メタマテリアルに基づく赤外線およびレーダーと互換性のあるステルス材料に関する研究の進歩{0}

現代の情報戦は偵察技術に大きく依存しており、戦場の透明性が重要な課題となっています。赤外線 (IR) とレーダーの検出は広く使用されており、赤外線とレーダーの両方の領域で同時にステルス性を備えた材料の研究が推進されています。従来のステルス素材と比較して、メタマテリアル-ベースの IR およびレーダー-互換素材は、大幅に優れたパフォーマンスを示します。

赤外線ステルスは、物体の表面の温度と放射率を最小限に抑えることで、IR センサーによる物体の検出可能性を低下させることを目的としています。 -放射量の多い機器や人員は環境とのコントラストが強いため、表面温度と材料の放射率を制御することが不可欠です。

レーダー ステルスは、ターゲットがレーダーに反射する電磁エネルギーの量の尺度であるレーダー断面積（RCS）を減らすことに重点を置いています。{0} RCS は、レーダー波を散乱させるように物体の形状を変えるか、レーダー吸収材 (RAM) を使用することで最小限に抑えることができます。{2}

IR とレーダーの両方でステルス性のある材料を作成することは、これらの要件が矛盾するため困難です。IR ステルス性には低い吸収/放射が必要ですが、レーダー ステルス性には高い吸収性が必要です。研究者は 2 つの主な戦略を使用します。

低い IR 放射と高いレーダー吸収性を組み合わせた単一材料ソリューション。-

それぞれの特性を保持しながら、IR{0}} とレーダー - のステルス素材を別々に積層する複合ソリューション。

従来の単一材料アプローチには、導電性ポリマー、ナノ材料、ドープ酸化物半導体が含まれます。-ただし、メタマテリアルは新しいパラダイムを提供します。

メタマテリアルは、サブ波長の単位構造で構成される人工材料です。その特性は化学組成ではなく構造に依存するため、電磁波の驚異的な制御が可能になります。キーの種類は次のとおりです。

電磁メタマテリアル: 波の位相、振幅、偏波をカスタマイズして制御できます。

フォトニック結晶: フォトニックバンドギャップを生成する周期的な誘電体構造。IR ステルスに役立ちます。

吸収メタマテリアル: インピーダンス整合と電磁共鳴を通じてほぼ完璧な吸収を実現する複合構造。最小限の厚さと重量でレーダーのステルス性を実現します。{0}

コード化されたメタマテリアル: デジタル設計原理を使用して反射位相を制御し、正確な電磁操作を可能にします。

(a) CPC サンプルの断面の SEM 画像-。 (b) 2〜18 GHzでのガラス-ベースのCPCとガラス基板の透過率比較曲線。 (c) ドープされた一次元フォトニック結晶の微細構造。-。

フォトニック結晶-ベースのマテリアル
フォトニック結晶は、特定の電磁波長を遮断または透過できる周期的な誘電体材料で構成されています。バンドギャップを IR スペクトルに合わせて調整することにより、これらの構造は IR 放射を抑制します。フォトニック結晶とレーダー透明層を組み合わせることで、IR とレーダーのステルス性を同時に実現できます。-多層フィルム、柔軟なマント、および組み合わせたプラズマ フォトニック設計が実証されており、アプリケーションは可視範囲やレーザー範囲を含むマルチスペクトル ステルスにまで拡張されています。-

吸収するメタマテリアル
吸収性メタマテリアルにより、ほぼ完全なレーダー吸収が実現されます。-選択的な IR 放射制御を備えた多層設計により、レーダー吸収を維持しながら IR ステルスが可能になります。例としては、階層的メタマテリアル構造 (HMM) や、調整可能な IR 放射率を可能にする水ベースの調整可能なマテリアルが挙げられ、ブロードバンド ステルス性が期待できます。{3}}

コード化されたメタマテリアル
コード化されたメタマテリアルは、設計された位相キャンセルを通じて RCS を削減します。ランダムな金属グリッドとエンコードされた表面を統合した設計により、高い IR 透過性を維持しながらマイクロ波を柔軟に制御できます。高度な構造は、赤外線-シールド層とマイクロ波吸収層-を組み合わせて二重のステルス機能を実現します。

メタマテリアル-ベースの IR およびレーダー-と互換性のあるステルス マテリアルは、次の方向に進化しています。

選択的な IR 放射とより広いレーダー吸収帯域により、デュアル ステルス性能が向上しました。

可視光やレーザーなどの追加のスペクトル範囲との互換性。

構造の複雑さを軽減する統合設計。

材料の安定性、製造コスト、製造プロセスには課題が残っています。リソグラフィー、エッチング、3D 印刷、スクリーン印刷などの現在の技術は、コストが高く、複雑です。実際の導入には、高精度、低コスト、耐久性のあるメタマテリアルを開発することが重要です。-

動的でスペクトルを調整可能なステルス素材は、{0}AI 駆動の検出システムに対するリアルタイムの適応性を可能にする、-将来の方向性です。相変化材料と電気光学デバイスは、マルチスペクトルの調整可能なステルス アプリケーションの機会を提供します。{{6}

(a) 耐熱金属メタサーフェスの概略図-。 (b) 調製したサンプルの高温-RCS減少測定結果。 (c) 室温におけるメタサーフェスの赤外線放射特性。

メタマテリアル-ベースの IR およびレーダー-と互換性のあるステルス材料は、デュアルバンド パフォーマンスと設計の柔軟性において従来の材料を上回っています。-ただし、安定性、コスト、製造における課題により、現実世界のアプリケーションは制限されます。{4}}今後の研究は、高度な検出技術に対応し、実用的なアプリケーションを拡大するために、動的なスペクトル調整可能な設計に焦点を当てていきます。{6}

出典: 材料レポート、MEMS、機械工学材料
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