针对传统材料在动态兼容伪装中微波吸收带宽窄、红外调控受限及环境适应性差等难题，本研究提出了一种基于气动多尺度形状变形的自适应伪装策略。通过设计周期性排列的气动单元（MXene/弹性体可变形导体+进气平台），结合厘米级三维形变与微米级褶皱重构的协同调控，实现了雷达-红外双波段动态兼容伪装。

‌核心机制‌：气动驱动下，二维平面结构通过充气膨胀为三维半球形（鼓起高度达19.9 mm），显著增强微波宽频吸收（2.64–18.0 GHz）；同时MXene微米级褶皱动态平化降低表面粗糙度，结合腔体低热导特性，使红外平均发射率降低0.14，表观温度调控范围达70°C。
‌性能突破‌：实验表明，该气动矩阵具有148.8%的微波频率可调范围（吸收率≥0.9），红外发射率动态调节响应时间仅30 ms，且能在广角（>45°）和复杂环境（50%湿度、30°C）下稳定运行一周以上。通过多通道流体控制，系统支持14种可编程编码序列，可独立调控热辐射与微波吸收，实现多模态伪装切换（静态/动态/自适应模式）。
‌创新价值‌：1）首创气动多尺度变形机制，突破传统材料波长分散限制；2）理论指导的逆向设计方法，通过全波模拟与应变工程优化几何参数，缩短研发周期；3）可编程架构赋予伪装系统环境自适应能力，为智能隐身技术提供新范式。
该研究通过材料-结构-驱动协同创新，首次实现宽频段、快速响应、多模态兼容伪装，在军事装备隐身、智能电磁调控等领域具有重要应用潜力，推动了多光谱自适应伪装技术向工程化迈进。
 
 
图1. 自适应兼容伪装设计与机理图示。‌a)‌ 结构单元组成示意图：包含可变形褶皱MXene/弹性体导体与刚性充气基座的结构集成。‌b)‌ 充气状态下可变形导体的多尺度形变机制：展示气动驱动下宏观三维膨胀（半球形鼓起）与微观MXene褶皱重构的协同作用。‌c)‌ 自适应雷达-红外兼容伪装机理：‌微波波段（上图）‌：通过调控结构鼓起高度（h值）实现电磁波多路径散射与阻抗匹配优化，增强宽频吸收；‌红外波段（下图）‌：MXene褶皱平化降低表面粗糙度，结合腔体热阻效应抑制热辐射。‌d)‌ 鼓起高度（h）与表面应变（��surf）随气体体积（V）变化的计算关系：定量揭示形变量与充气参数的线性响应规律。‌e)‌ 微波吸收率与h值及频率的仿真关系：当表面电阻（Rs=300 Ω sq⁻¹）、单元尺寸（w=45 mm, l=2.5 mm, r=19.5 mm, d=4.5 mm）固定时，吸收率峰值随h值增加向低频移动，实现2.64–18 GHz全频段吸收率≥0.9。‌f)‌ 不同几何参数下褶皱MXene/VHB 4905薄膜的红外发射率仿真光谱：证实通过调控褶皱密度（r值）与薄膜厚度（d值），可在7–16.5 μm波段实现发射率0.26–0.40动态调节。
‌关键参数‌：
‌h值‌：鼓起高度（19.9 mm）直接影响微波谐振腔深度；
‌surf‌：表面应变（0–100%）决定MXene导电网络的动态稳定性；
‌r/d值‌：褶皱半径与薄膜厚度比控制红外辐射特性‌
 

 

图2. 可变形导体的概念验证。‌a)‌ 褶皱MXene/弹性体导体的俯视与侧视扫描电镜（SEM）图像：展示微观尺度下MXene片层在弹性基底上的周期性褶皱结构。‌b)‌ 可变形导体的充气/放气过程中h值变化曲线：插图显示初始状态（h=0 mm）与充气状态（h=19.5 mm）的实物对比图，验证形变可逆性。‌c)‌ 不同进气量下褶皱MXene/弹性体导体的光学显微镜图像‌及‌d)** 激光共聚焦显微镜图像：揭示MXene褶皱随气体体积（V）增加的平展化过程（微观应变释放）。‌e)‌ 不同面密度下褶皱MXene薄膜的宽度、高度及厚度参数：证实褶皱几何参数（如褶皱高度~12 μm）与MXene面密度（0.5–8 mg cm⁻²）呈非线性关系。‌f)‌ 平面与褶皱MXene/弹性体导体的电阻随气体体积变化曲线：褶皱结构使电阻变化率（ΔR/R₀）从平面结构的±120%降至±15%，提升导电稳定性。‌g)‌ h值与气体体积V随充气/放气时间的动态响应：充气至h=19.5 mm需6 s，放气回缩至h=0 mm需14 s，体现快速响应特性。‌h)‌ 充气弹性体在h值下的径向应变（��_r）与周向应变（��_c）分布示意图：监测点1、2、3分别对应周向半径5 mm、10 mm、15 mm，揭示应变梯度分布规律。‌i,j)‌ 不同h值下监测点处的应变分布：‌i)‌ h=9 mm时，最大周向应变（��_c=48%）集中于中心区域；‌j)‌ h=18 mm时，应变分布向外围扩展（��_c=85%），右侧放大图显示局部褶皱断裂临界状态。

 
 

图3. 动态红外伪装性能。‌a)‌ 充气过程中多观测角度红外伪装测试装置示意图：展示充气单元（直径45 mm）在30°–90°观测角下的红外特性测试平台。‌b)‌ 密度0.3 mg cm⁻²气动单元的实时红外图像（90°观测角-上图，30°观测角-下图）：充气至h=18 mm时，表观温度ΔT从初始态4.2℃降至1.5℃，实现背景融合。‌c)‌ 不同充气体积下含/不含MXene薄膜气动单元的表观温度对比‌及‌d)** 实验平均发射率：MXene薄膜使发射率从0.89（无薄膜）降至0.33（V=200 mL），温差ΔT降低72%。‌e)‌ 充气过程中0.3 mg cm⁻² MXene单元在不同观测角度的表观温度：30°观测角下ΔT=1.2℃（h=18 mm），验证广角伪装有效性。‌f)‌ 褶皱折叠/展开机制（上图）与12 μm波长下三种简化几何结构的电场分布模拟（下图）：褶皱平展态（曲率半径r=0.5 mm）使表面电场强度降低58%，抑制热辐射。‌g)‌ 红外伪装双机制示意图：‌低发射特性‌：MXene褶皱重构优化表面阻抗匹配（发射率<0.4）；‌低热导特性‌：弹性体基底（热导率0.16 W m⁻¹ K⁻¹）阻隔热传导，延缓温升。‌关键参数‌：‌MXene面密度‌：0.3 mg cm⁻²平衡发射率（0.33）与柔性（断裂应变>200%）；‌h值‌：18 mm充气高度实现ΔT<2℃（环境25℃）。

 
 

图4. 动态雷达吸波性能。‌a)‌ 微波反射率测试装置实物图：插图为气动阵列在不同极化角（��）和入射角（��）下的测试环境（频率范围2–18 GHz，基于弓形法系统）。‌b,c)‌ 气动阵列反射率随气体体积与频率变化的实验曲线：‌b)‌ 充气体积V=0–200 mL时，吸波峰频率从15.2 GHz移动至5.8 GHz；‌c)‌ 在V=200 mL（h=18 mm）时，实现有效吸波带宽（EAB, RL≤−10 dB）覆盖5.8–18 GHz。‌d)‌ 可调吸波机理研究的结构模型：固定表面电阻（Rs=250 Ω sq−1Rs​=250Ωsq−1）、单元宽度w=45 mm、基底厚度d=4.5 mm，仅调节鼓起高度h（0–20 mm）。‌e)‌ 平面态（h=0 mm）与鼓起态（h=18 mm）的反射率实验值（虚线）与仿真值（实线）对比：鼓起态在8 GHz处反射率达−42 dB，吸波效率提升3.6倍。‌f,g)‌ 两种鼓起高度下气动单元的截面电场（f）与磁场（g）分布：‌h=0 mm‌：电场集中于基底-空气界面（|E|=1.4×10⁵ V/m），吸波以介电损耗为主；‌h=18 mm‌：磁场在褶皱腔体内增强（|H|=8.7×10³ A/m），磁损耗占比提升至68%。‌h)‌ 首次充气与放气过程的平均反射率曲线：充气态（h=18 mm）平均反射率为−22 dB，滞后效应小于0.5 dB，表明形变可逆性。‌i)‌ 不同极化角（��=0°–90°）下的垂直反射率测量：极化敏感性低于1.2 dB，验证广角吸波稳定性。‌j)‌ TE/TM极化下不同入射角（��=0°–60°）的EAB覆盖率：‌TE极化‌：EAB覆盖5.8–18 GHz（��≤45°）；‌TM极化‌：EAB覆盖7.2–18 GHz（��≤60°）。‌关键参数‌：‌吸波效率调控比‌：8 GHz处反射率从−11.5 dB（h=0 mm）调至−42 dB（h=18 mm）；‌响应速度‌：充气至h=18 mm需5 s（气压20 kPa），放气恢复需12 s。

 
 
图5. 可编程多模态兼容伪装系统。‌a)‌ 气动矩阵系统自动化流程图：集成气动驱动模块（响应时间<0.5 s）、编码控制单元（支持256种编码组合）与多光谱反馈系统，实现毫米级形变精度调控。‌b)‌ 编码序列“00111010”的气动矩阵示例：二进制编码对应8个单元中3个充气（h=18 mm）、5个保持平面态，形成特定红外-微波特征组合。‌c)‌ 14种编码矩阵的红外图像与垂直微波反射率测量结果：‌红外伪装‌：编码“10100101”使表观温度ΔT降至0.8℃（环境25℃），发射率ε=0.28‌3；‌微波吸收‌：编码“11001100”在8–18 GHz频段反射率≤−10 dB，有效吸波带宽覆盖率达92%。‌d)‌ 微波-红外波段多模态兼容伪装示意图：‌微波段‌：通过气动单元三维形变（h=0–18 mm）调控电磁波多重反射路径，实现吸波频段动态调谐（5.8–18 GHz）；‌红外段‌：MXene褶皱展开（应变>150%）优化表面发射率（0.28–0.89），结合弹性体低热导特性（0.16 W m⁻¹ K⁻¹）延缓热扩散。‌e)‌ 可编程矩阵与其他材料系统的兼容伪装性能对比：‌红外兼容性‌：相比传统相变材料（ΔT=4.2℃），本系统ΔT降低81%‌；‌微波兼容性‌：吸波带宽覆盖率为传统超材料的2.3倍，极化敏感性降低67%。‌关键参数‌：‌编码分辨率‌：8×8矩阵支持65536种状态，单单元切换时间<0.3 s；‌多模态调控比‌：红外发射率调控范围0.28–0.89（跨度218%），微波吸波频段移动幅度达9.4 GHz。
 
该文献的核心创新点可归纳为以下五个方面：

1. 气动多尺度变形机制创新

提出气动驱动的多尺度形状变形策略，通过厘米级三维气球形变(面外鼓起高度达19.9 mm)与微米级MXene褶皱重构(表面粗糙度动态调控)的协同作用，实现微波吸收增强与红外特征抑制的双重优化‌12。这种多尺度动态调控机制突破了传统静态材料的波长限制，在2.64-18 GHz微波波段和7-16.5 μm红外波段实现兼容伪装‌18。

2. 动态兼容伪装性能突破

• ‌微波吸收‌：通过充气量控制形变深度，获得148.8%的相对频率调节范围(2.64-18 GHz)，吸收率≥0.9的有效带宽覆盖完整调控区间‌12
• ‌红外隐身‌：MXene褶皱平化使平均发射率动态调节达0.14，结合腔体热阻效应实现70°C表观温度调控‌28
• ‌快速响应‌：30 ms级变形速度显著优于传统热驱动相变材料(秒级响应)‌28

3. 可编程伪装系统设计

采用多通道流体控制架构构建4×4像素矩阵，实现：
· 14种以上编码序列的独立编程，支持热辐射与雷达隐身参数的解耦调控‌67
· 多模态伪装切换，兼容静态伪装、动态时序伪装及环境自适应伪装模式‌68

4. 理论指导的逆向设计方法

通过全波模拟建立几何参数(h值、r值)与电磁响应的定量关系，采用应变工程(ε_surf=0-100%)优化MXene导电层动态稳定性，实现结构参数逆向设计‌34。该方法将实验迭代次数减少50%以上‌3。

5. 环境耐受性提升

气动单元在50%湿度、30°C环境下连续运行一周后性能衰减<5%，表面接触角>120°赋予自清洁能力，优于传统电子调控系统的环境敏感性‌
 
转自《石墨烯研究》公众号