红外隐身纳米复合材料及其力热电调控

Infra-red stealth materials are of great importance for infrared sealth technology, and have extensive applications in infrared stealth cloaks, shelter tents, energy-saving smart windows, as well as thermo control of aircrafts, etc. Taking the advantages of mordern technology, such as electrospinning, that combines the properties of constituent materials in nano scale, and may presents newly properties desired. The project applied endeavors to attain the objective of high-performance infra-red stealth nano composite or fabrics with low infra-red emmisivity and thermal stability, via the employment of proper consituents, and processing conditions. The mechanical behavior of the naocomposites will be studed systematically, togther with the stress/strain induced changes of the infrared properties. Therefore, nano composites or fabrics with combined infrared stealth and mechanical behavior can be obtained. Studies on the microstructure evolution and infrared emissivity under mechanical-thermo-electrical fields are to be carried out for the infrared stealth nano composites. The regulated range of the infra-red emmisivity will be obtained for the polymer-based nanocomposites. Combining disciplines of the micromechanics, nanomechanics, material science, electromagnetics, and infrared microscopy, mechanisms for the mechanical-thermo-electrical control of the polymer based nanocoposites or fabrics will be studied theoretically and methamatically. The results would be of great importance for both the deepening and broadening of the disciplines of “Mechanics on smart Materials” and “Mechanics on micro-and nano Scales”, “Mechanics of composite materials”, as well as for probable civil and military applications.

红外隐身材料是红外隐身技术的重要支撑和有效保障，在隐身斗篷、掩体战篷、节能窗户，以及飞行器热控制等方面有着重要的应用。通过合理筛选聚合物基体和添加物，利用静电纺丝等能够获得纳米尺度复合与改性复合材料或织物的方法或技术，研究制备具有低红外发射率和热稳定性良好的纳米复合材料或织物；研究红外隐身纳米复合材料的力学性能，和应力/应变调控下复合材料的红外隐身特性，得到兼具优良红外隐身以及力学性能的纳米复合材料或织物；研究力、电、热场下纳米复合材料或织物的结构演化以及红外发射性能，得到外场下红外发射性能的调控规律和调控范围；结合微观力学、纳观力学和材料学、电磁学、红外光学分析，对红外隐身纳米复合材料或织物进行外场下的智能调控机制进行理论分析与计算。研究成果拓展微纳米力学、智能材料力学、复合材料力学学科内涵，并具有军民融合应用前景。

红外隐身材料是红外隐身技术的重要支撑和有效保障，不仅可应用于隐身领域，在节能环保和个人热管理等领域也有着重要的应用。项目主要致力于两个途径来提升和改善复合材料纳米纤维和织物的隐身性能与热管理能力，即降低热导率和红外发射率。在降低热导率方面，我们研制了具有自组装多层次、跨尺度孔隙结构的仿生纤维和织物（PU/PVDF），在孔隙率为57 %的时热导率为0.07 W/mK，与牛皮相当；织物同时具有优良的力学性能、断裂强度达10MPa，延伸率达400%以上。为了进一步降低热导率，我们利用同轴纺丝制备了空心PU/SiO2纤维与织物，其热导率进一步降低，为0.037 W/mK，延伸率达580 %，但强度有所下降。在降低红外发射率方面，我们在多种聚合物基体中添加金属纳米颗粒或薄片以及CNT、相变材料等，获得织物的红外发射率最低为0.4。低热导率材料与低发射率材料的结合不仅可以获得优良的红外隐身性能，而且在人体热管理方面也取得了有成效的工作。进行了纤维与织物的热力电调控研究。热调控方面，研究的自适应隐身膜ATO/PAN-VO2在30-90oC范围，发射率的调控范围达0.35。在力调控方面，我们仿照头足类表皮结构，制备了二维和三维褶皱结构，并进一步利用牺牲层技术获得了多尺度褶皱膜，力调控下的红外发射率变化范围达0.31；电调控方面是针对低发射织物在人体热管理方面的应用，在环境温度为18 oC时仅施加0.6 V的电压，就能使人工模拟皮肤（27.4 oC）升温到58 oC。理论研究方面，我们分析和计算了微结构对电磁场的分布，以及红外发射率和热通量的影响，研究结果与实验吻合良好。此外，我们还研究了具有频率选择吸收功能的超材料，可以实现在3-5 m 和 8-14 m 的红外大气窗口波段，超材料发射率随温度进行调控，调控范围达0.3；在5-8 m大气吸收波段则能有效地散热，从而提升其时间稳定性。研究成果拓展微纳米力学、智能材料力学、复合材料力学学科内涵，具有军民融合应用前景。