可见-红外隐身、电磁屏蔽多功能伪装织物

论文信息：

Y. Pan, X. N. Hu, C. H. Ye, M. F. Zhu, Bilayer Smart and Multifunctional Camouflage Textiles IntegratingA daptive Visible Stealth, Infrared Concealment, and Electromagnetic Interference Shielding, ACS Applied Polymer Materials7, 7350−7359 (2025).

论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsapm.5c00910

研究背景

现代军事行动需要能够自适应多光谱伪装和电磁干扰(EMI)屏蔽的先进材料，以确保在动态环境中的生存能力。在此，我们提出了一种双层智能多功能伪装纺织品(BSCT)，该纺织品将热致变色纤维素气凝胶纤维(TC-CAFs)与碳纤维毡相结合，以实现自适应可见光和红外伪装。TC-CAFs采用热致变色微胶囊和氧化铁纳米颗粒，在35°C以上实现快速颜色转换(6 - 12秒)，实现动态可见伪装，而其纳米多孔结构确保低导热系数(0.0327 W/m·K)，提供有效的红外隐身。在孔隙率超过90%的情况下，TC-CAFs的抗拉强度为7.09 MPa，在编织成柔性织物时保持了结构的完整性。碳纤维层的功能为on-的焦耳加热器在<6 V的低电压下需要热致变色激活，并提供卓越的EMI屏蔽效率(> 48db在8.2 - 18.0 GHz)，衰减99.998%的入射波。通过将动态可见伪装、热红外隐身和EMI屏蔽在灵活透气的纺织品中协同作用，这项工作为现代战争场景中的下一代防护装备提供了一种变革性的解决方案。

研究内容

本研究通过开发一种由热致变色纤维素气凝胶纤维(TC-CAFs)和碳纤维毡组成的双层智能多功能伪装纺织品(BSCT)来解决这些挑战。TC-CAF层集成了热致变色微胶囊和氧化铁(III)纳米颗粒，使温度响应的颜色转换(35°C阈值)能够匹配不同的地形，而其纳米多孔结构确保了卓越的隔热性能(0.0327 W/m·K)。通过甲基三甲氧基硅烷(MTMS)气相沉积的疏水改性增强了抗湿性，在潮湿条件下保持结构完整性。下面的碳纤维层具有双重作用:作为快速热致变色激活的焦耳加热器，并通过其导电网络提供EMI屏蔽效果(>在X/Ku波段48 dB)。通过结合这些创新，BSCT在一个灵活、透气的纺织品平台内实现了动态可见伪装、热IR隐身和EMI屏蔽。这里建立的设计原则和性能指标为为现代战场环境量身定制的下一代纺织品提供了基础。

如图1a所示。顶层的热致变色纤维素气凝胶织物(图1f)提供了温度响应的可见光伪装和低导热性，可实现有效的红外掩蔽。图1b显示了TC-CAFs的微观结构，揭示了一个高度互联的3D网络，为嵌入的颗粒提供了强大的支持。纳米多孔结构和高孔隙率有助于基于Knudsen效应的气凝胶纤维具有优异的隔热性能。SEM显微图还显示，热致变色微胶囊的尺寸约为1−2 μm，在整个制备过程中保持其球形。这些颗粒很好地分散在气凝胶相中，没有明显的聚集，确保了纤维上均匀的颜色分布。在室温下，气凝胶纤维呈现均匀的绿色(图1c)，在35℃以上转变为黄色(图1d)。这种热致变色行为是由嵌入的热-引起的铬微胶囊，在热刺激下改变其光学特性。

图1。(a) BSCT的制作过程示意图。(b)含有热致变色颗粒的纤维素气凝胶纤维的横截面SEM显微照片，插图说明了整个横截面结构。热致变色气凝胶纤维变色前和变色后的照片(c)。(e)水接触角测量显示BSCT的疏水改性。(f) BSCT前后表面的照片。

图2a为纸浆和CAFs的XRD图。纸浆、CAFs和TC-CAFs的FTIR光谱如图2b所示。三种材料均表现出类似纤维素的特征吸收峰。采用热重分析(TGA)评估TC-CAFs的热稳定性，结果如图2c所示。随着纤维素含量的增加，纤维密度上升，孔隙率降低(图3d)。这是由于在较高的纺丝溶液浓度下形成了更致密的纤维素骨架网络，SEM显微照片证实了这一点。研究了纺丝溶液中纤维素浓度对所得气凝胶力学性能的影响，如图2e、f所示。随着纤维素浓度的增加，CAFs的抗拉强度和杨氏模量都显著增加。这种增强主要归因于孔隙率的降低，从而增强了纤维结构。随着孔隙度的降低，纤维素网络变得更加致密，减少了结构缺陷，增加了单位体积的承重纤维素链的数量。这提高了应力传递效率，增强了拉伸载荷下的抗变形能力。

图2。(a) CAFs和纸浆的XRD谱图。(b)热致变色颗粒、TC-CAFs、CAFs和纸浆的FTIR光谱。(c) TC-CAFs和纸浆的TGA曲线。(d)CAFs和TC-CAFs的密度和孔隙率。(e)不同浓度的纤维素溶液制备的CAFs和TC-CAFs的拉伸应力-应变曲线和(f)拉伸强度和杨氏模量。

如图3a所示，将氧化铁(III)一水化合物的比例从0.5增加到1，双层迷彩织物的颜色逐渐从亮绿色转变为黄绿色。为了定量分析这种颜色转变，反射光谱和CIE 1931色度图(国际照明委员会定义的1931年色彩空间)被用来将视觉感知的颜色变化与仪器测量值联系起来。在反射光谱中(图3b)，534nm处的初始反射峰随着比例逐渐移至578 nm一水氧化铁(III)从0.5增加到1，与观察到的颜色从亮绿色到黄绿色的转变一致。CIE 1931色度图中相应的颜色坐标进一步证实了这种变化(图3c)。气凝胶织物的可调颜色增强了其与绿色环境(如森林和草原)无缝融合的能力，提供了有效的伪装(图3d)。如图3g所示，在分别施加4、5和6V的电压下，双层伪装织物可以快速加热到46.2、61.1和85.2°C。例如，在5v电压下达到稳态温度只需要90s(图3h)。此外，织物表现出优异的耐用性，在重复循环中保持一致的加热性能。

图3。(a)含有不同质量比的热致变色微胶囊与一水氧化铁(III)的BSCT织物颜色变化(2:1,3:2,5:4和1:1)。(b)不同热致变色成分BSCT的反射光谱和(c) CIE 1931色度图。BSCT在实际和模拟环境中温度(d)低于35°C和(e)高于35°C时的伪装性能。(f)在<6 v的焦耳加热下BSCT从绿色到黄色的动态颜色转变。(g)不同施加电压下BSCT的平衡表面温度。(h) 5v加热和冷却时BSCT随时间的温度响应。(i) 20个循环BSCT焦耳加热性能的稳定性。

为了量化TC-CAF层的保温效果，我们测量了其导热系数，其导热系数较低，为0.0327 W/m·K，显著低于尼龙(0.1089 W/m·K)、棉花(0.0858 W/m·K)、亚麻(0.0813 W/m·K)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(0.1125 W/m·K)如图4b所示。系统的复杂性，整个纺织品的导热性没有直接测量。然而，双层设计增加了厚度(与单层TC-CAF的厚度~0.6 mm相比，厚度为~ 1.0 mm)，提供了增强的耐热性。此外，红外热成像图像(图4a,c)进一步证实，在相同的热源下，在1.0±0.1 mm的相似厚度下，BSCT织物的表面温度明显低于传统材料，如尼龙织物和亚麻织物。IR进一步验证了这一效果(图4d)，其中覆盖着BSCT的人的手臂与周围环境的热对比最小，有效地掩盖了其热特征。这些结果证明了双层织物在先进热红外伪装应用方面的潜力，特别是在个人穿着领域，在各种作战环境中提供卓越的隐身性能。

图4。(a)商用尼龙、亚麻织物和TC-CAFs织物放在50°C加热板上的红外热成像和光学照片。(b)样品的热导率。(c)加热板与不同织物表面在40 ~ 60℃范围内的温差。(d) BSCT对人手掌的热红外隐身效果。

本研究中开发的双层织物通过碳纤维毡层集成了EMI屏蔽能力(图5a)，同时保持了自适应可见光和IR伪装、灵活性和透气性，这些特点特别适合单兵防护服。利用矢量网络分析仪在8.2 ~18.0 GHz的频率范围内对双层结构的EMI屏蔽性能进行了评估，该频率范围涵盖了雷达和通信系统中常用的x波段和ku波段。如图5b所示，双分子层织物显示出卓越的总EMI屏蔽效能，在测试频率范围内超过48 dB，对应于入射电磁波的衰减超过99.998%。进一步验证了双层织物在实际应用中的实际有效性。如图5d所示，该纺织品显著降低了蓝牙耳机的电磁辐射，将强度从16.5 μW/cm降低到6.4 μW/cm2——相当于环境背景水平。此外，在无线充电场景中(图5e)，虽然相同厚度的纸巾无法干扰智能手表充电，但双层纺织品成功阻挡了信号，阻止了充电。高EMI屏蔽效能、自适应可见光和红外伪装的结合，使这种材料成为现代战争环境中防护服和战场可部署屏蔽解决方案的理想选择。

图5。(a) BSCT的EMI屏蔽机理示意图。(b) BSCT在x波段和ku波段的EMI屏蔽性能和(c)功率系数。BSCT的演示(d)减少无线蓝牙耳机的电磁辐射和(e)阻止智能手表的无线充电。

结论与展望

在这项研究中，成功开发了一种双层智能多功能伪装纺织品，以解决军事应用中自适应多光谱隐身和EMI屏蔽的关键需求。TC-CAFs与碳纤维毡的集成通过温度响应颜色转换(35°C阈值)实现了动态可见伪装，在6 - 12秒内实现了绿色和黄色之间的快速切换。TC-CAF层的纳米多孔结构提供了出色的隔热性能(0.0327 W/m·K)，显著降低了红外特征，而基于mtms的疏水改性确保了结构在潮湿环境中的稳定性。同时，碳纤维层通过导电网络提供了强大的EMI屏蔽(X/Ku波段>48 dB)，并作为可编程热致变色激活的焦耳加热器。通过将可见光适应性、红外隐身和EMI保护统一在一个平台上，BSCT弥合了先进多光谱伪装和可穿戴功能之间的差距。这一创新为下一代纺织品建立了一个基础框架，以适应现代战争和电子密集型环境不断变化的需求。