論文信息：

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).

論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsapm.5c00910

研究背景

現代軍事行動需要能夠自適應多光譜偽裝和電磁干擾(EMI)屏蔽的先進材料，以確保在動態環境中的生存能力。在此，我們提出了一種雙層智能多功能偽裝紡織品(BSCT)，該紡織品將熱致變色纖維素氣凝膠纖維(TC-CAFs)與碳纖維氈相結合，以實現自適應可見光和紅外偽裝。TC-CAFs采用熱致變色微膠囊和氧化鐵納米顆粒，在35°C以上實現快速顏色轉換(6 - 12秒)，實現動態可見偽裝，而其納米多孔結構確保低導熱系數(0.0327 W/m·K)，提供有效的紅外隱身。在孔隙率超過90%的情況下，TC-CAFs的抗拉強度為7.09 MPa，在編織成柔性織物時保持了結構的完整性。碳纖維層的功能為on-的焦耳加熱器在<6 V的低電壓下需要熱致變色激活，并提供卓越的EMI屏蔽效率(> 48db在8.2 - 18.0 GHz)，衰減99.998%的入射波。通過將動態可見偽裝、熱紅外隱身和EMI屏蔽在靈活透氣的紡織品中協同作用，這項工作為現代戰爭場景中的下一代防護裝備提供了一種變革性的解決方案。

研究內容

本研究通過開發一種由熱致變色纖維素氣凝膠纖維(TC-CAFs)和碳纖維氈組成的雙層智能多功能偽裝紡織品(BSCT)來解決這些挑戰。TC-CAF層集成了熱致變色微膠囊和氧化鐵(III)納米顆粒，使溫度響應的顏色轉換(35°C閾值)能夠匹配不同的地形，而其納米多孔結構確保了卓越的隔熱性能(0.0327 W/m·K)。通過甲基三甲氧基硅烷(MTMS)氣相沉積的疏水改性增強了抗濕性，在潮濕條件下保持結構完整性。下面的碳纖維層具有雙重作用:作為快速熱致變色激活的焦耳加熱器，并通過其導電網絡提供EMI屏蔽效果(>在X/Ku波段48 dB)。通過結合這些創新，BSCT在一個靈活、透氣的紡織品平臺內實現了動態可見偽裝、熱IR隱身和EMI屏蔽。這里建立的設計原則和性能指標為為現代戰場環境量身定制的下一代紡織品提供了基礎。

如圖1a所示。頂層的熱致變色纖維素氣凝膠織物(圖1f)提供了溫度響應的可見光偽裝和低導熱性，可實現有效的紅外掩蔽。圖1b顯示了TC-CAFs的微觀結構，揭示了一個高度互聯的3D網絡，為嵌入的顆粒提供了強大的支持。納米多孔結構和高孔隙率有助于基于Knudsen效應的氣凝膠纖維具有優異的隔熱性能。SEM顯微圖還顯示，熱致變色微膠囊的尺寸約為1?2 μm，在整個制備過程中保持其球形。這些顆粒很好地分散在氣凝膠相中，沒有明顯的聚集，確保了纖維上均勻的顏色分布。在室溫下，氣凝膠纖維呈現均勻的綠色(圖1c)，在35℃以上轉變為黃色(圖1d)。這種熱致變色行為是由嵌入的熱-引起的鉻微膠囊，在熱刺激下改變其光學特性。

圖1。(a) BSCT的制作過程示意圖。(b)含有熱致變色顆粒的纖維素氣凝膠纖維的橫截面SEM顯微照片，插圖說明了整個橫截面結構。熱致變色氣凝膠纖維變色前和變色后的照片(c)。(e)水接觸角測量顯示BSCT的疏水改性。(f) BSCT前后表面的照片。

圖2a為紙漿和CAFs的XRD圖。紙漿、CAFs和TC-CAFs的FTIR光譜如圖2b所示。三種材料均表現出類似纖維素的特征吸收峰。采用熱重分析(TGA)評估TC-CAFs的熱穩定性，結果如圖2c所示。隨著纖維素含量的增加，纖維密度上升，孔隙率降低(圖3d)。這是由于在較高的紡絲溶液濃度下形成了更致密的纖維素骨架網絡，SEM顯微照片證實了這一點。研究了紡絲溶液中纖維素濃度對所得氣凝膠力學性能的影響，如圖2e、f所示。隨著纖維素濃度的增加，CAFs的抗拉強度和楊氏模量都顯著增加。這種增強主要歸因于孔隙率的降低，從而增強了纖維結構。隨著孔隙度的降低，纖維素網絡變得更加致密，減少了結構缺陷，增加了單位體積的承重纖維素鏈的數量。這提高了應力傳遞效率，增強了拉伸載荷下的抗變形能力。

圖2。(a) CAFs和紙漿的XRD譜圖。(b)熱致變色顆粒、TC-CAFs、CAFs和紙漿的FTIR光譜。(c) TC-CAFs和紙漿的TGA曲線。(d)CAFs和TC-CAFs的密度和孔隙率。(e)不同濃度的纖維素溶液制備的CAFs和TC-CAFs的拉伸應力-應變曲線和(f)拉伸強度和楊氏模量。

如圖3a所示，將氧化鐵(III)一水化合物的比例從0.5增加到1，雙層迷彩織物的顏色逐漸從亮綠色轉變為黃綠色。為了定量分析這種顏色轉變，反射光譜和CIE 1931色度圖(國際照明委員會定義的1931年色彩空間)被用來將視覺感知的顏色變化與儀器測量值聯系起來。在反射光譜中(圖3b)，534nm處的初始反射峰隨著比例逐漸移至578 nm一水氧化鐵(III)從0.5增加到1，與觀察到的顏色從亮綠色到黃綠色的轉變一致。CIE 1931色度圖中相應的顏色坐標進一步證實了這種變化(圖3c)。氣凝膠織物的可調顏色增強了其與綠色環境(如森林和草原)無縫融合的能力，提供了有效的偽裝(圖3d)。如圖3g所示，在分別施加4、5和6V的電壓下，雙層偽裝織物可以快速加熱到46.2、61.1和85.2°C。例如，在5v電壓下達到穩態溫度只需要90s(圖3h)。此外，織物表現出優異的耐用性，在重復循環中保持一致的加熱性能。

圖3。(a)含有不同質量比的熱致變色微膠囊與一水氧化鐵(III)的BSCT織物顏色變化(2:1,3:2,5:4和1:1)。(b)不同熱致變色成分BSCT的反射光譜和(c) CIE 1931色度圖。BSCT在實際和模擬環境中溫度(d)低于35°C和(e)高于35°C時的偽裝性能。(f)在<6 v的焦耳加熱下BSCT從綠色到黃色的動態顏色轉變。(g)不同施加電壓下BSCT的平衡表面溫度。(h) 5v加熱和冷卻時BSCT隨時間的溫度響應。(i) 20個循環BSCT焦耳加熱性能的穩定性。

為了量化TC-CAF層的保溫效果，我們測量了其導熱系數，其導熱系數較低，為0.0327 W/m·K，顯著低于尼龍(0.1089 W/m·K)、棉花(0.0858 W/m·K)、亞麻(0.0813 W/m·K)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)(0.1125 W/m·K)如圖4b所示。系統的復雜性，整個紡織品的導熱性沒有直接測量。然而，雙層設計增加了厚度(與單層TC-CAF的厚度~0.6 mm相比，厚度為~ 1.0 mm)，提供了增強的耐熱性。此外，紅外熱成像圖像(圖4a,c)進一步證實，在相同的熱源下，在1.0±0.1 mm的相似厚度下，BSCT織物的表面溫度明顯低于傳統材料，如尼龍織物和亞麻織物。IR進一步驗證了這一效果(圖4d)，其中覆蓋著BSCT的人的手臂與周圍環境的熱對比最小，有效地掩蓋了其熱特征。這些結果證明了雙層織物在先進熱紅外偽裝應用方面的潛力，特別是在個人穿著領域，在各種作戰環境中提供卓越的隱身性能。

圖4。(a)商用尼龍、亞麻織物和TC-CAFs織物放在50°C加熱板上的紅外熱成像和光學照片。(b)樣品的熱導率。(c)加熱板與不同織物表面在40 ~ 60℃范圍內的溫差。(d) BSCT對人手掌的熱紅外隱身效果。

本研究中開發的雙層織物通過碳纖維氈層集成了EMI屏蔽能力(圖5a)，同時保持了自適應可見光和IR偽裝、靈活性和透氣性，這些特點特別適合單兵防護服。利用矢量網絡分析儀在8.2 ~18.0 GHz的頻率范圍內對雙層結構的EMI屏蔽性能進行了評估，該頻率范圍涵蓋了雷達和通信系統中常用的x波段和ku波段。如圖5b所示，雙分子層織物顯示出卓越的總EMI屏蔽效能，在測試頻率范圍內超過48 dB，對應于入射電磁波的衰減超過99.998%。進一步驗證了雙層織物在實際應用中的實際有效性。如圖5d所示，該紡織品顯著降低了藍牙耳機的電磁輻射，將強度從16.5 μW/cm降低到6.4 μW/cm2——相當于環境背景水平。此外，在無線充電場景中(圖5e)，雖然相同厚度的紙巾無法干擾智能手表充電，但雙層紡織品成功阻擋了信號，阻止了充電。高EMI屏蔽效能、自適應可見光和紅外偽裝的結合，使這種材料成為現代戰爭環境中防護服和戰場可部署屏蔽解決方案的理想選擇。

圖5。(a) BSCT的EMI屏蔽機理示意圖。(b) BSCT在x波段和ku波段的EMI屏蔽性能和(c)功率系數。BSCT的演示(d)減少無線藍牙耳機的電磁輻射和(e)阻止智能手表的無線充電。

結論與展望

在這項研究中，成功開發了一種雙層智能多功能偽裝紡織品，以解決軍事應用中自適應多光譜隱身和EMI屏蔽的關鍵需求。TC-CAFs與碳纖維氈的集成通過溫度響應顏色轉換(35°C閾值)實現了動態可見偽裝，在6 - 12秒內實現了綠色和黃色之間的快速切換。TC-CAF層的納米多孔結構提供了出色的隔熱性能(0.0327 W/m·K)，顯著降低了紅外特征，而基于mtms的疏水改性確保了結構在潮濕環境中的穩定性。同時，碳纖維層通過導電網絡提供了強大的EMI屏蔽(X/Ku波段>48 dB)，并作為可編程熱致變色激活的焦耳加熱器。通過將可見光適應性、紅外隱身和EMI保護統一在一個平臺上，BSCT彌合了先進多光譜偽裝和可穿戴功能之間的差距。這一創新為下一代紡織品建立了一個基礎框架，以適應現代戰爭和電子密集型環境不斷變化的需求。