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一种基于聚酰胺纳米纤维膜的个人热伪装材料

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-03-02  来源:高分子科学前沿  浏览次数:254
核心提示:红外传感、探测技术飞速发展,针对人体的柔性热伪装服用材料的相关研究愈发重要。通常,人体皮肤温度介于32~35 ℃,热辐射特征
       红外传感、探测技术飞速发展,针对人体的柔性热伪装服用材料的相关研究愈发重要。通常,人体皮肤温度介于32~35 ℃,热辐射特征明显,根据维恩位移定律,人体所辐射电磁波主要分布在7~14μm 波段;人体皮肤发射率接近黑体,峰值红外辐射位于9.5µm附近。鉴于大气中H2O、CO2以及悬浮颗粒带来的吸收和散射效应,短波3~5 μm和长波8~14 μm是常用的红外探测波段,而5~8 μm为非探测窗口波段。如上所述,人体热辐射分布与长波红外探测窗口存在重合。另一方面,参考AM 1.5G太阳辐射光谱分布特征,太阳光谱覆盖紫外–可见–近红外(UV−VIS−NIR)波段,能量密度高(1000W/m2),而人体皮肤在太阳波段平均反射率通常小于60%,即太阳照射下会吸收入射太阳能量并升温。综上,人体红外辐射特征面临暴露风险。
     根据斯蒂芬·玻尔兹曼定律,降低表面温度或改变发射率是实现个人热伪装的两种主要途径。目前虽已有诸多围绕柔性伪装器件的研究工作,但针对个人热伪装服用材料的相关研究几乎很少。
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个人热伪装复合多层膜的原理示意图、电镜及光学照片、光谱特性曲线
      国防科技大学刘东青、程海峰团队针对该问题发表了题目为“A personal thermal camouflage material based on nanofibrous polyamide membrane”的文章,研究基于PA66的本征红外吸收特性和金属Al的高反射特征,采用磁控溅射和静电纺丝两步法制备了一种金属–聚合物复合多层膜PA66/Al/nanoPE。在静电纺丝制备外层PA66纳米纤维膜的过程中,纤维随机堆叠形成多种纳米、微米级无规则孔状结,当散射体(纤维和孔)的尺寸接近或远小于入射电磁波长时,会发生米氏和瑞利共振散射,从而反射太阳光并呈现白色外观。鉴于PA66纤维膜中散射体尺寸多分布在百纳米级别,可对短波太阳光产生强烈的Mie散射,提供了兼容紫外伪装的可能性。另外,交错的孔隙结构可为水蒸汽的通过提供通道,赋予该结构透湿性。金属反射层可弥补PA66纳米纤维膜在近红外波段反射率的不足。结合FDTD仿真,进一步验证了实验结果的合理性。
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热伪装和选择性辐射效果验证
      PA66/Al/nanoPE复合多层膜实现了3~5μm和8 ~14 μm探测波段低发射率,以解决热伪装需求,同时实现了5~8 μm非探测波段高发射率,以实现红外选择性辐射散热降温。相同加热条件下,与无选择性辐射样品对比具有更低的平衡温度。静电纺丝PA66纤维膜的纳米孔、纤维结构带来的米氏散射效应与底部金属反射层协同作用,实现了>90%平均太阳反射率,在峰值太阳辐射强度下,与太阳反射率欠佳的低发射率伪装薄膜对比,可实现约20 °C的降温效果。此外,该多层膜在300~400 nm的紫外波段具备高反射能力,满足紫外伪装要求,可实现兼容雪地背景的热伪装,透湿防风,可作为冬季雪地背景下的个人热伪装服用材料。
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反射太阳辐射能力验证和雪地个人热伪装、紫外伪装效果验证
 
 
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