背景

随着科技不断发展，各国军事实力不断增强。现如今，远程超视距作战已经成为主流。远程侦察测量技术和各类隐身技术越来越重要，其中红外隐身技术是一种使对象发出的红外辐射与周围背景辐射尽可能相似的技术，从而使红外检测传感器无法区分目标对象。

用于红外屏蔽涂层的材料包括金属粉末，导电聚合物，有机/无机复合材料和半导体。综合考虑材料重量、红外屏蔽能力和机械性能等方面，通过多种技术合成的锑氧化锡（ATO）纳米颗粒被广泛用于红外和热辐射屏蔽涂料。目前未解决的问题是当ATO纳米颗粒与聚合物基质混合时，纤维的机械性能可能会下降。因此，有必要开发一种用于可穿戴的红外（IR）和热辐射屏蔽材料，其可以在不显著增加纤维重量、保持纤维的机械强度的同时，有效地提高屏蔽效率。

亮点

韩国京畿道大学Sang-Mi Jeong等研究人员成功合成了聚氨酯-锑锡氧化物（PU-ATO）复合纤维，与常规的聚酯或PU织物相比，本研究开发的PU-ATO复合纤维纺织品具有出色的IR和热辐射屏蔽性能，即使暴露于？20°C和+80°C的重复温度变化以及30天的长期温度变化的十个循环中，制成的PU–ATO复合纤维仍具有稳定的IR和热辐射屏蔽性能。PU-ATO复合纤维的表面被制成疏水性，以防止由于PU-ATO复合纤维被吸收的水润湿而导致IR和热辐射变形。

PU–ATO复合纤维的制备过程

如图1所示，通过控制ATO前驱体的浓度和通过溶胶-凝胶法制备的溶胶的老化时间，获得最佳的ATO溶胶。将该溶胶与预设量的PU溶液混合，得到了具有不同成分的PU–ATO复合悬浮液。采用湿法纺丝技术，以四种不同ATO浓度（0.5、1.5、3.0和4.0 mmol）的复合悬浮液为原料，制备了PU-ATO（1-4）复合纤维。

图1 ATO溶胶和PU-ATO复合悬浮液的制备

PU–ATO复合纤维的IR和热辐射屏蔽特性

如图2所示，当在可见光下及使用红外摄像机观察人时，用常用的聚酯或聚氨酯织物遮盖时，人体发出的红外线和热辐射也会通过织物而变得可见。相反，当用PU-ATO复合纤维服装遮盖人体的一部分时，人体发出的红外和热辐射被屏蔽，无法识别人的IR轮廓。

图2 可见光和IR摄像机下发出IR和热辐射的人的概念示意图

图3中衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）显示，聚酯、PU和PU-ATO（3）织物的红外透过率分别为~40%、25%和2%。请注意，ATR-FTIR光谱是在7–14μm的波长范围内进行的，其中包括热红外摄像机检测到的7.5–13μm的整个波长范围。由于Sb掺杂效应产生的局域表面等离子体共振，ATO具有优异的红外和热辐射屏蔽效应。PU-ATO（3）纺织品的低红外透过率是由于ATO溶胶在纤维的PU基体中均匀分散的结果。

图3 基于聚酯、PU和PU-ATO复合材料的纺织品的红外透射率

PU-ATO复合纤维的疏水性

由于纤维吸水会导致IR图像变形，纤维的疏水性对于保持一定水平的红外和热辐射屏蔽能力至关重要。使用接触角分析仪评估该复合纤维的水润湿性。如图4所示，不同浓度（0.5、1.5、3.0和4.0 mmol）的PU-ATO（1-4）复合纤维的水接触角均≥130°，显示出疏水性，因此，织物表面上的水滴没有被吸收，而是易于滚落。

图4 PU–ATO复合纤维的水接触角示意图

不同的环境下的PU-ATO复合纤维的红外和热辐射屏蔽性能

为了用作实用的可穿戴纺织品，纺织品必须在不同的环境中保持其红外和热辐射屏蔽性能。

如图5A所示，经过反复暴露在高（+80°C）和低（？20°C）温度下，PU-ATO（3）复合纺织品的表面温度保持稳定。这些结果证实，即使反复暴露在高温和低温条件下，复合纺织品的红外和热辐射屏蔽性能仍然可以保持。

图5B显示了PU-ATO（3）复合纺织品的连续红外和热辐射屏蔽性能。在40°C温度下，每天8小时，共30天，对织物表面温度进行测量。结果发现即使在很长一段时间内，织物的表面温度也保持在25°C左右。

图5 根据温度和时间的变化，反复评估PU–ATO（3）复合纺织品的红外和热辐射屏蔽性能。A, 经过反复加热（+80°C）和冷却（？20°C）循环 PU–ATO（3）复合纺织品的表面温度。B, 每天施加40°C的温度8小时（共30天）后，PU–ATO（3）复合纺织品的表面温度

结论

本篇文章中，研究人员制造了PU-ATO复合纤维，并用其编织了具有IR和热辐射屏蔽性能的耐磨纺织品。同时该纤维具有优异的疏水性，可有效避免纤维吸水导致的IR图像变形。通过反复暴露（十次）于80°C和？20°C的极端温度及在40°C下长期暴露30天证实了PU-ATO复合纤维的可靠性。随着用于隐藏来自物体的红外信号的隐形技术的不断发展，PU-ATO复合纤维有望带动可穿戴式红外隐形产品的新市场。

原文链接：

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