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（1. 海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東青島264000；2. 中國石油大學(xué)（華東），山東青島266580）

摘要：

關(guān)鍵詞：隱身涂料；機(jī)器學(xué)習(xí)；數(shù)據(jù)驅(qū)動；設(shè)計方法

本文作為參考文獻(xiàn)時的標(biāo)準(zhǔn)著錄格式：

劉旭，劉永豪，齊建濤. 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的隱身涂料設(shè)計方法與研究進(jìn)展[J]. 涂料工業(yè)，2025，55（3）：13-18.

LIU X，LIU Y H，QI J T. Research progress and design methods of stealth coatings based on machine learning [J]. Paint & Coatings Industry，2025，55（3）：13-18.

DOI:10.12020/j.issn.0253-4312.2024-319

隱身涂料作為隱身技術(shù)的重要組成部分，通過對電磁波、紅外輻射等能量形式的吸收、反射與屏蔽，廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船和地面裝備等領(lǐng)域，在提升航空器材隱身性能方面具有關(guān)鍵作用。在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，高技術(shù)探測手段中雷達(dá)探測約占60%，紅外探測約占30%。隨著軍事裝備的快速發(fā)展，隱身涂料的類型逐漸多樣化，隱身涂層在戰(zhàn)機(jī)涂層系統(tǒng)中所占比例已超過50%，飛機(jī)的隱身性能已成為衡量武器裝備先進(jìn)性的重要指標(biāo)。通過減少雷達(dá)波段的電磁反射，隱身涂料能夠顯著降低被探測的可能性，從而提升飛機(jī)在復(fù)雜應(yīng)用場景和動態(tài)威脅環(huán)境中的生存能力。

隱身涂料研究正從單一功能優(yōu)化向多功能集成與智能化方向快速推進(jìn)。然而，隱身涂料的開發(fā)涉及復(fù)雜的材料選擇、多變量性能優(yōu)化和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，這對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與仿真方法提出了極大挑戰(zhàn)。這種復(fù)雜性導(dǎo)致開發(fā)周期長、成本高，難以滿足現(xiàn)代武器裝備的快速迭代需求。在這一背景下，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)為隱身涂料研究帶來了革命性變革。機(jī)器學(xué)習(xí)通過挖掘材料屬性與性能之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)，構(gòu)建高效預(yù)測模型，突破了傳統(tǒng)方法的局限性。相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與仿真，機(jī)器學(xué)習(xí)可快速解析高維非線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)性能預(yù)測與逆向設(shè)計閉環(huán)優(yōu)化，從而降低研發(fā)成本并縮短開發(fā)周期。尤其是在跨學(xué)科融合的背景下，機(jī)器學(xué)習(xí)與材料科學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域的結(jié)合，使得隱身涂料研究從“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動”轉(zhuǎn)型，加速了多功能、高性能涂料的開發(fā)。

本文介紹了不同類型隱身涂料及其在傳統(tǒng)研發(fā)方式中面臨的挑戰(zhàn)，分析了數(shù)據(jù)驅(qū)動在隱身涂料設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)梳理了機(jī)器學(xué)習(xí)在隱身涂料研究中的應(yīng)用，旨在為隱身涂料的設(shè)計提供參考與實(shí)踐指導(dǎo)。

1 隱身涂料的介紹

隱身涂料根據(jù)目標(biāo)波段電磁波衰減或屏蔽的機(jī)理分為吸波涂料、電磁屏蔽涂料、紅外隱身涂料、復(fù)合隱身涂料等。吸波涂料通過吸收不同頻段的電磁波，抑制信號的反射和散射，從而減少環(huán)境中的電磁干擾。其性能取決于吸波材料的種類及結(jié)構(gòu)設(shè)計，常見材料包括鐵氧體、碳基材料和導(dǎo)電聚合物等。通過優(yōu)化材料組成和涂層厚度，進(jìn)一步提升吸波性能，以滿足特定的應(yīng)用需求。電磁屏蔽涂料通過反射、吸收以及耗散電磁能量，以此減少電磁干擾對設(shè)備正常運(yùn)行的威脅。近年來，納米材料的加入為電磁屏蔽涂料注入了新活力，顯著提升了其屏蔽效能與機(jī)械性能。紅外隱身涂料用于降低目標(biāo)在紅外成像設(shè)備中的可探測性，常用材料包括碳基材料、金屬氧化物、陶瓷材料以及鋁粉、青銅粉等金屬材料，這些材料通過在不同溫度范圍內(nèi)調(diào)控輻射特性實(shí)現(xiàn)紅外隱身。復(fù)合隱身涂料結(jié)合吸波、電磁屏蔽和紅外隱身等功能，通過材料的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)多頻段隱身效果。

隨著探測技術(shù)的多樣化，單一波段隱身涂料難以應(yīng)對復(fù)雜的實(shí)戰(zhàn)需求，發(fā)展具備多頻譜兼容性能的隱身涂料已成為重要方向。傳統(tǒng)材料開發(fā)方法以試錯法和經(jīng)驗(yàn)為主，盡管這種方法在已知材料的測試中有效，但其效率低、成本高，過于依賴研究人員的專業(yè)素養(yǎng)，難以在多組分和復(fù)雜體系中發(fā)現(xiàn)新材料。因此，機(jī)器學(xué)習(xí)的融入將成為推動新型隱身涂料研發(fā)的重要力量。

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的隱身涂料設(shè)計

為應(yīng)對隱身涂料傳統(tǒng)研發(fā)方式面臨的挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計方法是將設(shè)計流程從傳統(tǒng)的“試錯法”轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕾嚧笠?guī)模數(shù)據(jù)和算法模型的閉環(huán)優(yōu)化。圖1展示了數(shù)據(jù)驅(qū)動的隱身涂料設(shè)計流程，涵蓋數(shù)據(jù)庫建立、模型構(gòu)建、樣本推薦和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等關(guān)鍵步驟。

圖1　數(shù)據(jù)驅(qū)動的隱身涂料設(shè)計流程

Fig.1　Data-driven design process of stealth coatings

2. 1 數(shù)據(jù)的獲取與組織

數(shù)據(jù)庫在隱身涂料的智能設(shè)計中扮演著至關(guān)重要的角色。隱身涂料的性能受材料成分、結(jié)構(gòu)設(shè)計和環(huán)境條件的多重影響，其性能優(yōu)化需要整合多維度、多來源的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源是隱身涂料數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的基礎(chǔ)，其主要包括文獻(xiàn)資料、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量和數(shù)量直接決定了模型的預(yù)測精度和泛化能力。在隱身涂料的研究中，實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)成本高、周期長，且許多特殊性能的測試需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)條件。文獻(xiàn)資料提供了現(xiàn)成的、經(jīng)過科學(xué)驗(yàn)證的公開數(shù)據(jù)來源，能夠減少實(shí)驗(yàn)工作量，補(bǔ)充數(shù)據(jù)集的不足。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫的重要組成部分，涵蓋隱身涂料在吸波性能、電磁屏蔽性能以及環(huán)境適應(yīng)性等方面的測試結(jié)果。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要補(bǔ)充，在數(shù)據(jù)獲取成本較高或?qū)嶒?yàn)條件受限的情況下，通過有限元分析、時域有限差分等仿真工具生成的電磁參數(shù)數(shù)據(jù)，可顯著擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫的覆蓋范圍。

2. 2 數(shù)據(jù)處理與特征優(yōu)化策略

在基于機(jī)器學(xué)習(xí)的隱身涂料設(shè)計中，電磁參數(shù)、層厚配置、填料比例以及測量條件等多維度因素數(shù)據(jù)存在噪聲、缺失與異常值。為確保模型預(yù)測的準(zhǔn)確性，需要對隱身涂料的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過濾波和降噪技術(shù)提高電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)的信噪比，采用插值填補(bǔ)缺失值，利用歸一化與標(biāo)準(zhǔn)化手段消除跨越多個數(shù)量級的隱身特性指標(biāo)的量綱差異，并借助異常檢測剔除偏離值，為后續(xù)的模型訓(xùn)練與設(shè)計優(yōu)化提供可靠的輸入基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，對高維冗余特征進(jìn)行精煉與優(yōu)化能顯著提升模型設(shè)計能力和效率。特征提取應(yīng)著重發(fā)掘與隱身性能設(shè)計相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，將多維數(shù)據(jù)簡化為能表征設(shè)計目標(biāo)的核心變量。通過特征選擇和降維方法去除冗余信息，提高模型的泛化能力和計算效率。同時，多模態(tài)特征融合可以整合電磁特性、材料組成與結(jié)構(gòu)參數(shù)，以全面描繪隱身涂料的設(shè)計空間，從而在機(jī)器學(xué)習(xí)模型的幫助下更高效地搜索與優(yōu)化滿足隱身需求的材料和涂層結(jié)構(gòu)組合。

3 機(jī)器學(xué)習(xí)在隱身涂料設(shè)計中的應(yīng)用

3. 1 性能預(yù)測

吸波涂料的性能評估主要依賴于其吸波效率，并會受到材料的電磁參數(shù)和幾何特性等因素影響。機(jī)器學(xué)習(xí)模型可根據(jù)輸入?yún)?shù)精準(zhǔn)預(yù)測材料在不同頻率下的吸波表現(xiàn)。Sidi Salah等利用多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了聚碳酸酯/多壁碳納米管復(fù)合材料的吸波性能。結(jié)果表明，當(dāng)CNT含量為5%時，該復(fù)合材料在微波頻段表現(xiàn)出最佳吸波性能。此外，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型成功預(yù)測了寬帶吸波材料的反射頻譜，不僅降低了對全波仿真的依賴，還提升了預(yù)測效率和準(zhǔn)確性。通過收集大規(guī)模實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)特定頻率段的屏蔽效能預(yù)測模型構(gòu)建。韓玲艷利用遺傳算法優(yōu)化了涂層的電磁參數(shù)與厚度，使其在特定頻段內(nèi)顯著降低了雷達(dá)散射截面。

涂層材料的環(huán)境適應(yīng)性是其實(shí)際應(yīng)用中的重要性能指標(biāo)，尤其是在高溫、高濕和腐蝕等極端環(huán)境中的性能穩(wěn)定性。雖然目前針對隱身涂料環(huán)境適應(yīng)性的機(jī)器學(xué)習(xí)研究案例較少，但在其他材料領(lǐng)域，已有成功案例可供借鑒。Kuang等基于機(jī)器學(xué)習(xí)模型對低合金鋼在大氣條件下的腐蝕速率進(jìn)行了預(yù)測，模型整合了環(huán)境參數(shù)和材料特性，通過XGBoost等算法顯著提高了預(yù)測精度和模型的泛化能力，展現(xiàn)了機(jī)器學(xué)習(xí)在處理復(fù)雜環(huán)境因素與材料性能之間非線性關(guān)系的潛力。類似的方法可以被引入隱身涂料的環(huán)境適應(yīng)性預(yù)測中，通過構(gòu)建涂料特性與外界環(huán)境條件之間的映射關(guān)系，快速評估其在極端環(huán)境下的性能變化。

3. 2 材料篩選與設(shè)計

機(jī)器學(xué)習(xí)是隱身涂料開發(fā)中材料篩選與設(shè)計的重要應(yīng)用方向。通過建立材料屬性與目標(biāo)性能的映射關(guān)系，快速甄選出滿足特定隱身性能要求的材料組合。仲陸祎等利用隨機(jī)森林回歸和支持向量回歸模型，構(gòu)建了羰基鐵/四氧化三鐵復(fù)合吸波材料的磁導(dǎo)率預(yù)測模型。通過兩步高通量篩選，選出3個性能優(yōu)異的虛擬材料樣本，其中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的樣本預(yù)測誤差僅為3.14%和?6.56%。該研究揭示了工藝參數(shù)與材料性能的內(nèi)在關(guān)系，為運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)計隱身涂料提供了新思路。

在材料設(shè)計方面，機(jī)器學(xué)習(xí)通過回歸模型或生成模型實(shí)現(xiàn)性能驅(qū)動的逆向設(shè)計。Liu等提出了一種結(jié)合Maxwell-Garnett 模型、機(jī)器學(xué)習(xí)和電磁仿真的數(shù)據(jù)驅(qū)動框架，用于優(yōu)化材料的吸波性能。通過構(gòu)建目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)計策略，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法評估吸波材料的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。通過模型的高效迭代優(yōu)化，研究篩選出最優(yōu)的材料設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)了從正向預(yù)測到逆向設(shè)計的功能轉(zhuǎn)變。優(yōu)化后的材料在1.76 mm厚度下實(shí)現(xiàn)了8. 2 GHz的寬吸收帶寬，覆蓋X波段和Ku波段，展現(xiàn)了多目標(biāo)性能優(yōu)化的優(yōu)越性。隱身涂料的開發(fā)往往需要在吸波性能、電磁屏蔽能力和耐候性等多個指標(biāo)之間找到平衡。機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合進(jìn)化算法為解決此類問題提供了高效手段。Green等利用數(shù)據(jù)驅(qū)動框架優(yōu)化了聚（3，4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT)的微波吸收性能，通過非線性插值技術(shù)顯著提升了寬帶吸收能力。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，當(dāng)PEDOT含量為30.0%時，材料在3.4 mm厚度下實(shí)現(xiàn)了?54.0 dB的吸收峰值，吸收帶寬也得到顯著提升。該研究為隱身涂料的多目標(biāo)性能優(yōu)化提供了新的技術(shù)路徑。

3. 3 逆向設(shè)計與生成策略

逆向設(shè)計與生成策略為新型隱身涂料開發(fā)和性能優(yōu)化提供了創(chuàng)新性方法。通過構(gòu)建逆向設(shè)計模型，可根據(jù)目標(biāo)性能需求生成滿足要求的材料結(jié)構(gòu)和成分，實(shí)現(xiàn)從“數(shù)據(jù)驅(qū)動”向“性能驅(qū)動”的轉(zhuǎn)變。圖2展示了機(jī)器學(xué)習(xí)在隱身涂料設(shè)計中的雙向功能，從材料參數(shù)預(yù)測性能到根據(jù)性能需求逆向生成材料參數(shù)，體現(xiàn)了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在隱身涂料設(shè)計中的潛力與靈活性。

圖2　基于機(jī)器學(xué)習(xí)的隱身涂料正向預(yù)測和逆向設(shè)計示意圖

Fig.2　Schematic diagram of forward prediction and inverse design of stealth coatings based on machine learning

逆向設(shè)計推動了隱身涂料研究從傳統(tǒng)的性能預(yù)測向主動優(yōu)化的轉(zhuǎn)型。Che等提出了一種基于支持向量回歸和逆向投影算法的高通量設(shè)計框架，改善了羰基鐵/四氧化三鐵復(fù)合吸波涂料的微波吸收性能。優(yōu)化后的材料展現(xiàn)出反射損耗最低值?45.3 dB，吸收帶寬提升了360%。與此同時，蔡長旭通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和增量學(xué)習(xí)算法，將逆向設(shè)計成功應(yīng)用于多層吸波材料和蜂窩吸波材料的優(yōu)化開發(fā)，表明了逆向設(shè)計方法能夠有效應(yīng)對多目標(biāo)性能需求。

隱身涂料設(shè)計通常需要兼顧多項性能要求，而傳統(tǒng)設(shè)計方法在高維設(shè)計空間中難以找到全局最優(yōu)解。機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合生成模型與進(jìn)化算法，為多目標(biāo)優(yōu)化提供了高效工具。郭昱輝利用深度學(xué)習(xí)與粒子群算法結(jié)合，優(yōu)化了低反射率雷達(dá)超材料的幅度與相位調(diào)控。此外，生成對抗網(wǎng)絡(luò)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為隱身涂料的逆向設(shè)計帶來了更大靈活性。Wang等通過深度學(xué)習(xí)與嚴(yán)格耦合波分析法的結(jié)合，在近紅外激光波長處達(dá)到0.88的高吸收率。田宇澤基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測吸波體的電磁特性，并結(jié)合生成對抗網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了吸波體結(jié)構(gòu)的按需設(shè)計。

綜上所述，現(xiàn)階段機(jī)器學(xué)習(xí)在隱身涂料中的應(yīng)用特點(diǎn)相較于傳統(tǒng)方法，主要體現(xiàn)在從多角度大幅提升隱身涂料設(shè)計的效率，尚無研究證實(shí)可以直接通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式實(shí)現(xiàn)新型隱身涂料的創(chuàng)新設(shè)計。現(xiàn)有文獻(xiàn)大多聚焦于隱身材料的性能優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對基于機(jī)器學(xué)習(xí)的涂覆型隱身材料設(shè)計的研究仍較匱乏。然而，這些研究所采用的技術(shù)框架與數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，對于隱身涂料的性能預(yù)測、材料篩選以及逆向設(shè)計等方面仍具有重要的參考與借鑒價值。隨著人工智能的日益發(fā)展與多學(xué)科交叉的不斷加強(qiáng)，機(jī)器學(xué)習(xí)有望在隱身涂料的設(shè)計上實(shí)現(xiàn)“高效”到“創(chuàng)新”的突破。

4 結(jié)　語

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已應(yīng)用于航空工業(yè)中的熱障/環(huán)境障涂層、海洋工業(yè)中的防腐/防污涂料以及能源產(chǎn)業(yè)中的光催化涂層等各行業(yè)功能性涂料的設(shè)計，成功研發(fā)出超硬高熵陶瓷涂層、激光熔覆鎳基自熔融合金涂層和水聲聚氨酯涂層等功能性涂層。盡管數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計方法在隱身涂料的研發(fā)中極具潛力，當(dāng)前的研究依然面臨數(shù)據(jù)共享與標(biāo)準(zhǔn)化的不足、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可重復(fù)性與誤差傳播問題、模型可解釋性較低以及多目標(biāo)優(yōu)化難度高等挑戰(zhàn)。

未來，隱身涂料研究應(yīng)加快構(gòu)建高質(zhì)量、可復(fù)用的開放式數(shù)據(jù)庫與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理流程，提高模型在跨尺度、跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)環(huán)境下的泛化能力，為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效管理與調(diào)用奠定基礎(chǔ)。同時，通過整合材料科學(xué)、電磁學(xué)與人工智能等多學(xué)科優(yōu)勢，發(fā)展具備物理機(jī)理解讀能力的可解釋性模型，將已有基礎(chǔ)學(xué)科理論納入解釋過程，構(gòu)建一種“數(shù)據(jù)驅(qū)動+機(jī)理解釋”的混合模型框架，為隱身涂料的優(yōu)化設(shè)計提供保障。進(jìn)一步還可以關(guān)注可持續(xù)性與環(huán)境影響評估，將功能性與綠色環(huán)保理念融入數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料設(shè)計框架中，確保隱身涂層在實(shí)際使用中具備長壽命、低能耗和環(huán)境友好特性。