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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事伪装与隐身材料
 

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,本文主要围绕军事伪装与隐身材料的最新应用及研究进展进行介绍。



军事伪装与隐身材料

1.红外屏蔽材料

随着红外探测技术的迅猛发展和武器的红外精确制导,军事红外伪装的需求更加迫切。士兵抗浸服、纳米隐身军服、军用智能帐篷、睡袋等装备都需要使用军事红外伪装技术。在高科技侦查手段下,红外迷彩伪装织物能够提高军队的生存能力、安全性以及战斗力。美军开发的一种变色伪装系统中就运用了电致变色光敏材料,在配备电子设备的情况下材料颜色可随周围环境的变化而变化。士兵们在执行任务时,可通过该系统达到良好的伪装效果,在肉眼上形成与周围环境融为一体的效果。

在军事红外伪装技术中,还常采用发射率低的共聚物黏合剂和片状金属铝粉等导电粉末配制涂料,对面料进行涂覆,从而降低其红外线发射率。在低发射率涂料的基础上,添加不同种类的着色颜料赋予涂料不同的色相,或者通过涂料印花的方法将涂料印制在涤 / 棉混纺织物上,使织物与背景在可见光 - 近红外波段有相近的反射率,且在红外波段有较低的发射率,这在军事隐身防护中可发挥非常重要的作用。基于远红外纤维的主动热伪装织物可以对环境温度的变化做出灵敏而快速的响应,这种纤维可以编织成各种图案,从而实现 3D 可穿戴服装的红外伪装。此外,利用石蜡作为微胶囊核心材料的 PCM,也能够赋予面料红外伪装能力,有效降低红外热辐射。

2.电磁屏蔽材料

电磁屏蔽材料主要通过反射或吸收电磁波来发挥屏蔽作用 ,其中吸收电磁波不会造成二次污染,比反射电磁波更加环保,而且吸波纺织品还具有相对质量轻、 吸波性好、易弯折、可随意裁剪、无毒环保等优点,在军事领域已有运用。电磁屏蔽材料主要包括涂覆型面料、功能性纤维织造面料以及纳米纤维材料。

(1)涂覆型面料

织物结构吸波材料主要分为涂覆型、表面镀层型、浸渍型、结构型 、频率选择表面型等,其中涂覆面料在军用电磁隐身技术中应用广泛。制备纺织品屏蔽层的最新趋势是在纺织品基材上涂以导电聚合物、石墨烯、碳纳米管等。这些新型材料能够代替金属吸收电磁射线并防止干扰,可以产生高导电性、耐用性、柔性和有效的电磁干扰(electromagnetic interference ,EMI ) 屏蔽。通过有机聚合物聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane , PDMS ) 涂覆逐层组装的多层碳纳米管和镍铁氧体 ( NiFe?O4)纳米粒子棉织物,可以制造出一种柔软耐用的 EMI 屏蔽棉织物。外部 PDMS 涂层不仅具有防水性能, 还能提高织物结构和性能的稳定性,制造出可抵抗 EMI 辐射污染的防护性纺织品。在反雷达侦察伪装中所用的伪装网,采用高散射吸收衰减原理,产品以不锈钢纤维与化纤混纺制成。含不锈钢丝伪装网的基布一面涂有吸波材料,另一面印有与战地环境相适应的迷彩色, 这样的伪装网能有效防可见光、中近红外线、紫外线和雷达侦察,尤其能防空载雷达侦察,具备多重防侦察功能。

(2)功能性纤维织造面料

对高频电磁波信号进行屏蔽的面料主要有 2 类 :利用特殊功能玻璃纤维织造的屏蔽面料和后期整理加工制造的屏蔽面料。聚合物 / 纺织品的层数与厚度都会对抵抗 EMI 的能力产生影响。将铁磁镍微米纤维和棉纤维混纺并纬编成具有凹凸表面(包括菱形、垫形 、波浪形和纱罗针迹 ) 的结构,可制造出可吸收雷达波的柔性针织复合材料。美国麻省理工学院专门为军事人员研制的敌我智能识别战衣在面料中添加了特制的光学纤维,采用这种面料所生产的军服 ,能发出可被激光器识别的 “ 友好 ” 信号 ,参战人员通过检查是否有信号的返回即可快速识别敌我,进而降低了误伤概率,大大地提高了协同作战效能 。

用金属材料纤维或混纺纱织造电磁屏蔽面料,也是屏蔽电磁波的一个有效办法。因为金属材料纤维有反射电磁波的特点,还能用电磁损耗材料和一些纤维以混纤 、混纺 、并捻 、交织等方式织成织物。目前,电磁屏蔽织物中的金属丝一般为不锈钢材料和镍,这些纤维直径为4~10μm。在碳化纤表层采用金属材料镀层、添加铁系金属材料粉末颗粒或在其表层沉积并镀覆多层的石墨或碳粒膜以及将碳化纤材料原丝和其他具备良好电磁屏蔽特性的化纤混纺构成复合物等,均能使碳化纤材料具备良好的电磁屏蔽特性 , 再经过纺织加工制成抗电磁辐射服。

(3)纳米纤维材料

纳米材料可以达到隐形的因素主要有2个方面:一是纳米颗粒长度远远低于红外线和雷达波波长这在较大程度上降低了对波的反射率,从而导致红外线探测器和雷达接收到的反射信息都显得非常微小,从而实现隐形的效果;二是由于纳米颗粒材料的比表面积较大,因此进入到纳米材料内的电磁波很容易形成电导损失、高频介质损耗、磁滞损耗等,从而使电磁能转化成热能,导致电磁波信号能量的衰变,这也导致了探测器所得到的信号强度降低,从而直接生成隐形效果。进一步采用纤维改性和织物整理的方法可赋予军事纳米材料纺织品特殊功能。电磁防护超材料实现隐形的另一个途径就是形成隐形斗篷,使入射的电磁波或声音绕过物体,实现隐身效果。使用纳米转移印刷科技可以改善超材料周边的电磁反射率,从而使光线可以在其附近绕过而达到隐形的目的。

目前世界各国大多使用半导体、纳米材料、有机吸附材料、光子晶体等进行激光技术隐身。美俄公司基于纳米材质的厚度具有远低于激光辐射波段、比表面积较大以及高度光学非线性等优点,通过黏合剂和纳米微粉填料技术生产出宽频隐身涂料,其对雷达和红外线波段都有着优异的光吸收特性。纳米金属微粉及合金吸附剂有着较低的红外发射比、较大的磁导率及介电常数,在雷达频段有较好的吸波特性,而纳米金属磁性纤维吸附剂则因玻璃纤维形态的各向异性而存在电磁力波损失机理。

3.自适应变色伪装材料 

复杂的地形和气候条件使得军事伪装极具挑战性,对智能或自适应迷彩的需求比以往任何时候都更加强烈。着有迷彩织物的车辆或士兵在沙漠地形中会很显眼 ,变色龙织物便应运而生。变色龙织物会依据外部环境改变颜色,例如热致变色、光致变色、化学致变色(化学反应)、离子致变色(pH),压力致变色和电致变色(电流)等。Vikova 等阿根据捷克林地和沙漠作战服的颜色,选择热致变色油墨开发了一种自适应变色系统。印刷的彩色图案模仿叶子设计,可根据热条件(热空气和体温)转变为沙漠设计。Karpagam 等使用热致变色着色剂开发出在棉织物上进行变色(变色龙型)印花的产品,用于国防领域 。使用蓝色和橙色热变着色剂与姜黄和石墨相结合,开发出各种不同颜色的涂料,印刷的图案模仿丛林 (经典的绿色和棕色伪装),该图案在施加外部热量后转变为沙漠色(如图 3 所示)。工程师们还开发出一种染色棉纱,这种染色棉纱在接触各种气体时会变色 ,可以为那些在医疗、军事和救援环境中工作的人员提供一种可重复使用、提醒毒气存在的装备。