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功能纺织材料在单兵装备中的应用及研究进展之军用可穿戴纺织材料及常规功能纺织品

纺织品是军队中除武器装备外的第二大装备品,仅次于钢铁材料。军用纺织品的含义非常广泛, 美国国防部财产目录中大约有10 000项产品部分或全部与纺织品有关。军用纺织品主要分为常规纺织品和特种纺织品。常规纺织品主要是指军装被服,包括常服、礼服、作训服、体能训练服、内衣、绒衣、棉衣、被褥、睡袋、携行具等,多采用普通纤维材料制成。特种纺织品包括士兵防护纺织品和军工配套纺织品,是指在战场上对官兵的安全起到防护作用的专用纺织品和军事装备所需的特种纺织品。士兵防护纺织品又分为单兵防护、 核生化防护和其他特种防护纺织品等类别,包括防弹衣、防化服、抗浸服、导弹推进剂防护服、核生化沾染防护服、防酸防碱工作服、阻燃作战服、迷彩伪装服、电磁辐射防护服、飞行服、防高温服、防寒服、救生衣、抗荷服、航天服、避雷靴等。军工配套纺织品则包括油料储运材料、伪装和屏蔽材料、武器弹药用纺织品、航空航天及战略武器用纺织品和特种缆绳等。 

随着现代战争朝着信息化、智能化、无人化发展,战争对单兵装备的要求越来越高,其必然会朝着轻量化、智能化、舒适化、多功能化的方向发展。基于此,本文主要围绕军用可穿戴纺织材料及常规功能纺织品最新应用及研究进展进行介绍。


军用可穿戴纺织材料

根据可穿戴传感器与人体的接触方式,可分为皮肤接触式、非直接接触式和植入式传感器。在军事领域, 可穿戴传感器作为单兵作战装备,能够实时监测战场状态,对周围环境和士兵体征进行监测 , 有助于及时掌握士兵动向,减小伤亡。军事应用中较成熟的产品是外骨骼装备,包括刚性外骨骼和柔性外骨骼。智能外骨骼子类下的智能作战服利用智能部件的功能特性可减少士兵的人体代谢消耗,增强身体机能,提高作战能力的。越来越多的其他类柔性可穿戴产品应用于单兵装备。柔性显示器可用于军事可穿戴设备的高度集成显示装置,结合可折叠显示器等柔性材料、碳纤维等轻质材料以及全息影像技 ,军用智能可穿戴设备将更加轻柔、直观、智能,最大限度地提高舒适性 ,降低设备对战斗的影响网。石墨烯和碳纳米管及其复合材料具有很好的各向同性、导热性、导电性、二维空间微孔网络等特性,能够有效解决未来单兵作战系统轻型化和电池续航的问题。目前应用在智能服装中的柔性材料可分为金属、导电涂料和绝缘材料等。虽然柔性材料在某种程度上能够切实解决传统刚性器件所存在的问题,但是在实际应用中,还需要解决自身所存在的拉伸性、舒适性、稳定性和黏附性等问题 。

常规功能军用纺织品

1.行军纺织品

在行军中封闭的军靴很容易导致士兵足部潮湿,而具有速干功能的面料可以有效解决此类问题 。采用吸湿和速干纤维制成的速干衬里或袜子可以时刻保持足部的干爽。军靴衬里要做到防水透气,可通过高密度织物、涂有膜的织物或层压织物来实现。除了干爽透气性能,具有抗菌性的面料也已应用到士兵的日常生活, 用以除臭、预防脚气和缓解皮肤刺激。在军用纺织品的抗菌处理中,除新型聚合物外,合成树脂涂层以及化学改性的天然材料同样受到关注,军用纺织品的卫生和驱虫特性也正被广泛研究,例如战地蚊帐 、帐篷、露营装备以及军装叫纺织品整理剂中,最常用的抗菌和驱虫整理剂包括壳聚糖、两性离子化合物、银和银基化合物、二氧化钛纳米颗粒、N-N- 二乙基间甲苯胺、氯菊酯、氯氰菊酯、除虫菊酯、驱虫剂 Picaridin 等。封装活性化合物( 如 Picaridin )的微胶囊可将抗菌特性赋予军事相关纺织品。壳聚糖目前已被广泛应用于多种纺织抗菌整理剂中,尤其是复合型抗菌整理剂,壳聚糖可以与其他类型抗菌整理剂相复合提高其抗菌效果,也可以与其他功能性物质复合提高纺织品性能。

2.自发热保暖面料

世界各国的军事/国防研究实验室正在利用各种具有特殊性能的技术纺织品制备抗寒服、抗荷服、阻燃面料、潜艇逃生装置、化学战防护系列产品、防热液冷服装等。目前开发出的可穿戴个人热管理( personal thermal management , PTM )装备,能够最大程度地减少能量消耗并通过单独加热来增强热舒适性。在自发热保暖面料的制备中,红外反射技术、PCM、 导电聚合物、金属纳米颗粒以及一维材料( 碳纳米管 )和二维材料( 二维金属碳化物/氮化物,也称MXene)等已被广泛研究,例如基于棉/纳米银/聚乙烯制成的红外反射加热纺织品通过将人体的热量反射回人体从而提供 “ 增暖效果 ” ( 如图所示 )。

通过调节散热率和降低织物顶面的发射率以最小化辐射热损失是制造高级加热服的2种基本方法。通过将金属纳米线( nanowires, NWs )集成到传统的加热布上,在加热布中形成辐射反射层,也可以使辐射热损失最小化。与人体皮肤发出的红外线相比,高度隔热的 NWs 网络之间的空间要低得多,这会使更多的红外辐射反射给人体,从而保持身体温暖。MXene是具有优良导热性的电活性、各向异性材料 Zhao 等在涤纶纤维表面自组装 MXene薄片, 制造了一种柔性的 MXene 薄膜加热器。当其被缝制在棉制手套上时,可通过局部加热进行热疗。此外,该薄膜加热器在各种拉伸条件下表现出优异的应变不敏感电热性能。

3.自清洁抗污面料

自清洁面料主要分为疏水性和亲水性2种。这2种类型的面料都是在水的作用下进行自我清洁,并通过滚动水滴带走污垢。亲水性面料还可通过光催化剂的作用分解吸附的污垢。常见的光催化剂是二氧化钛涂层,在光照下产生氧自由基,通过氧化还原反应分解大多数碳基化合物何。由于非晶态二氧化硅存在高分散性和结构效应,二氧化钛 - 二氧化硅涂层棉织物比单独二氧化硅涂层棉织物表现出更高的光催化活性。

超疏水面料必须具备以下 3 个条件:表面接触角 >150°的足够低的表面化学张力、微/纳米粗糙度的表面结构以及由微/纳米腔产生的局部表面曲率,且液体不能润湿表面。在设计超疏水面料时,则需要考虑纤维的表面化学性质、织物的组织结构以及单个纤维或纤维束的尺寸。麻省理工学院使用不锈钢网做理想织物研究液体浸润性,结果表明减小网孔尺寸可以增加对液体的抵抗力。改变织物的织造设计也会影响织物的液体浸润性,如增加单纤维或纤维束的尺寸会提高织物的亲水性。通过涂层也能使纺织品抵御油、水、化学剂,例如具有极低表面能的微/纳米结构涂层 OmniBlock ,它可修饰棉纤维的表面,创造一种粗糙且具有许多微裂缝的高表面积均匀涂层,在单兵装备中具有潜在的应用价值 。

结 语

功能纺织材料在军事领域已经发挥了重要作用,尤其在单兵装备方面日益体现出巨大的发展潜力。随着纺织科学与技术的进步、5G 与人工智能、计算机与信息科技及机械自动化的发展一线战斗力对兼具防弹、防砍、防刺、防割等多功能安全防护服的需求更为迫切 。目前大多数军事安全防护服的结构亟须优化升级,改善行军作战中常规 / 智能装备的舒适性与运动轻便性 。为应对复杂地形和气候环境变化,军事伪装隐身材料不仅只面向地形地貌的军事工程伪装,对于武器装备与移动目标的迷彩伪装也需加强 ,未来的发展也将朝着即时组装、智能变换的方向改进,以适应诸如沙漠、丛林、城市、热带、寒带等多变环境,配合海、 陆、空、航天等多兵种多场景运用。军事医学材料在运用于战场急救时,应朝着便于携带、快速有效和易操作等方向升级改进。军用可穿戴纺织材料将体现在信息化战争环境下的多兵种协同作战、人机(武器/一体 、单兵状态即时监测及与指挥部、后勤保障即时联络方面。此外, 反侦察、防生化、防核辐射等多功能装备也将应运而生,采用交互式纺织面料为士兵提供即时信息处理与通信将成为现实。未来纺织材料在单兵装备方面的应用设计应朝着轻量化、智能化、舒适化 、多功能化及系统集成的方向发展 。