聚氨酯-銻錫氧化物復合材料助你藏起身形

隨著科技不斷發展,各國軍事實力不斷增強。現如今,遠程超視距作戰已經成為主流。遠程偵察測量技術和各類隱身技術越來越重要,其中紅外隱身技術是一種使對象發出的紅外輻射與周圍背景輻射盡可能相似的技術,從而使紅外檢測傳感器無法區分目標對象。

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用於紅外屏蔽塗層的材料包括金屬粉末,導電聚合物,有機/無機復合材料和半導體。綜合考慮材料重量、紅外屏蔽能力和機械性能等方面,通過多種技術合成的銻氧化錫(ATO)納米顆粒被廣泛用於紅外和熱輻射屏蔽塗料。目前未解決的問題是當ATO納米顆粒與聚合物基質混合時,纖維的機械性能可能會下降。因此,有必要開發一種用於可穿戴的紅外(IR)和熱輻射屏蔽材料,其可以在不顯著增加纖維重量、保持纖維的機械強度的同時,有效地提高屏蔽效率。

亮點

韓國京畿道大學Sang-Mi Jeong等研究人員成功合成瞭聚氨酯-銻錫氧化物(PU-ATO)復合纖維,與常規的聚酯或PU織物相比,本研究開發的PU-ATO復合纖維紡織品具有出色的IR和熱輻射屏蔽性能,即使暴露於−20°C和+80°C的重復溫度變化以及30天的長期溫度變化的十個循環中,制成的PU–ATO復合纖維仍具有穩定的IR和熱輻射屏蔽性能。PU-ATO復合纖維的表面被制成疏水性,以防止由於PU-ATO復合纖維被吸收的水潤濕而導致IR和熱輻射變形。

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PU–ATO復合纖維的制備過程

如圖1所示,通過控制ATO前驅體的濃度和通過溶膠-凝膠法制備的溶膠的老化時間,獲得最佳的ATO溶膠。將該溶膠與預設量的PU溶液混合,得到瞭具有不同成分的PU–ATO復合懸浮液。采用濕法紡絲技術,以四種不同ATO濃度(0.5、1.5、3.0和4.0 mmol)的復合懸浮液為原料,制備瞭PU-ATO(1-4)復合纖維。

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圖1 ATO溶膠和PU-ATO復合懸浮液的制備

PU–ATO復合纖維的IR和熱輻射屏蔽特性

如圖2所示,當在可見光下及使用紅外攝像機觀察人時,用常用的聚酯或聚氨酯織物遮蓋時,人體發出的紅外線和熱輻射也會通過織物而變得可見。相反,當用PU-ATO復合纖維服裝遮蓋人體的一部分時,人體發出的紅外和熱輻射被屏蔽,無法識別人的IR輪廓。

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圖2 可見光和IR攝像機下發出IR和熱輻射的人的概念示意圖

圖3中衰減全反射傅裡葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)顯示,聚酯、PU和PU-ATO(3)織物的紅外透過率分別為~40%、25%和2%。請註意,ATR-FTIR光譜是在7–14μm的波長范圍內進行的,其中包括熱紅外攝像機檢測到的7.5–13μm的整個波長范圍。由於Sb摻雜效應產生的局域表面等離子體共振,ATO具有優異的紅外和熱輻射屏蔽效應。PU-ATO(3)紡織品的低紅外透過率是由於ATO溶膠在纖維的PU基體中均勻分散的結果。

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圖3 基於聚酯、PU和PU-ATO復合材料的紡織品的紅外透射率

PU-ATO復合纖維的疏水性

由於纖維吸水會導致IR圖像變形,纖維的疏水性對於保持一定水平的紅外和熱輻射屏蔽能力至關重要。使用接觸角分析儀評估該復合纖維的水潤濕性。如圖4所示,不同濃度(0.5、1.5、3.0和4.0 mmol)的PU-ATO(1-4)復合纖維的水接觸角均≥130°,顯示出疏水性,因此,織物表面上的水滴沒有被吸收,而是易於滾落。

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圖4 PU–ATO復合纖維的水接觸角示意圖

不同的環境下的PU-ATO復合纖維的紅外和熱輻射屏蔽性能

為瞭用作實用的可穿戴紡織品,紡織品必須在不同的環境中保持其紅外和熱輻射屏蔽性能。

如圖5A所示,經過反復暴露在高(+80°C)和低(−20°C)溫度下,PU-ATO(3)復合紡織品的表面溫度保持穩定。這些結果證實,即使反復暴露在高溫和低溫條件下,復合紡織品的紅外和熱輻射屏蔽性能仍然可以保持。

圖5B顯示瞭PU-ATO(3)復合紡織品的連續紅外和熱輻射屏蔽性能。在40°C溫度下,每天8小時,共30天,對織物表面溫度進行測量。結果發現即使在很長一段時間內,織物的表面溫度也保持在25°C左右。

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圖5 根據溫度和時間的變化,反復評估PU–ATO(3)復合紡織品的紅外和熱輻射屏蔽性能。A, 經過反復加熱(+80°C)和冷卻(−20°C)循環 PU–ATO(3)復合紡織品的表面溫度。B, 每天施加40°C的溫度8小時(共30天)後,PU–ATO(3)復合紡織品的表面溫度

結論

本篇文章中,研究人員制造瞭PU-ATO復合纖維,並用其編織瞭具有IR和熱輻射屏蔽性能的耐磨紡織品。同時該纖維具有優異的疏水性,可有效避免纖維吸水導致的IR圖像變形。通過反復暴露(十次)於80°C和−20°C的極端溫度及在40°C下長期暴露30天證實瞭PU-ATO復合纖維的可靠性。隨著用於隱藏來自物體的紅外信號的隱形技術的不斷發展,PU-ATO復合纖維有望帶動可穿戴式紅外隱形產品的新市場。

原文鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41427-020-0213-z

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