科技导报

基于亚波长聚醚酰亚胺/金属基复合涂层的波长选择性红外隐身技术研究

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张旭阳 ¹^,² , 潘亮 ¹^,² , 李心如 ¹ , 张璇 ² , 蔡晓东 ² , 文政绩 ²^,^* , 邵宇川 ¹^,²

科技导报 | 研究论文 2026,44(8): 98-105

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科技导报 |研究论文 2026 , 44 (8) : 98 -105

基于亚波长聚醚酰亚胺/金属基复合涂层的波长选择性红外隐身技术研究

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张旭阳¹^,², 潘亮¹^,², 李心如¹, 张璇², 蔡晓东², 文政绩²^,^*, 邵宇川¹^,²

作者信息

¹上海大学微电子学院，上海 201899

²中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学研发中心，上海 201800

通讯作者:

文政绩（通信作者），副研究员，研究方向为超构薄膜红外热辐射调控，电子信箱：wenzhengji@siom.ac.cn

Wavelength−selective infrared stealth via subwavelength polyetherimide/metal composite coatings

Xuyang ZHANG¹^,², Liang PAN¹^,², Xinru LI¹, Xuan ZHANG², Xiaodong CAI², Zhengji WEN²^,^*, Yuchuan SHAO¹^,²

Affiliations

¹School of Microelectronics, Shanghai University, Shanghai 201899, China

²Laboratory of Thin Film Optics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China

出版时间: 2026-04-28 doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2025.06.00106

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摘要

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传统光学薄膜与超构表面难以满足低成本、大面积红外隐身需求。开发了一种基于聚醚酰亚胺（polyetherimide，PEI）/铬（Cr）的低成本红外隐身复合涂层。通过转移矩阵法（transfer matrix method，TMM）理论计算与时域有限差分法（finite difference time domain，FDTD）仿真结合工艺优化，确定最优结构为4.5 μm PEI层/Cr层。实验验证该涂层在3~5、5~8和8~14 μm波段的平均发射率分别低至0.26、0.61和0.47，同时实现探测波段隐身与非探测波段辐射散热。揭示了其红外响应机制源于PEI化学键振动吸收与法布里−珀罗共振的协同作用。PEI材料的高机械性能与低成本工艺支持多场景应用。实验与仿真结果高度吻合，验证了设计方法的有效性，为低成本红外隐身材料开发提供了新思路，在军事隐身与热管理领域具有重要应用价值。

关键词

红外隐身 / 聚醚酰亚胺 / 发射率 / 选择性辐射 / 低成本涂层

Abstract

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Infrared stealth technology aims to avoid detection by suppressing a material's emissivity within the detection waveband. However, conventional optical films and metasurface technologies struggle to meet the demands for low−cost, large−area infrared stealth applications. This paper proposes a low−cost infrared stealth composite coating based on polyetherimide (PEI) and metal. Through theoretical calculations using the Transfer Matrix Method (TMM) and simulation via the Finite−Difference Time−Domain (FDTD) method, combined with process optimization. The optimal structural parameters were determined to be a 4.5 μm PEI layer on a chromium (Cr) metal layer. Experimentally fabricated samples demonstrated low average emissivity values in key infrared atmospheric transmission windows. Specifically, the average emissivities were measured at 0.26 in the 3−5 μm band, 0.61 in the 5−8 μm band, and 0.47 in the 8−14 μm band. This performance allows the coating to achieve infrared stealth within the typical detection bands. Simultaneously, it enables effective radiative heat dissipation in non−detection bands. The research elucidated the underlying infrared response mechanism of the composite coating. It was revealed that the wavelength−selective radiative properties are primarily governed by the synergistic interaction between the chemical bond vibrational absorption inherent to the PEI material and the Fabry−Perot (FP) resonance modes established within the layered structure. Furthermore, PEI contributes high mechanical performance to the coating. Its compatibility with low−cost manufacturing processes enhances its practicality. Consequently, this makes the coating highly suitable for diverse application scenarios. Notably, the experimental results showed excellent agreement with the simulation and calculation data, which effectively validates the design methodology employed in this study. Overall, this work provides a novel and promising approach for developing cost−effective infrared stealth materials. It holds significant potential application value in critical fields such as military stealth and thermal management.

Key words

infrared stealth / polyetherimide / emissivity / selective radiation / low−cost coatings

引用本文

张旭阳, 潘亮, 李心如, 张璇, 蔡晓东, 文政绩, 邵宇川. 基于亚波长聚醚酰亚胺/金属基复合涂层的波长选择性红外隐身技术研究. 科技导报, 2026 , 44 (8) : 98 -105 . DOI: 10.3981/j.issn.1000-7857.2025.06.00106

Xuyang ZHANG, Liang PAN, Xinru LI, Xuan ZHANG, Xiaodong CAI, Zhengji WEN, Yuchuan SHAO. Wavelength−selective infrared stealth via subwavelength polyetherimide/metal composite coatings[J]. Science & Technology Review, 2026 , 44 (8) : 98 -105 . DOI: 10.3981/j.issn.1000-7857.2025.06.00106

正文

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热辐射作为自然界3大基本传热方式之一，其本质是物体通过电磁波辐射形式实现能量传递的过程。与传导和对流热传递方式不同，热辐射传热过程无须依赖介质，这一特性使其在空间热管理与辐射制冷等领域具有独特优势^[1]。然而在现代战争中，热辐射的方式虽然能帮助物体散热，但目标物体向外辐射的电磁波信号也会成为敌方探测系统的识别依据，这种矛盾催生了红外隐身技术的迫切需求。基于斯忒藩−玻耳兹曼定律

(1)

$ E=\epsilon \cdot \sigma \cdot T^4 $

式中，E为辐射通量，

$ \epsilon $

为表面发射率，

$ \sigma $

为斯忒藩−玻耳兹曼常数，T为绝对温度。

调控物体表面红外发射率成为实现热辐射隐身的核心机制^[2]。

传统红外隐身技术采用金属镀层法，通过金属材料固有的低发射率特性（ε<0.1）实现辐射抑制。但该技术存在显著缺陷：全波段的低发射率导致目标表面热辐射受阻，造成严重的热量积聚问题^[3]。值得注意的是，大气层对红外辐射具有选择性透过的“大气窗口”（主要透射波段为3~5、8~14 μm）^[4]。这一特性推动了波长选择性辐射隐身技术的发展方向：在大气窗口波段维持低发射率以降低可探测性，同时在非大气窗口波段保持高发射率以促进热量耗散。这种光谱选择性调控策略既能实现有效隐身，又可规避传统技术带来的散热难题，已成为当前红外隐身领域的研究前沿。

随着光谱调控技术的发展，红外隐身材料体系经历了从单波段散热窗口（主要为5~8 μm）^[5~7]到双波段散热窗口（主要为5~8、14~20 μm），再到多波段选择性热辐射隐身薄膜^[8~10]的迭代演进。然而，基于无机多层膜结构的辐射调控器件或超构表面技术^[11~13]虽能实现精准光谱操控，但其纳米级加工精度要求和复杂的真空沉积工艺导致制造成本较高，而且难以实现大面积制备，严重制约了大规模工程化应用。在此背景下，具有低成本、可大面积加工等优势的有机涂层技术，逐渐成为波长选择性热辐射领域的研究热点^[14~16]。但受限于有机聚合物的分子本征吸收特性，其在关键隐身波段（8~14 μm对应指纹区）普遍存在强烈振动吸收，导致该波段发射率难以满足高效隐身需求。本研究发现，聚醚酰亚胺（polyethyleneimine，PEI）、聚酰亚胺（polyimide，PI）等芳香族聚合物在5~8 μm波段表现出较高消光系数，显著高于其在8~14 μm波段的吸收特性。基于此特性，通过精确调控涂层厚度至2~5 μm范围，成功制备出兼具光谱选择性与热管理功能的红外隐身薄膜涂层：在8~14 μm大气窗口保持低发射率，同时在5~8 μm非探测波段实现高发射率，有效解决了传统金属镀层的热堆积难题。需要指出的是，有机聚合物的光热转换机制涉及分子振动模式（C=O、C~N等官能团）、电子跃迁，以及薄膜干涉效应的多重耦合作用^[17~19]。现有研究多聚焦于材料筛选与工艺优化，对其内在的关联规律仍缺乏系统性认知。

本研究聚焦PEI这一典型芳香族聚合物，系统探究其红外辐射调控机制与工程应用潜力。研究采用“理论设计—工艺优化—性能验证”的多尺度研究范式：实验层面开发基于粉末刮涂的薄膜制备工艺，通过傅里叶变换红外光谱（fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）定量表征3~15 μm中红外波段的发射率，结合扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）表征涂层厚度、X射线光电子能谱（X−ray photoelectron spectroscopy，XPS）解析化学键合状态与热稳定性的关联机制。理论层面构建多物理场耦合模型，使用时域有限差分法（finite difference time domain，FDTD）模拟微纳尺度下的电磁场分布特征，通过转移矩阵法（transfer matrix method，TMM）解析薄膜厚度与干涉效应的定量关系。特别关注C=O伸缩振动（1720 cm⁻¹）、芳香环面外弯曲振动（740 cm⁻¹）等特征吸收峰对辐射特性的调制作用，建立分子振动模式与宏观光学响应的构效关系模型。本研究旨在提出亚波长有机聚合物本征吸收与薄膜干涉效应的协同调控策略，突破了传统材料在“低发射率”与“热管理”间的性能平衡难题。

1 实验设计

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本研究旨在探究以亚波长PEI/金属薄膜为例的低成本有机聚合物涂层在红外隐身方面的应用。实验样品结构如图1所示。

取常规的工业级PEI粉末原材料（购自上海亿塑诚电子有限公司）、铬（Cr）蒸发料（购自中诺新材科技有限公司）。采用单面抛光的本征硅片作为衬底，切割成约3 cm×3 cm，使用去离子水进行超声清洗，经清洗后，利用热蒸发法在硅片表面沉积100 nm厚的Cr薄膜作为金属反射层。PEI涂层的制备流程如图1（a）、（b）所示：首先将镀有Cr膜的硅片置于热板上，设置温度≥350℃并加热5 min以确保硅片均匀受热；随后使用静电喷枪在热硅片表面喷涂一层PEI粉末，待米白色粉末熔融形成琥珀色胶状物后，立即用刮板手动刮涂，形成厚度约100 μm的均匀涂层。待第1次刮涂层完成后，使用手持式刮刀对样品进行以减薄为目的的多次刮涂，逐步将PEI涂层厚度降至约4.5 μm。实验完成后，使用台阶仪测量涂层厚度以确保达到目标值，最终的样品结构示意图如图1（c）所示。需要注意的是，由于熔融PEI黏度极高，当涂层厚度减薄至4 μm以下时，其均匀性会急剧下降（如图2（a）所示），原因在于减薄刮涂过程中高黏度PEI易黏附并剥离下层Cr膜，或因受力不均导致厚度极度不均匀，甚至可能因操作不当刮伤表面Cr层。

2 结果与讨论

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2.1 样品物性与光谱表征

相较于磁控溅射、电子束沉积、热蒸发镀膜等传统物理沉积工艺，采用刮涂、喷涂或旋涂等方式制备的有机薄膜（如PEI涂层）其厚度控制更具挑战性。为实现对PEI涂层厚度的精准调控，样品制备完成后综合采用台阶仪和SEM进行厚度验证表征。如图2（a）所示，样品表面右上角区域涂层厚度低于4 μm，可观察到明显的均匀性下降；而中间PEI涂层厚度约为4.5 μm，则表现出较好的均匀性，该现象与前述PEI粉末刮涂成膜工艺的经验描述相符。此外，样品图片显示，涂覆PEI 的区域呈现透明的淡黄色，且当涂层厚度低于20 μm时，在可见光波段仍能保持较高的透过率，表明较薄的PEI涂层具有良好的可见光透明性，这一特性也关联到聚酰亚胺类材料在透明显示领域的潜在应用。为精确测定 PEI 涂层厚度，如图2（b）所示，选取中部均匀区域，SEM结果显示界面较为均匀，PEI 涂层厚度测得约为4.5 μm，该结果与台阶仪的测量数据基本吻合，证实了厚度数据的可靠性。同时，在浅灰色（PEI层）与黑色（Si基底层）区域的交界处可见一条深灰色的界面层，此即热蒸发沉积的Cr层。

在理论计算与仿真模拟部分，分别采用TMM进行理论计算，以及利用FDTD进行仿真分析。PEI与Cr的光学参数分别取自参考文献^[20~21]，通过对不同厚度样品的模拟光谱与实验光谱进行多次对比分析，结果表明，所采用的光学参数基本适用于本体系。计算与仿真均基于4.5 μm PEI/100 nm Cr的简化结构，省略了实验样品中的单抛硅片衬底。这是因为当Cr层厚度大于100 nm时，薄膜结构透射率几乎为0，Si基底对样品吸收产生影响可以忽略，因此，Si层在仿真模拟中可忽略不计^[22]。根据TMM计算结果得

$ {\epsilon }_{3\sim 5}\approx 0.28 $

、

$ {\epsilon }_{5\sim 8}\approx 0.63 $

、

$ {\epsilon }_{8\sim 14}\approx 0.40 $

。如图2（c）所示，为了验证样品的红外发射率信息，使用FTIR测量样品的反射率（R），并据此计算吸收率。进一步依据基尔霍夫定律，即吸收率等于发射率，计算得到样品发射率，分别为

$ {\epsilon }_{3\sim 5}\approx 0.26 $

、

$ {\epsilon }_{5\sim 8}\approx 0.61 $

、

$ {\epsilon }_{8\sim 14}\approx 0.47 $

。实验结果与理论计算及仿真分析结果基本吻合，且实验观察到的各吸收峰均在计算仿真中得到体现。实验结果与仿真结果之间的差异，主要源于实验制备的PEI涂层非理想薄膜（存在均匀性差异），以及Cr层与PEI层表面杂质干扰等影响。

为获取样品表面元素信息，采用XPS进行表征，其全谱如图3（a）所示。图3（a）表明，PEI涂层主要由C、N、O这3种元素组成。结合参考文献^[23~25]的XPS分析结果，PEI涂层的化学成分基本固定，且O元素与C元素的含量比例接近，证明PEI涂层吸水及氧化污染程度较低。进一步分析PEI的化学键合状态：对XPS测试得到的C、N、O单元素谱图进行拟合，并以C元素的C~H/C~C标准结合能（284.8 eV）为参考进行荷电校正（移峰）。结果如图3（b）~（d）所示：C元素存在3个峰位，分别位于284.8 eV（C~C/C~H）、286.3 eV （C~N）和288.7 eV（C~O）；O元素存在2个峰位，位于531.8 eV（C~O）和533.4 eV（C~O）；N元素仅存在1个峰位，位于400.3 eV，对应于C~N键，但其峰形展宽较大，推测与PEI中N元素存在形式有关。

实验测试的样品吸收图谱与PEI的FTIR光谱分析图基本对应，存在的轻微差异与PEI薄膜制备过程引起的误差相关联^[26]。在实验结果中，高频区（2800~3500 cm⁻¹）对应3.37 μm处出现的较弱吸收峰由羟基键（—CH）的伸缩振动导致。指纹区（600~1250 cm⁻¹）对应11.7 μm附近出现的宽带吸收峰则与芳香环的面外弯曲振动以及酰亚胺环的变形振动有关。对于5~8 μm的辐射散热波段，羰基与酰亚胺特征区域（1650~1800 cm⁻¹）对应5.5~6 μm波段的较强吸收主要与羰基键（C=O）相关。6~6.6 μm的较高吸收峰则是由芳香环中的碳碳双键（C=C）骨架振动产生的。在C~N键区域（1300~1400 cm⁻¹），对应7.1~7.6 μm波段出现的高峰则是由酰亚胺环中的C~N~C伸缩振动导致的。这些化学键构成了PEI在红外非探测波段中的高辐射散热特性。此外，7.6~8.3 μm与8.8~9.6 μm波段出现的2个较高的吸收峰则与醚键（C—O—C）对称或不对称伸缩振动相关^[27~30]。

2.2 PEI厚度优化与角度扫描

根据朗伯−比尔定律

(2)

$ A=K\cdot l\cdot c $

式中，A为吸光度，

$ K $

为摩尔吸光系数，l为介质厚度，c为吸光物质浓度。

有机物涂层在特定波段的吸收率通常与其厚度呈正相关^[31~32]。为探究PEI涂层厚度与红外光谱吸收/发射率的关系，采用FDTD方法对涂层厚度进行参数扫描，结果如图4（a）~（b）所示。PEI涂层厚度的变化对3~8 μm波段的发射率影响较小，但会显著影响8~14 μm波段的发射率。当涂层厚度小于4.5 μm时，8~14 μm波段整体发射率较低，且随厚度减小，样品发射率进一步降低。当厚度小于3 μm时，

$ \epsilon_{8\sim14} < 0.3 $

、

$ \epsilon_{5\sim8}\approx0.55 $

，隐身性能得到提升。然而，受限于实际工艺条件的限制（如均匀性控制难度），综合考量后选择4.5 μm作为实验样品的优化厚度。

为研究样品的光谱角度和偏振特性，采用TMM方法，在保持PEI/Cr结构不变的条件下，分别对2种偏振状态（TE（transverse electric wave）和TM（transverse magnetic wave））进行入射角度（0°~80°）扫描，结果如图4（c）~（e）所示。当入射角θ<60°时，PEI 涂层的发射率/吸收率对角度和极化选择性不明显。当θ>60°时，TM极化波在整个3~15 μm波段的吸收显著增强，这得益于TM波在布儒斯特角附近更显著的吸收增强效应，导致更多电磁波能量耦合进入PEI涂层内部并被吸收^[33−34]。对于TE偏振，在大角度（θ>60°）平面波入射时，由于法布里−珀罗（Fabry~Pérot，FP）共振模式的破坏，PEI涂层在全波段的吸收效率下降^[35−39]。同时，PEI在8~14 μm 波段的消光系数低于其在5~8 μm波段。因此，在TE偏振大角度入射下，PEI涂层在8~14 μm波段维持了相对较低的吸收/发射率（有利于红外隐身），同时样品在5~8 μm波段仍能保持一定的辐射能力（有利于散热），从而实现了隐身效果与散热需求的进一步协同平衡。根据图4（e）所示结果，本研究中所用样品的红外光谱随入射角度变化并未产生显著差异，表现出良好的角度不敏感性，因而能够满足多场景应用对红外隐身性能的需求。

2.3 PEI/Cr膜系的电磁与磁场分布

为深入探究PEI涂层厚度对电磁波传播的影响，采用FDTD对其电磁场分布进行数值模拟（图5）。图5（a）和图5（b）分别展示了5.8 μm波长（强吸收波段）处平面波正入射时的电场和磁场分布。结合光谱数据分析可知：在该波段，PEI涂层对电磁波具有强损耗特性，导致电场与磁场强度显著衰减；同时受反对称法FP共振影响，在非主吸收区也观察到弱损耗现象。图5（d）和图5（e）则呈现了9.6 μm波长（强吸收波段）处正入射下的电场与磁场分布。由于PEI 在此波段的介质损耗较低，电场与磁场的衰减效应相对不明显；而FP共振模式的薄膜干涉效应则更为显著；进一步地，为了揭示电磁吸收损耗的物理机制，采用有限元法（finite element method，FEM）仿真相同条件下样品的时间平均功率耗散密度（在计算中忽略材料属性的温度依赖性）。如图5（c）和图5（f）所示，样品的电磁损耗主要源于2类机制：化学键共振吸收——有机物分子键的振动模式；入射电磁波耦合与FP共振模式——多层结构中的驻波场增强效应。

2.4 隐身性能评估

为定量评估样品在实战场景中的红外隐身效能，采用工作波段8~14 μm的长波红外热像仪进行热成像测试。在恒温恒湿环境（25±1）℃，相对湿度（50%±5%）下，将样品直接贴附于人体手掌表面，即基础温度（37.0±0.5）℃，进行动态热监测。如图6所示，热成像数据清晰显示：裸露手掌区域呈现典型生物热特征（37℃），而金属Cr参照区表观温度降至26℃（ΔT=11℃）；关键的是，4.5 μm PEI涂层区域表观温度稳定维持在28℃（ΔT=9℃），与皮肤形成显著热隔离带。该温差值远超典型红外探测器识别阈值，证实涂层可有效阻断人体热辐射传导。9℃的稳定热梯度表明，材料在8~14 μm大气窗口波段实现超过80%的热信号抑制率，满足实战环境红外隐身核心指标要求。其热伪装机制源于PEI层对生物体热辐射的选择性阻隔与Cr层的红外反射协同作用。

3 结论

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本研究提出了一种基于PEI/Cr的低成本红外隐身功能涂层制备方法。通过理论计算与数值模拟相结合的方法，在满足工艺可行性的前提下，确定了金属反射层（厚度100 nm）与PEI介质层（4.5 μm）的最佳组合厚度。实验结果显示，制备的样品在3个波段的平均发射率分别为

$ \epsilon_{3\sim5}\approx0.26 $

、

$ \epsilon_{5\sim8}\approx0.61 $

、

$ \epsilon_{8\sim14}\approx0.47 $

。光谱特性分析表明，涂层辐射分布的形成机制主要源于2方面：一是有机分子结构中C=O键和C—N键等化学键的红外特征振动吸收；二是亚波长结构中的FP共振效应。实验制备得出的样品兼具波长选择性辐射散热与红外隐身能力，同时由于PEI作为工程塑料自身优异的机械性能可大范围便捷地应用于多种隐身场景。

基金

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中国科协青年人才托举工程项目(YESS20220355)
上海市自然科学基金面上项目(24ZR1475000)
国家自然科学基金项目(12504376)

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文献

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2026年第44卷第8期

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文章信息

doi: 10.3981/j.issn.1000-7857.2025.06.00106

接收时间：2025-06-23
首发时间：2026-05-08
出版时间：2026-04-28

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作者

出版历史

收稿日期：2025-06-23
修回日期：2026-02-02

基金

中国科协青年人才托举工程项目(YESS20220355)

上海市自然科学基金面上项目(24ZR1475000)

国家自然科学基金项目(12504376)

作者信息

¹上海大学微电子学院，上海 201899

²中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学研发中心，上海 201800

通讯作者:

文政绩（通信作者），副研究员，研究方向为超构薄膜红外热辐射调控，电子信箱：wenzhengji@siom.ac.cn

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/kjdb/CN/10.3981/j.issn.1000-7857.2025.06.00106

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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