衣服織物是幾千年來人類日常生活中最常見的生活必需品，但它功能一直主要局限于防寒保暖以及美觀等功能。近年來隨著材料科學(xué)的發(fā)展，衣服織物被賦予更加豐富的潛在能力，包括被動降溫、發(fā)電、儲能、顯示等等。而關(guān)于織物另一潛在能力——偽裝則開發(fā)較少，除了常見迷彩服之外，可見紅外波段的偽裝織物均較為少見。
基于這一需求，武漢大學(xué)劉抗教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合加州大學(xué)洛杉磯分校陳俊教授開發(fā)了一種可見紅外雙波段智能偽裝織物。其基本理念是利用多孔織物內(nèi)部少量的水分對織物紅外光學(xué)性質(zhì)極其敏感的影響來調(diào)控紅外光譜，而通過水與環(huán)境蒸氣壓的平衡來獲得智能響應(yīng)性能。
其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心是含濕的多孔PE聚合物。PE聚合物自身紅外透明，當(dāng)內(nèi)部含水時紅外透明度低，內(nèi)部水量較少時紅外透明度高。當(dāng)PE內(nèi)部水分換成一定量的稀釋鹽溶液時，PE內(nèi)部水分就會隨著溫度的升高而減小，而當(dāng)溫度降下來時，會自發(fā)從空氣中吸收水分，總含濕量增加。當(dāng)多孔PE與低發(fā)射的基底復(fù)合時，就可以實(shí)現(xiàn)高溫下自發(fā)顯示低發(fā)射率，低溫下回復(fù)到高發(fā)射率，實(shí)現(xiàn)紅外智能偽裝，原理如圖1c所示。
圖1 偽裝織物的設(shè)計(jì)和紅外發(fā)射率動態(tài)調(diào)控的原理
根據(jù)這一原理，他們設(shè)計(jì)了如圖2所示的織物，納米多孔PE膜背面沉積一層低發(fā)射金薄膜組成，PE內(nèi)含少量的氯化鈣或者溴化鋰溶液，含量約為280 nL/cm2。該偽裝織物非常輕柔，整體厚度只有7微米。當(dāng)溫度從25.8℃升至67.4℃，織物的發(fā)射率從0.8降至0.27，并且這種變化完全可回復(fù)，并可循環(huán)使用，原位紅外反射光譜測試進(jìn)一步表明隨著溫度升高，織物的反射率逐漸升高，紅外發(fā)射率逐漸下降。
圖2 偽裝織物發(fā)射率隨溫度的變化
同時他們發(fā)現(xiàn)上層多孔PE在可見光波段一直處于透明狀態(tài)，如圖3a所示。也就是說這一層紅外調(diào)控層并不影響可見光的調(diào)控，可能實(shí)現(xiàn)可見波段和紅外波段的雙重偽裝。因此他們進(jìn)一步在底部低反射層引入結(jié)構(gòu)色，對偽裝織物的可見光顏色進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過在高反射底層表面沉積TiAlN介質(zhì)膜，使織物可以呈現(xiàn)所有的顏色，如圖3所示，從而實(shí)現(xiàn)可見和紅外雙偽裝。
圖3 偽裝織物的可見光調(diào)控
為了證明其偽裝效果，將偽裝織物貼于人體皮膚表面，皮膚在可見段顯示與周圍草地接近的顏色，同時在紅外相機(jī)下呈現(xiàn)出與周圍草地相近溫度，如圖4a和4b所示。為了更進(jìn)一步證明其功能，他們設(shè)計(jì)引入一種帶誤導(dǎo)功能的設(shè)計(jì)，如圖4c所示。一片白色的陶瓷加熱片置于一個有顏色的基底上，無論是在可見相機(jī)還是紅外相機(jī)下都是十分清晰可見的，但當(dāng)將偽裝織物貼于加熱片上之后，在可見相機(jī)下，更顯著的圖案是一朵花，而在紅外相機(jī)下，顯示的是一個小人，且在加熱片溫度變化時，偽裝織物能自適應(yīng)調(diào)整其發(fā)射率，呈現(xiàn)與背景相近的溫度，如圖4所示。這些性能展示了該智能織物在偽裝領(lǐng)域潛力的可能性。
圖4 織物的偽裝性能展示
以上相關(guān)研究成果于Nano Energy發(fā)表。論文題目：Moisture assisted photo-engineered textiles for visible and self-adaptive infrared dual camouflage。武漢大學(xué)劉輝東副研究員，2019級碩士生王晨逸和加州大學(xué)洛杉磯分校陳國瑞為論文共同第一作者，武漢大學(xué)劉抗和加州大學(xué)洛杉磯分校陳俊為共同通訊作者，武漢大學(xué)為論文第一署名單位。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106855
