【综述】中国工程物理研究院黄石亮/南京理工大学魏晓安LPR:超黑材料的原理、设计以及应用

作者：杨沛霖^1,2，刘一冰³，魏晓安²，刘渝¹，黄石亮¹

单位：¹中国工程物理研究院化学材料研究所；²南京理工大学化学与化学工程学院；³中国工程物理研究院流体物理研究所

超黑材料是一类黑色且反射率低于1%、吸收率超99%的极致光吸收功能材料，凭借优异的广谱消光特性，成为航空航天精密光学、军事红外隐身、新能源光热转换、杂散光抑制等关键领域的核心配套材料。历经二十余年发展，超黑材料从实验室极致吸光性能探索，逐步走向工程化场景应用，但长期存在机理体系零散、材料设计无统一标准、表征方法不统一、场景适配性差等行业痛点。

近日，中国工程物理研究院化工材料研究所黄石亮团队、南京理工大学魏晓安团队系统复盘该领域二十年发展脉络，搭建全新标准化研发框架，梳理核心吸光机理、主流材料体系与前沿表征技术，清晰指明行业现存瓶颈与未来发展趋势，为新一代超黑材料的迭代升级与落地应用提供参考。该综述发表于顶级光学期刊Laser & Photonics Reviews，跳出单一材料、单一机理的传统梳理模式，创新性提出超黑材料双范式演化规律与材料-场景-表征三元研发框架。研究系统整合了三大核心吸光物理机制，归类对比了历代主流超黑材料的性能优劣与适用场景，迭代升级了超低反射材料多维表征体系，同时剖析了工程化应用核心难题，预判了AI逆向设计、极端环境适配等前沿发展方向，是一篇覆盖基础机理、材料研发、测试标准、工程应用的领域综述。

图1. 超黑材料主要研究内容的示意图

1、总结双范式演化规律

该研究划分超黑材料两大研究阶段，构建了清晰的领域发展脉络。2002-2020年为性能驱动的第一范式，研究核心聚焦单一吸光性能突破，依托光捕获、等离子体共振机理实现极致光吸收，典型如垂直排列碳纳米管实现99.965%的超高吸收率，但存在制备仅限实验室小尺度、稳定性差、场景适配性弱等局限。2020年至今为场景适配驱动的第二范式，依托卷对卷喷涂等规模化制备技术，聚焦航空、军事等极端场景需求，从单一性能优化转向多维度综合性能调控，实现了材料性能与应用场景的精准匹配。

图2. 超黑材料研究范式演变的时间轴。

2、建立三元协同开发与多维表征体系

研究从“材料-场景-表征”三个角度出发，分析了超黑材料的研究现状，打破传统盲目性能优化的研发模式。材料维度聚焦微观结构-性能构效关系，场景维度依据航空、军事、民用场景差异化优先级（稳定性、成本、吸收率）定制设计，表征维度配套场景化测试标准。同时突破传统单一反射率量化表征局限，构建了包含半球总反射率、双向反射分布函数、激光量热、极端环境稳定性测试的多维精密表征体系，解决了超低反射材料精准检测难题。

图3. 超黑材料三元框架概述。

3、阐明三大核心吸光物理机理

研究整合微观、介观、宏观多尺度理论，完整解析了超黑材料超低反射的核心机制。(1)、构建梯度折射率的减反结构机理，通过有效介质理论实现空气与基底的光学阻抗匹配，抑制宽光谱、广角度反射。(2)、表面等离子体共振机理，利用金属纳米结构的局域电场限域效应构建“热点”，强化光子捕获与能量耗散。(3)、半导体能带工程机理，通过带间跃迁、子带隙调控、载流子优化，实现紫外至远红外全波段广谱吸光，补齐了传统材料红外吸收短板。

图4. a) 蝴蝶眼睛中的角膜乳头阵列。b - d) 光与物质相互作用的尺度效应。e) 有效介质理论模型示意图。

图5. a) 金属基底上的表面等离子体共振示意图。b) 金属薄膜上的表面等离子体共振激发示意图。c) 金属纳米颗粒上的局域表面等离子体共振激发示意图。

图6. a) 半导体中与受激本征吸收相关的量子跃迁。b) 直接跃迁产生的激子能级。c) 掺杂能级与主能级之间的跃迁。d) 导带中的自由电子的跃迁（L）；价带中的电子跃迁（R）。e) 直接带隙半导体（L）和间接带隙半导体（R）。

主要结论

研究团队首先从物理机理层面，完成了超黑吸光机制的系统化梳理。在减反结构设计中，明确了亚波长结构的核心参数标准：结构高度不低于最大工作波长的40%、周期小于基底折射率与波长比值、占空比深度梯度渐变，依托麦克斯韦-加尼特、布鲁格曼有效介质模型，实现梯度折射率结构的精准设计。在等离子体调控方面，证实纳米材料形貌、对称性、介电环境可精准调控局域表面等离子体共振，多分支、各向异性结构可有效提升光场限域能力与宽带吸收性能。在半导体吸光领域，通过掺杂改性、缺陷工程、微观结构补偿，解决了间接带隙材料光吸收效率低的问题，实现全光谱吸收覆盖。

在材料体系研究中，团队系统对比了各类主流超黑材料的性能与应用场景。传统Ni-P合金通过化学刻蚀形成多级多孔结构，最低反射率可达0.022%，具备低成本、耐腐蚀优势，适配工业光热设备与海水环境杂散光抑制；垂直排列碳纳米管阵列凭借多级光捕获空腔效应，实现99.965%极致吸收率，是目前综合吸光性能最优的材料，但存在规模化制备与结构稳定性短板；新兴的仿生木质结构、碳基复合纳米材料、黑硅等体系，凭借角度无关吸收、宽光谱适配、环境稳定性强等优势，在航空光学、太阳能转换、红外隐身等领域展现出巨大潜力。

在表征技术层面，研究明确了不同测试场景的标准化方案。针对常规光谱性能，采用积分球法测试紫外-可见-近红外半球总反射率，依托傅里叶红外光谱表征中红外、远红外性能；针对超低反射极限检测，采用激光量热、腔衰荡光谱等高灵敏度技术，规避探测器噪声干扰；针对工程化应用，新增角度分辨光谱、极端温区稳定性、盐雾腐蚀、原子氧侵蚀等场景化测试，实现材料性能从实验室数据到工程应用的精准验证。

总结与展望

该综述构建了涵盖材料、场景和表征三个方面的研究框架，厘清了减反结构、等离子体共振、半导体能带调控三大核心吸光机理，完善了从传统金属合金、碳纳米材料到新型仿生复合材料的材料体系，建立了适配多场景的多维表征标准，构建了超黑材料领域的系统化设计研发体系。目前领域仍存在极端环境适配性不足、大规模低成本制备难度大、精准逆向设计缺失等问题。未来研究将聚焦人工智能辅助逆向设计，实现材料结构与性能的精准定制，同时重点突破极端高低温、强辐射、高腐蚀环境下的材料稳定性难题，推动超黑材料在深空探测、高端精密光学、新能源高效转化、多光谱隐身等前沿领域的规模化工程化应用。

中国工程物理研究院化工材料研究所黄石亮副研究员和南京理工大学魏晓安教授为该工作共同通讯作者。中国工程物理研究院化工材料研究所-南京理工大学联合培养博士研究生杨沛霖和中国工程物理研究院流体物理研究所博士研究生刘一冰为该工作的共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Ultra-Black Materials: Fundamentals, Design, and Applications

Peilin Yang, Yibing Liu, Xiaoan Wei, Yu Liu, Shiliang Huang

Laser Photonics Rev., 2026, DOI:10.1002/lpor.202502136

导师介绍

黄石亮：中国工程物理研究院化工材料研究所（九院三所）副研究员，博士生导师。博士毕业于Stockholm University结构化学专业，导师为孙俊良教授和邹晓冬院士。现为三所散衍射方向技术负责人。主要从功能材料结构与性能以及先进表征技术研究。承担国家自然科学基金、中物院院长基金、装发某专项、军科委173课题等项目十余项，发表SCI论文40余篇。担任中国工程物理研究院科技委学科专业组成员，化工材料研究所科协委员，四川省分析测试学会理事和晶体结构与显微分析专委会委员，《Molecules》杂志客座编辑，《含能材料》杂志青年编委，Defence Technology, Crystal Growth & Design等期刊审稿人。