(hù)的物體，無(wú)論隱身區(qū)域溫度如何變化，都不會(huì)對(duì)外界的溫度分布產(chǎn)生絲毫影響。一旦穿上這件熱隱身衣，你在紅外探測(cè)視角中就是完全隱身的，在雪地上是一片幽藍(lán)，在火場(chǎng)中則是一團(tuán)火焰，完美復(fù)現(xiàn)環(huán)境紅外特征。

熱聚集器。引導(dǎo)熱流避開(kāi)中間區(qū)域可以做到熱隱身，而引導(dǎo)熱流向中間區(qū)域靠攏就能實(shí)現(xiàn)熱聚集。這類裝置可以作為一種非侵入式的熱器件服務(wù)于熱電效應(yīng)，從而提高能量轉(zhuǎn)化效率。

熱旋轉(zhuǎn)器。基于同樣的引導(dǎo)熱流原理，熱旋轉(zhuǎn)器的引導(dǎo)對(duì)象由背景換到了核心區(qū)域，通過(guò)材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)中心區(qū)域熱流的變換引導(dǎo)。從外部觀測(cè)中心區(qū)域紅外特征，就像整個(gè)空間旋轉(zhuǎn)了一個(gè)特定角度，從而出現(xiàn)一類海市蜃樓般的現(xiàn)象。

七十二變，撒豆成兵

雖然熱超構(gòu)材料的研究和制備目前都還處在實(shí)驗(yàn)階段，但其表現(xiàn)出來(lái)操控引導(dǎo)熱流的卓越性能和加工自由度，讓這類新型材料或?qū)⒃趪?guó)防軍事領(lǐng)域大展身手。

在軍事應(yīng)用方面，除了隱蔽紅外特征、實(shí)現(xiàn)熱學(xué)隱身外，熱超構(gòu)材料的新奇性能也給指揮員提供了更多戰(zhàn)法選擇。尤其是熱偽裝、熱幻象技術(shù)概念的提出，讓傳說(shuō)中的七十二變、撒豆成兵等神話技能在熱學(xué)觀測(cè)領(lǐng)域都有可能成為現(xiàn)實(shí)。

熱偽裝，通過(guò)設(shè)計(jì)材料的幾何結(jié)構(gòu)，可以讓一名士兵周圍的溫度斑圖呈現(xiàn)出像一棵樹(shù)一樣的分布。這樣，敵方在夜間通過(guò)紅外探測(cè)溫度斑圖進(jìn)行偵察識(shí)別時(shí)，就很容易忽視原本通過(guò)熱成像儀極易發(fā)現(xiàn)的隱蔽哨位。甚至于可以將固定熱源扭曲幻化成哨兵的溫度斑圖，進(jìn)一步誤導(dǎo)迷惑敵人。

熱幻象，其核心思想是把中心部分先隱形，再引導(dǎo)控制中心區(qū)域物體的熱流到邊緣區(qū)域，形成一個(gè)或者多個(gè)紅外虛擬幻象，并且這些幻象還能同步反映中心區(qū)域物體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。如將該技術(shù)運(yùn)用到營(yíng)房帳篷設(shè)計(jì)、大型運(yùn)載工具上，就能在紅外觀測(cè)領(lǐng)域把一個(gè)連的兵力包裝成一個(gè)營(yíng)，配合聲光電仿真設(shè)備，在技術(shù)層面真正實(shí)現(xiàn)“撒豆成兵”。

目前，具備穩(wěn)定特性、真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的熱超構(gòu)材料還未面世，但憑借其在理論和實(shí)踐層面展現(xiàn)出來(lái)的獨(dú)特性能和實(shí)用前景，我們相信在不久的將來(lái)，熱超構(gòu)材料在高新技術(shù)領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用一定能夠?qū)崿F(xiàn)。隨著制備工藝的不斷完善和科技水平不斷發(fā)展，這一新興材料一定能廣泛地應(yīng)用到諸多領(lǐng)域，為我們的日常生活帶來(lái)驚喜與改變。（費(fèi)志方 張鵬 侯融）

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