一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维及其制备方法，纤维具有光子带隙匹配结构，为由低折射率聚合物基体材料层和高折射率粉体层交替堆叠形成的拓扑结构，拓扑结构形成分布式布拉格反射镜；低折射率聚合物基体材料层和高折射率粉体层都平行于纤维的长度方向；制备方法为：采用湿法纺丝工艺，包括溶质交换工序和缠绕工序，纺丝液由低折射率聚合物基体材料、高折射率粉体、偶联剂和溶剂构成，溶质交换过程中进行超声辅助，超声辅助为超声发生器按运行5～20s后停止1～10s的规律，沿与纤维运行方向垂直的方向施加周期性超声波。本发明专利技术的方法工艺简单，制得的纤维的红外屏蔽性能好，可调制红外反射率和最大反射波段。可调制红外反射率和最大反射波段。可调制红外反射率和最大反射波段。

【技术实现步骤摘要】
一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维及其制备方法


[0001]本专利技术属新型功能纤维
，涉及一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]红外隐身是指降低或消除武器、单兵作战人员或目标物因自身温度与环境温度差异而产生的红外光特征信号，降低目标向周围环境及进入红外夜视仪的红外信号，使得武器装备、单兵作战人员难以被察觉、追踪、鉴别和攻击，它可有效地增强武器装备的防突性能和单兵作战人员的生存能力，是现代军事领域重要的取胜和克敌技术手段。
[0003]目前美军夜视仪的装备数量和水平已发展到单兵水平，具有红外侦测能力强，清晰度高等特点，赋予美军夜间作战高机动性、高命中率、低伤亡率。高性能红外隐身特种纤维的设计与制备，可以使我军迅速弥补夜战装备的技术劣势，极具实战意义。
[0004]当前，红外隐身技术所用体系大多以涂料形式为主，涂覆到武器装备、作战服或身体表面。隐身涂料由填料和粘合剂组成。填料的形貌结构、颗粒、含量及分散程度等均对红外反射性能有影响。由于红外隐身涂料存在与织物结合不牢、易剥离脱落、稳定性差、耐环境性能差等不足，制约红外隐身技术的发展和应用。
[0005]红外隐身纤维多采用熔融纺丝工艺，将低红外发射率的粉体分散到到高分子纤维中，提高了粉体与基体的粘结力、功能持久性和穿戴舒适性。由于低发射率粉体粒径小、表面能大，在熔融纺丝过程中易团聚形成大颗粒，降低其在高分子中的分散性，削弱红外隐身性能。
[0006]因此研究一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维及其制备方法以解决现有技术中隐身涂料与织物的界面粘接不牢导致的剥落问题、熔纺过程中功能粉体随机分散导致的红外隐身性能调控问题、现有技术制备的红外隐身纤维反射波段分散不可控、反射率低、最大反射率不可调控等导致的红外隐身性能不佳等问题。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维及其制备方法。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，具有光子带隙匹配结构；
[0010]光子带隙匹配结构为由低折射率聚合物基体材料层和高折射率粉体层交替堆叠形成的拓扑结构，拓扑结构形成分布式布拉格反射镜；
[0011]低折射率聚合物基体材料层和高折射率粉体层都平行于纤维的长度方向；
[0012]低折射率聚合物基体材料的折射率为1.40～1.60，高折射率粉体的折射率为2.20～4.20。
[0013]作为优选的技术方案：
[0014]如上所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，高折射率粉体与低折射率聚合物基体材料的折射率之差为0.60～2.80，低折射率聚合物基体材料层和高折射率粉体层的总周期为15～30，总周期的取值范围是基于制备的纤维厚度、光子晶体蒸镀工艺和理论模拟确定的最优的参数，在这个范围内，既可以避免周期过大使得纤维会变粗，导致力学性能下降的问题，又可以避免周期太小，纤维太细，不方便编织的问题。
[0015]如上所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，高折射率粉体为球状粉料或片状粉料，球状粉料的粒径大于7μm，片状粉料的平均厚度为0.01～1μm，等效直径大于7μm；低折射率聚合物基体材料层的厚度为1～5μm；高折射率粉体层的厚度为1～5μm；对于红外波段8～14μm，若想使光线可以发生折射、反射，阻挡物(粉体)必须至少＞对应波长的一半，如此光线才能被粉体反射，而不会使光线直接穿过，因此粉体的直径必须＞4～7μm，为了确保光线被粉体反射，因此球状粉料的粒径和片状粉料的等效直径必须大于7μm。
[0016]如上所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，低折射率聚合物基体材料为聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚丙烯腈或聚酰胺；高折射率粉体为金属硫化物、金属氧化物、金属锑化物、金属硒化物或单质。
[0017]如上所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，金属硫化物为硫化锌(ZnS)；金属氧化物为氧化亚铜(Cu2O)、三氧化二铁(Fe2O3)或氧化钼(MoO3)；金属锑化物为锑化铝(AlSb)或锑化铟(InSb)；金属硒化物为硒化锌(ZnS)；单质为锗(Ge)或硅(Si)。
[0018]如上所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，光子带隙匹配的超结构红外调控纤维的断裂伸长率为20～300％，纤维强力为0.1～2cN/dtex，由其制得的织物在8～14μm的红外波段的平均反射率为26～52％。
[0019]本专利技术还提供一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维的制备方法，采用湿法纺丝工艺，包括溶质交换工序和缠绕工序，纺丝液由低折射率聚合物基体材料、高折射率粉体、偶联剂和溶剂构成，溶质交换过程中进行超声辅助，超声辅助为超声发生器按运行5～20s后停止1～10s的规律，沿与纤维运行方向垂直的方向施加周期性超声波，超声波的功率为40～400W。超声运行时间在这个范围内，可以避免时间过小，导致粉体运动时间短，不能充分运动的问题，也可以避免时间过大，导致粉体运动停止需要的时间更长，影响加工效率的问题。超声停止时间在这个范围内，可以避免时间过小，导致粉体还处于运动的无序状态，不能及时堆叠沉积的问题；也可以避免时间过道，导致粉体完全沉积，不利于实现第二次、第三次等后续运动的问题，一次的堆叠沉积的缺陷要大于多次堆叠沉积，同时也影响加工效率。超声波的功率在这个范围内，既可以避免超声波功率过大，使粉体运动太大，太剧烈，使其从纤维中逸出，分散到凝固浴中的问题，也可以避免超声波功率过大，使凝固浴的温度升高太快，不利于固化的问题，因为温度高，高聚物分子链内聚能大，分子链运动活跃，使其冷却下来需要更多的时间，还可以避免超声波功率太小，粉体运动不充分，达到有效运动所需的时间更大的问题。
[0020]作为优选的技术方案：
[0021]如上所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维的制备方法，偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂或钛酸酯偶联剂。
[0022]如上所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维的制备方法，纺丝液中低折射率聚合物基体材料和高折射率粉体的质量比为100:5～20，质量比在这个范围内，可以避
免高折射率粉体的含量少，导致形成的层状结构有限的问题，也可以避免高折射率粉体的含量过大，使得纤维的成型能力降低，纺丝过程困难，制成的纤维中存在更多缺陷，模量和断裂伸长率降低，偶联剂的质量为高折射率粉体质量的1/10，低折射率聚合物基体材料的质量为溶剂质量的10～25wt％，在这个范围内，既可以避免低折射率聚合物基体材料的含量过低，导致纺丝液太稀，纤维成纤太细容易断裂，力学性能不高的问题，又可以避免低折射率聚合物基体材料的含量过高，导致纺丝液太稠，挤出困难，也不易纺丝加工的问题。
[0023]如上所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维的制备方法，溶质交换工序使用的凝固浴为乙醇的水溶液或盐溶液。
[0024]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，其特征在于，具有光子带隙匹配结构；光子带隙匹配结构为由低折射率聚合物基体材料层和高折射率粉体层交替堆叠形成的拓扑结构，拓扑结构形成分布式布拉格反射镜；低折射率聚合物基体材料层和高折射率粉体层都平行于纤维的长度方向；低折射率聚合物基体材料的折射率为1.40～1.60，高折射率粉体的折射率为2.20～4.20。2.根据权利要求1所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，其特征在于，高折射率粉体与低折射率聚合物基体材料的折射率之差为0.60～2.80，低折射率聚合物基体材料层和高折射率粉体层的总周期为15～30。3.根据权利要求1所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，其特征在于，高折射率粉体为球状粉料或片状粉料，球状粉料的粒径大于7μm，片状粉料的平均厚度为0.01～1μm，等效直径大于7μm；低折射率聚合物基体材料层的厚度为1～5μm；高折射率粉体层的厚度为1～5μm。4.根据权利要求1所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，其特征在于，低折射率聚合物基体材料为聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚丙烯腈或聚酰胺；高折射率粉体为金属硫化物、金属氧化物、金属锑化物、金属硒化物或单质。5.根据权利要求4所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，其特征在于，金属硫化物为硫化锌；金属氧化物为氧化亚铜、三氧化二铁或氧化钼；金属锑化物为锑化铝或锑化铟；金属硒化物为硒化锌；单质为锗或硅。6.根据权利要求1所述的一种光子带隙匹配的超结构红外调控纤维，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，王凯歌，刘君，韩杏波，肖茹，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：