一种自适应伪装皮肤电子和自适应隐身系统

技术领域

本发明属于多波段兼容隐身技术领域，尤其涉及一种可见雷达红外多波段兼容的自适应伪装皮肤电子和自适应隐身系统。

背景技术

自然界是伪装技术的最佳灵感来源，自然界中奉行的弱肉强食规则促使很多生物通过伪装的方式提高自己的生存几率。例如变色龙通过改变体细胞鸟嘌呤结构实现与环境的自适应变色融合，头足类动物可以根据调节自身体细胞的间距实现反射波段的红移，从而实现可见光致近红外多波段隐身的效果。隐身技术的本质是研究如何降低目标被电磁波、可见光等探测手段发现和追踪的技术手段的总称，其目的在于避免目标被截获或使其被探测距离大幅度缩短。传统的隐身技术只限于特定波段范围内，例如可见光、中红外、或者微波。不同波段的伪装特性遵循的规则为：1.在波长为0.76-1000微米的红外波段具有较低的红外发射率，将目标与周围环境融合，以逃避红外热探测。2.在波长300-600nm的可见光波段俱备宽泛的波长波长反射能力，用于与背景颜色匹配。3.在传统的雷达波段(X波段，8-12GHz)俱备较高的吸收率和低发射率，用于减少RCS雷达反射面积。

随着多频谱复合探测技术的发展，单一频段的隐身已经远远不能满足装备的隐身需求，如何兼容视觉-雷达-红外隐身的多波段隐身技术是目前隐形材料技术中的研究热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题，提供一种自适应伪装皮肤电子和自适应隐身系统，通过多层膜堆叠的设计方法，实现了红外隐身、视觉隐身、雷达隐身的多功能一体化设计，最终达到了兼顾3～15um的中远红外波段低辐射、10-37.5Ghz的宽频段内的有效雷达吸收和0.38至0.78um自适应变色的多波段智能自适应隐身效果。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种自适应伪装皮肤电子，采用垂直堆叠的结构，由外至内依次为红外低发射层、雷达吸波层以及自适应变色层；红外低发射层使用柔性透明图案化ITO实现红外伪装；雷达吸波层采用柔性透明的银纳米线-石墨烯复合吸波超表面实现雷达伪装；自适应变色层采用银纳米线-石墨烯复合热控膜驱动热致变色液晶实现视觉伪装；其中，红外低发射层包含：柔性频率选择表面层A1；雷达吸波层包含：柔性介质层A2、柔性频率选择表面A3、柔性介质层A4、柔性导电反射层A5；自适应变色层包含：柔性热致变色层A6、柔性聚合物衬底A7、柔性自适应温控层A8、柔性聚合物衬底A10。

作为优选，所述柔性频率选择表面层A1、柔性介质层A2、柔性频率选择表面A3、柔性介质层A4、柔性导电反射层A5、柔性热致变色层A6、柔性聚合物衬底A7、柔性自适应温控层A8、柔性聚合物衬底A10采用透明固化剂粘接。

作为优选，所述柔性频率选择表面层A1采用氧化铟锡、氧化锡锑和铝掺杂的氧化锌中的一种及复合材料。

作为优选，柔性频率选择表面层A3和柔性导电反射层A5采用铟锡氧化物、银纳米线、石墨烯中的其中一种或复合材料。

作为优选，所述柔性介质层A2和柔性介质层A4、柔性聚合物衬底A7、柔性聚合物衬底A9分别采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、SiO2和钠钙玻璃中的其中一种或复合材料。

作为优选，所述柔性自适应温控层A8采用高透明温控材料，可以选择银纳米线、石墨烯的其中一种或复合材料。

作为优选，所述柔性频率选择表面层A1的方阻为6～10Ω/sq；所述柔性频率选择表面层A3的方阻为60～85Ω/sq；所述柔性导电反射层A5的方阻为6～10Ω/sq。

作为优选，所述柔性热致变色层A6由柔性封装层和热致变色液晶油墨构成。

作为优选，所述柔性频率选择表面层A1和柔性频率选择表面层A3均是采用激光蚀刻工艺制成。

一种自适应隐身系统，包括：自适应伪装皮肤电子和自适应隐身控制系统，其中，自适应隐身控制系统采用自适应温控膜对热致变色液晶进行颜色调控，实现自适应变色层的视觉伪装。

本发明采用垂直堆叠的结构，由外至内依次为红外低发射层、雷达吸波层以及自适应变色层；红外低发射层使用柔性透明图案化ITO实现红外伪装；雷达吸波层采用柔性透明的银纳米线-石墨烯复合吸波超表面实现雷达伪装；自适应变色层采用银纳米线-石墨烯复合热控膜驱动热致变色液晶实现视觉伪装。实现了红外隐身、视觉隐身、雷达隐身的多功能一体化设计，最终达到了兼顾3～15um的中远红外波段低辐射、10-37.5Ghz的宽频段内的有效雷达吸收和0.38至0.78um自适应变色的多波段智能自适应隐身效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例自适应伪装皮肤电子的结构示意图；

图2是本发明实施例柔性频率选择表面层A1阵列的示意图；

图3是本发明实施例柔性频率选择表面层A3阵列的示意图；

图4是本发明实施例柔性热致变色层A6的变色效果图；

图5是本发明实施例自适应隐身控制系统结构图；

图6是本发明实施例提自适应隐身控制系统的工作流程图；

图7是本发明实施例自适应隐身控制系统的精准变色效果图；

图8是本发明实施例自适应隐身控制系统的快速变色效果图；

图9是本发明实施例自适应隐身控制系统的快速恢复变色效果图。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供一种自适应伪装皮肤电子，采用垂直堆叠的结构，由外至内依次为红外低发射层、雷达吸波层以及自适应变色层；红外低发射层使用柔性透明图案化ITO实现红外伪装；雷达吸波层采用柔性透明的银纳米线-石墨烯复合吸波超表面实现雷达伪装；自适应变色层，采用银纳米线-石墨烯复合热控膜驱动热致变色液晶实现视觉伪装；其中，红外低发射层包含：柔性频率选择表面层A1；雷达吸波层包含：柔性介质层A2、柔性频率选择表面A3、柔性介质层A4、柔性导电反射层A5；自适应变色层包含：柔性热致变色层A6、柔性聚合物衬底A7、柔性自适应温控层A8、柔性聚合物衬底A10。

对于近红外范围，较低的红外发射率可以使得目标物体能够在热成像仪和寻热导弹的探测中实现隐身目标。采用图案化ITO作为红外低发射层的材料，ITO超表面结构在这里扮演着多重角色。首先，ITO拥有类金属材料特性，可以保持低红外发射率。其次，完整的ITO表面具有强烈的微波反射特性，采用周期性ITO单元可以保证低红外发射率的同时实现微波的高穿透率。第三，ITO及PET衬底拥有高透明度，从而将其贴附在视觉隐身层表面不影响视觉隐身性能。

如图2所示，图案是由宽度为m的周期性ITO贴片组成，贴片之间的缝隙宽为n。周期性图案化的ITO超表面具有容性频率选择特性，超表面在其谐振频率处会产生高反射，低于谐振频率的电磁波则可以通过，且贴片尺寸越小，相应的谐振频率越大，低频段的微波透射性能越好。为实现较好的吸波效果，本实例采用m＝0.45，n＝0.05的单元结构，此时，0到40GHz整体的透过率大于90％。红外发射率约为0.239。

如图3所示，两层银纳米线石墨烯复合薄膜由PET(介电常数为3)分隔开，由于复合膜具有高可见光透过性、高导电率、抗弯折特性，合膜成为柔性雷达隐身超表面的理想材料。超表面采用圆形贴片切割出四个扇区，圆形贴片被方框包围；根据优化的结果，该结构在10.0～37.5GHz频带内实现了吸收率高于90％的宽带吸波。有效吸收带宽有27.5G dB，具有x、ku、k、ka四个波段的隐身能力。

如图4所示，采用热致变色液晶作为视觉隐身层，膜随着温度从25度升高至36度，其颜色依次呈现黑-红-粉-橘黄-明黄-浅绿-深绿-浅蓝-深蓝-黑的连续变化，如此呈现出多彩变色现象。可通过控制温度实现TLC颜色的精准与稳定调控。

本发明实施例采用自适应温控膜对热致变色液晶进行颜色调控，进一步的自适应温控膜的制备方法为：在石墨烯-PET薄膜上喷涂银纳米线并分装；以银纳米线加热层作为中间加热层，在其上表面旋涂全氟磺酸聚合物异丙醇溶液，使全氟磺酸聚合物包裹在银纳米线表层，形成稳定的银硫键，达到保护抗氧化效果。最后再在PFSA-AgNW发热层上表面旋涂紫外固化胶，在紫外灯下照射至干透，形成封装层。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述柔性频率选择表面层A1、柔性介质层A2、柔性频率选择表面A3、柔性介质层A4、柔性导电反射层A5、柔性热致变色层A6、柔性聚合物衬底A7、柔性自适应温控层A8、柔性聚合物衬底A10采用透明固化剂粘接。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述的柔性频率选择表面层A1为贴片单元I构成的mXm阵列结构；所述的贴片单元I为边长m为0.5-1mm的正方形小贴片；相邻的两个所述贴片单元Ⅰ之间的间隙间隙均相等，大小为n，为0.15～0.2mm；所述的m+n＝1。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述柔性频率选择表面层A1采用氧化铟锡、氧化锡锑和铝掺杂的氧化锌中的一种及复合材料。

作为本发明实施例的一种实施方式，柔性频率选择表面层A3和柔性导电反射层A5采用铟锡氧化物、银纳米线、石墨烯中的其中一种或复合材料。所述柔性频率选择表面层A3是由带有缝隙的透明贴片在所述柔性频率选择表面层A3排列成的矩阵结构。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述柔性介质层A2和柔性介质层A4、柔性聚合物衬底A7、柔性聚合物衬底A9分别采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、SiO2和钠钙玻璃中的其中一种或复合材料。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述柔性自适应温控层A8采用高透明温控材料，可以选择银纳米线、石墨烯的其中一种或复合材料。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述柔性频率选择表面层A1的方阻为6～10Ω/sq；所述柔性频率选择表面层A3的方阻为60～85Ω/sq；所述柔性导电反射层A5的方阻为6～10Ω/sq。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述柔性热致变色层A6由柔性封装层和热致变色液晶油墨构成。所述的柔性封装层选自PDMS、PET、凝胶等；所述热致变色液晶厚度为0.01～0.5mn；所述的PET薄膜的厚度0.1～0.5mn；所述的热致变色薄膜由PET基底上涂抹热致变色液晶油墨；所述的涂抹方式包含喷涂、悬涂、丝网印刷；受益于红外隐身层和雷达隐身层的高透明性，使热致变色液晶膜系结构的可见光色泽能以极高透射率显示，从而实时呈现色彩的变化。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述柔性频率选择表面层A1和柔性频率选择表面层A3均是采用激光蚀刻工艺制成。具体的，先将沉积在基板上的透明导电材料通过激光蚀刻技术蚀刻成所述柔性频率选择表面层A1和柔性频率选择表面层A3结构，之后将蚀刻后的基板分别与相邻的功能层通过高透光粘合剂粘在一起，基板厚度为0.175mm。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述柔性介质层A2的厚度为1.1-1.8mm，所述柔性介质层A4的厚度为1.1-1.8mm。

作为本发明实施例的一种实施方式，所述的石墨烯-银纳米线复合膜通过以下方法制备得到的：

1)、采用CVD生长的方式在铜箔表面生成单层石墨烯，通过湿法转移将单层石墨烯转移至PET薄膜，通过喷涂的方式在PET基底的单层石墨烯表面附着AgNW涂层。

2)、在薄膜表面悬涂抗氧化层进行固化。

3)、所述石墨烯层层数为1～3层，所述方式包含采用GO还原成rGO的方式；所述PET的厚度为0.1～0.5mn。

4)、所述抗氧化层用于防止所述银纳米线层氧化，所述抗氧化层为全氟磺酸聚合物，所述抗氧化层覆盖于所述银纳米线层；

5)、所述封装层用于对所述抗氧化层进行封装，所述封装层为涂敷在所述抗氧化层上并经紫外灯照射至干透的紫外固化胶。

6)、所述柔性薄膜衬底用于透光和结构支撑；

7)、所述CVD生长的单层石墨烯层、银纳米线层用于吸收电磁波。

实施例2：

本发明实施例提供一种自适应隐身系统，包括：自适应伪装皮肤电子和自适应隐身控制系统，其中，自适应隐身控制系统采用自适应温控膜对热致变色液晶进行颜色调控，实现自适应变色层的视觉伪装。

自适应隐身控制系统包括：微型计算机处理模块控制的颜色采集模块、温度采集模块、温度数据处理模块、数码显示模块、供电模块、电压放大模块、温度键入模块、银纳米线-石墨烯加热膜模块；

所述微型计算机处理模块是颜色采集处理、加热膜自适应加热可编辑控制模块，用于控制连接颜色采集模块、电压放大模块、供电模块、数码显示模块、温度采集模块；实现对采集的颜色、温度数值和所述目标温度数据进行处理，获得控制电压数据；所述的颜色采集模块用于实时采集环境的颜色数值；所述温度采集模块用于实时采集加热膜表面温度；所述温度数据处理模块用于将温度采集模块传输的模拟信号转化成微型计算机处理模块能够识别的数字信号。

进一步，所述数码显示模块用于实时显示环境中的颜色、物体表面的实时温度、目标温度及实时的输出电压；所述数码显示模块包含OLED模块、数码显像管、L CD模块。

进一步，所述电压放大模块用于将微型计算机处理模块输出的PWM输出电压放大成加热膜所需的电压信号；

进一步，所述供电模块用于给微型计算机处理模块及电压放大模块提供电能；

进一步，所述温度采集模块是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。主要用于工业过程温度参数的测量和控制。采集模块主要采用热电偶和热电阻。

进一步，所述温度数据处理模块将温度采集模块进行信号处理，由测量单元、信号处理和转换单元组成。所述的温度数据处理模块包含变送器。

进一步，所述处理模块采用MCU处理数据，所述MCU基于PID算法对所述目标温度数据和实时采集的温度数据计算，获得实时的控制电压数据。所述MCU还用于将所述控制电压数据转化为PWM波，并实时输出到所述电压控制模块。

如图5所示，在本发明实施例的自适应隐身控制系统中，包括：石墨烯-银纳米线加热膜模块组成的热致变色液晶加热系统；型号为TCS34725的颜色采集模块、OLED显示模块、型号为PT100的温度传感器、型号为MAX31865的铂电阻温度检测模块构成的温度采集可视化系统、mcu型号为stm32c8t6的微型计算机处理模块，PWM波放大模块、7.5V供电模块。

如图6所示，本发明实施例以一个颜色传感器、一块热致变色液晶和石墨烯-银纳米线加热膜复合的视觉隐身薄膜和一个温度采集模块为例，颜色传感器从环境中采集到实时环境中的颜色，其数据为RGB三色的数值，通过将RGB数值转换成色相(H)、对比度(S)、亮度(L)的数值区分出环境中对应的颜色，包含红绿蓝黑其中的一种。将得到颜色判断结果与事先建立的颜色-目标温度真值表进行比对，找到热致变色变换对应颜色的理想温度，计作目标温度。同时温度传感器从前端供热系统采集到实时温度数据，温度处理模块将温度数据转化成mcu可读的数字信号，mcu对温度数据进行处理，MCU将实际温度数据与目标值数据输入给PID算法，计算出实现目标值所需的电压值，以MCU控制PWM波的形式输出给电压控制模块再做用到前端加热系统。

温度传感器对薄膜加热器表面温度数据进行采集后传递给温度处理模块，温度处理模块将处理好的数据传递给MCU，MCU获取到采集的数据后：一、传递给显示屏进行实时显示，二、输入到PID算法。PID算法对两个输入值进行计算，得到输出值——控制电压，MCU读取到输出值后，将其转换为PWM波的方式输出给电压控制模块，对前端薄膜加热器的温度进行调控，最后达到目标值，在此实施例中误差值为±0.01℃。

如图7所示，PID自适应隐身控制系统通过对PID三个参数的动态调节能够实现升温速度快、鲁棒性好、超调小的技术特点。

PID自适应隐身控制系统在应对两种特殊情况下有较快的反应能力。情况一，如图8所示，PID自适应隐身控制系统在面对实际温度与目标温度的温差很大时，会采用较大的输出电压使得加热膜快速升温；情况二，如图9所示，PID自适应隐身控制系统在面对环境温度的突然变化，使得加热膜表面的温度极速下降的过程中可以通过动态提高输出的PWM占空比加快加热膜温度的恢复速度。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。