2002年評(píng)為無錫市高新技術(shù)企業(yè)、2007年評(píng)為江蘇省高新技術(shù)企業(yè),并通過ISO9001認(rèn)證,AAA級(jí)資信企業(yè)
文章編號(hào) | 1009-265X(2022)01-0061-09
來源 | 《現(xiàn)代紡織技術(shù)》2022年第30卷，第1期，
作者 | 趙洪杰，祝成炎，金肖克，翁小霞，田 偉
( 浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 )
作者簡(jiǎn)介 | 趙洪杰(1996-)，男，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事紅外隱身紡織材料方面的研究。
定型機(jī)、涂層機(jī)專業(yè)生成廠家無錫前洲興華機(jī)械2022年4月8日訊 為制備一種紅外隱身復(fù)合材料，以低發(fā)射率機(jī)織物作為上下表層，隔熱涂層作為中間層，采用熱壓工藝得到了一種三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。其中低發(fā)射率機(jī)織物選取FDY滌綸長(zhǎng)絲為經(jīng)紗，鍍銀尼龍長(zhǎng)絲為緯紗；隔熱涂層選取表面改性的SiO?氣凝膠為功能填料，E51環(huán)氧樹脂為成膜劑。對(duì)鍍銀纖維和SiO?氣凝膠顆粒的形貌結(jié)構(gòu)、機(jī)織物的紅外發(fā)射率、隔熱涂層膜的導(dǎo)熱系數(shù)、復(fù)合材料的紅外隱身性能等進(jìn)行了測(cè)試與分析，確定了最佳工藝條件。結(jié)果表明：當(dāng)SiO?氣凝膠粒徑為15 μm、在涂層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，涂層膜的隔熱性能最好，導(dǎo)熱系數(shù)低至0.05835 W/(m·K)，同時(shí)對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的紅外隱身效果最好，使用復(fù)合材料偽裝熱源目標(biāo)并用熱紅外成像儀進(jìn)行測(cè)試，可以得出材料表面與周圍環(huán)境的圖像灰度差和紅外輻射溫度差最小。
關(guān)鍵詞 低發(fā)射率機(jī)織物；SiO?氣凝膠；隔熱涂層；三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；紅外隱身性能
紅外隱身技術(shù)是指通過減小目標(biāo)與環(huán)境的紅外輻射強(qiáng)度差，使紅外偵察設(shè)備不能或不易偵查到目標(biāo)單位，從而達(dá)到紅外隱身的效果[1]。但隨著紅外探測(cè)技術(shù)的不斷提高，尤其是紅外感溫探測(cè)儀和熱紅外成像儀不斷的智能和精準(zhǔn)化，必須通過更高效的紅外隱身技術(shù)來降低軍事目標(biāo)被偵探到的概率[2]。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律可知，物體的紅外輻射強(qiáng)度大小主要取決于其表面的溫度和發(fā)射率，在目標(biāo)表面溫度接近環(huán)境溫度時(shí)，發(fā)射率起主要作用；當(dāng)目標(biāo)表面溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度時(shí)，溫度對(duì)紅外輻射強(qiáng)度的影響則更大[3]。目前，紅外隱身紡織材料的制備多采用降低發(fā)射率的方式，如在織物表面涂覆低發(fā)射率涂層、使用低發(fā)射率紗線織造成布等，使用這些紅外隱身材料偽裝目標(biāo)，雖能實(shí)現(xiàn)一定的紅外隱身效果[4]，但隨著目標(biāo)表面溫度的提高，紅外隱身效果會(huì)逐漸變差。就當(dāng)前的研究來看，單一降低目標(biāo)的紅外發(fā)射率不能達(dá)到理想的紅外隱身效果，因此紅外隱身材料的研究需要從控制溫度和降低發(fā)射率兩個(gè)方面著手，要求紅外隱身材料不僅具有低紅外發(fā)射率，而且具有一定的隔熱性能。
由于金屬有著較低的紅外發(fā)射率，纖維表面通過鍍金屬層能有效地降低其紅外發(fā)射率[5]，在眾多金屬中，銀的發(fā)射率低至0.02，鍍銀纖維有著較低的發(fā)射率，可以應(yīng)用于紅外隱身紡織材料上。Chu等[6]采用真空熱壓法制備了銀粒子改性碳納米管紙/玻璃鋼復(fù)合材料，用少量銀子改性后，復(fù)合材料的紅外發(fā)射率從0.45降到0.20，說明金屬銀能有效降低材料的發(fā)射率。SiO?氣凝膠為多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，具有納米級(jí)別的孔徑和極高孔隙率，這種結(jié)構(gòu)使它能夠有效限制氣態(tài)和固態(tài)熱傳導(dǎo)，因此有著極低的導(dǎo)熱系數(shù)，是目前隔熱性能最好的固體材料之一[7-8]。劉國(guó)熠等[9]制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO?氣凝膠單層涂層柔性紡織復(fù)合材料，對(duì)比分析得出氣凝膠含量的增加可以提高材料的隔熱性能。另外有研究表明納米微粒的尺寸小于紅外波長(zhǎng)，對(duì)紅外波的透過率要明顯大于其他物質(zhì)，這就使得它對(duì)紅外波的反射率大大減小，對(duì)紅外波長(zhǎng)有吸收特性[10-11]，因此SiO?氣凝膠對(duì)于中遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)有較強(qiáng)的吸收特性，可以應(yīng)用于紅外隱身方面。
本文從低紅外發(fā)射率和控制溫度兩方面出發(fā)，制備了一種紅外隱身復(fù)合材料。首先選取FDY滌綸長(zhǎng)絲作為經(jīng)紗，鍍銀尼龍長(zhǎng)絲作為緯紗，制備了一種機(jī)織物；隨后選用硅烷偶聯(lián)劑表面改性的SiO?氣凝膠作為功能填料，與E51環(huán)氧樹脂復(fù)合制備了隔熱涂層，并對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析；最后以機(jī)織物作為上下表層，隔熱涂層作為中間層，采用熱壓工藝制備了一種兼具低紅外發(fā)射率和良好隔熱性能的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，復(fù)合材料具有較好的紅外隱身性能和隔熱性能，不僅可以應(yīng)用于軍事隱身領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于煉鋼、消防等高溫環(huán)境的熱防護(hù)，具有一定的研究意義。
實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
紗線：FDY滌綸長(zhǎng)絲(纖度5.56 tex，直徑0.089 mm，杭州碩林紡織有限公司)；鍍銀尼龍長(zhǎng)絲(纖度15.56 tex，直徑0.327 mm，紹興運(yùn)佳紡織品有限公司)；
功能填料：SiO?氣凝膠粉末(粒徑100 μm，廊坊雨田環(huán)?？萍加邢薰?；SiO?氣凝膠粉末(粒徑15 μm和50 μm，深圳中凝科技有限公司)；
樹脂及固化劑：環(huán)氧樹脂(E51(618)，上海奧屯化工科技有限責(zé)任公司)；593固化劑(上海奧屯化工科技有限責(zé)任公司)；
溶劑和助劑：KH560(γ-(2,3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，杭州米克化工儀器有限公司)；冰醋酸(乙酸，浙江騰宇新材料科技有限公司)；無水乙醇；去離子水。
1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
DZF-6050型真空干燥箱(揚(yáng)州慧科電子有限公司)；遠(yuǎn)紅外放射率測(cè)試儀(上海滬羽機(jī)電科技有限公司)；GeminiSEM500型號(hào)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(德國(guó)卡爾蔡司公司)；QLB-25T型半自動(dòng)平板硫化機(jī)(江蘇無錫市中凱橡膠機(jī)械有限公司)；傅里葉紅外光譜儀(布魯克光譜儀器有限公司)；TPS-2500S型Hot Disk熱常數(shù)分析儀(瑞典凱戈納斯有限公司)；E5 XT型熱紅外成像儀(前視紅外光電科技(上海)有限公司)。
實(shí)驗(yàn)方法
2.1 低發(fā)射率機(jī)織物制備
由于鍍銀長(zhǎng)絲強(qiáng)力較小很難作為經(jīng)紗上機(jī)織造，所以經(jīng)紗選用FDY滌綸長(zhǎng)絲，緯紗選用鍍銀尼龍長(zhǎng)絲。經(jīng)了解，織物孔徑越小，通過織物空隙透出的紅外輻射強(qiáng)度越小，紅外隱身效果就越好[12]，所以要保證機(jī)織物具有較小孔徑。
平紋織物在相同紗線循環(huán)數(shù)中交織次數(shù)最大，平均浮長(zhǎng)最短，所以在其他條件相同情況下，平紋織物的孔徑最小且最為緊密[13]，故織物組織設(shè)置為平紋組織?？椢锞o度越大，孔隙越小，根據(jù)緊度計(jì)算公式可知，在紗線直徑一定的情況下，織物緯向緊度與緯密成正比[14]。所以為了保證織物的緊度較大，鍍銀織物的經(jīng)緯密設(shè)置為1100×300根/10 cm，同時(shí)設(shè)置純滌綸織物作為對(duì)照組，并保證織物緊度與鍍銀織物一致，具體參數(shù)見表1。
表1 機(jī)織物的設(shè)計(jì)參數(shù)
Tab.1 Design parameters of woven fabrics
2.2 隔熱涂層的制備
2.2.1 SiO?氣凝膠的改性處理
SiO?氣凝膠由于粒徑小，表面能大易團(tuán)聚，與環(huán)氧樹脂的相容性較差，為了促進(jìn)氣凝膠在樹脂中分散，改善其與環(huán)氧樹脂的親和力，需要對(duì)其進(jìn)行表面改性處理[15]。硅烷偶聯(lián)劑KH560含有甲氧基基團(tuán)，在醇溶液中水解后能產(chǎn)生硅羥基并與SiO?氣凝膠表面的羥基鍵合，使SiO?氣凝膠表面接支偶聯(lián)劑，KH560偶聯(lián)劑分子同時(shí)還存在親有機(jī)材料的環(huán)氧基團(tuán)，根據(jù)相似相溶原理，它與環(huán)氧樹脂有較好的相容性，能夠使氣凝膠顆粒在涂層中分散得更均勻[16]，改性實(shí)驗(yàn)工藝如下：
稱取一定量的乙醇溶液，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的SiO?氣凝膠粉末，常溫下用KQ-5200DE型數(shù)控超聲波清洗器超聲分散30 min，得到均勻懸浮液，加入少量冰醋酸調(diào)節(jié)pH為5左右，再向其中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的硅烷偶聯(lián)劑KH560，在水浴鍋 50 ℃ 下攪拌30 min使其充分反應(yīng)，得到均勻的改性SiO?氣凝膠醇溶液，去除溶劑并烘干得到改性后的SiO?氣凝膠粉末。
2.2.2 制備隔熱涂層
稱取一定量的環(huán)氧樹脂在水浴鍋70 ℃下預(yù)熱15 min增加其流動(dòng)性，加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性SiO?氣凝膠粉末，使用電動(dòng)攪拌器攪拌30 min使其混合均勻，待樹脂冷卻到常溫，按照1∶5的比例加入固化劑，攪拌15 min得到質(zhì)地均勻的涂層。
為了探究氣凝膠粒徑大小和添加量對(duì)涂層隔熱性能的影響，制備了8種涂層膜。每次稱取8 g的涂層液鋪滿整個(gè)塑料皿，并保持表面平整，常溫固化48 h得到質(zhì)地均勻的涂層膜，制備過程如圖1所示。
圖1 SiO?氣凝膠改性前后的紅外光譜圖
Fig.1 Infrared spectra of SiO? aerogel before
and after modification
根據(jù)氣凝膠粒徑大小制備了3種涂層膜編號(hào)a1～a3，氣凝膠的粒徑分別為15、50、100 μm；根據(jù)SiO?氣凝膠在涂層中的添加量制備了5種不同濃度的涂層膜b?～b? 。為了方便對(duì)比，其中a1與b3為同一種涂層，b0為純環(huán)氧樹脂作為空白對(duì)照，具體參數(shù)見表2。
表2 不同涂層的工藝參數(shù)
Tab.2 Process parameters of different coatings
2.3 三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備
將a、b兩組8種不同的涂層均勻涂覆在10 cm×10 cm織物中間層，使用平板硫化儀熱壓成型，制得機(jī)織物/隔熱涂層三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，為了保證復(fù)合材料的厚度為2 mm，選用2 mm的墊片，熱壓參數(shù)設(shè)置為溫度160 ℃，壓強(qiáng)1 MPa，熱壓時(shí)間 5 min，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)如圖2所示。制備的復(fù)合材料如圖3所示。
圖2 隔熱涂層膜的制備過程
Fig.2 Preparation process of thermal
insulation coating films
圖3 三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)
Fig.3 Sandwich structure composite structure
性能表征
3.1 形貌表征
使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察鍍銀尼龍纖維和SiO?氣凝膠顆粒的表面形貌，分析纖維和氣凝膠的形貌結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。
3.2 機(jī)織物紅外發(fā)射率測(cè)試
參照GB/T 30127—2013《紡織品遠(yuǎn)紅外性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》，使用遠(yuǎn)紅外放射率測(cè)試儀對(duì)鍍銀織物和純滌綸織物進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)樣品測(cè)試3次取平均值。
3.3 涂層膜隔熱性能的測(cè)試
使用Hot Disk熱常數(shù)分析儀對(duì)不同種類的涂層膜樣品進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試，測(cè)試方法為瞬態(tài)平面熱源法，探頭選用7577號(hào)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為20 ℃，每個(gè)樣品測(cè)試3次取平均值。
3.4 熱紅外隱身性能的表征
利用樣品材料來偽裝熱源目標(biāo)，并使用熱紅外成像儀來探究紅外隱身效果的好壞。具體測(cè)試操作步驟：將樣品材料鋪放在恒溫加熱臺(tái)上，5 min后采用熱紅外成像儀垂直拍攝，每次拍攝都保持熱成像儀與樣品的距離保持為1 m。將紅外熱像圖導(dǎo)入FLIR Tools軟件中得到圖像上所有區(qū)域的輻射溫度，通過對(duì)比不同圖像中樣品材料表面與周圍環(huán)境的圖像灰度差和紅外輻射溫度差來比較紅外隱身性能好壞，圖像灰度差和紅外輻射溫度差越小，說明材料的紅外隱身效果越好。
結(jié)果與分析
4.1 鍍銀纖維及SiO?氣凝膠顆粒的表面形貌
圖4為鍍銀尼龍纖維和SiO?氣凝膠顆粒的掃描電鏡圖，從圖4(a)可以看出，鍍銀纖維表面附著了大量銀顆粒，因?yàn)榻饘巽y的發(fā)射率低至0.02左右，所以鍍銀纖維與一般纖維相比有較低發(fā)射率。圖4(b)為粒徑大小15 μm的SiO?氣凝膠顆粒，從其表面形貌可以看出SiO?氣凝膠顆粒為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較高的孔隙率。在氣相傳導(dǎo)方面，由于空氣分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程要大于氣凝膠的孔徑，這就嚴(yán)重限制了空氣分子的自由運(yùn)動(dòng)，存在于SiO?氣凝膠內(nèi)部孔隙的空氣分子很難發(fā)生碰撞，故氣體的熱傳導(dǎo)受到限制；在固相傳導(dǎo)方面，氣凝膠復(fù)雜的三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了傳熱路徑，增加了固相傳熱的復(fù)雜性。因此SiO?氣凝膠這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使它有著極小的導(dǎo)熱系數(shù)，可以被廣泛應(yīng)用于隔熱防護(hù)領(lǐng)域。
4.2 改性前后SiO?氣凝膠的紅外分析
為分析SiO?氣凝膠的改性效果，采用傅里葉紅外光譜儀對(duì)改性前后的SiO?氣凝膠粉末進(jìn)行測(cè)試，紅外光譜如圖5所示。
如圖5所示，對(duì)比改性前后氣凝膠的紅外光譜曲線可以發(fā)現(xiàn)，改性SiO?氣凝膠在2970 cm^-1處的—CH?伸縮振動(dòng)峰明顯增強(qiáng)，并且在1410 cm^-1處出現(xiàn)了—CH?—伸縮振動(dòng)峰，因?yàn)榕悸?lián)劑KH560中存在亞甲基和甲基，所以說明偶聯(lián)劑KH560成功接支在了SiO?氣凝膠上；改性后的曲線在1080 cm^-1處的Si—O—Si反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和850 cm^-1處的Si—O—Si對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰較未改性之前明顯增強(qiáng)，這是由于偶聯(lián)劑KH560發(fā)生水解產(chǎn)生Si—OH基團(tuán)，進(jìn)一步與SiO?氣凝膠的Si—OH基團(tuán)反應(yīng)形成Si—O—Si基團(tuán)，使其振動(dòng)峰增強(qiáng)。其中改性實(shí)驗(yàn)原理如下：
圖5 鍍銀纖維和不同粒徑SiO?氣凝膠的表面形貌
Fig.5 Surface morphology of silver-plated fiber
and SiO? aerogel with different particle sizes
a)偶聯(lián)劑KH560中與硅相連的3個(gè)甲氧基水解成硅羥基：
b)硅羥基之間脫水縮合成含Si—OH的低聚硅氧烷：
c)低聚物與SiO?氣凝膠表面的Si—OH形成氫鍵并進(jìn)一步脫水形成Si—O—Si基團(tuán)：
4.3 機(jī)織物紅外發(fā)射率的分析
采用遠(yuǎn)紅外放射率測(cè)試儀對(duì)機(jī)織物的紅外發(fā)射率進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見表3。
表3 機(jī)織物紅外發(fā)射率的測(cè)試結(jié)果
Tab.3 Test result of infrared emissivity of woven fabric
從表3中可知，在兩種機(jī)織物組織、緊度一定的情況下，鍍銀織物的紅外發(fā)射率為0.749左右，對(duì)照組純滌綸織物的紅外發(fā)射率為0.828左右，說明選取低發(fā)射率的鍍銀紗線作為緯紗，制備的機(jī)織物具有更低的紅外發(fā)射率。
4.4 SiO?氣凝膠粒徑大小對(duì)涂層膜隔熱性能和復(fù)合材料紅外隱身性能的影響
4.4.1 SiO?氣凝膠粒徑大小對(duì)涂層膜隔熱性能的影響
為探究氣凝膠粒徑大小對(duì)涂層膜隔熱性能的影響，使用Hot Disk熱常數(shù)儀對(duì)樣品a1～a3 的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其中a1～a3分別為粒徑大小為15、50、100 μm的SiO?氣凝膠涂層膜，每個(gè)樣品測(cè)試3次取平均值，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。
圖6 不同粒徑SiO?氣凝膠隔熱涂層膜的導(dǎo)熱系數(shù)
Fig.6 Thermal conductivity of SiO? aerogel thermal
insulation coating films with different particle sizes
從圖6可以看出，樣品a1的導(dǎo)熱系數(shù)最小，a2次之，a3最大，但a?與a3差異不大，即隨著SiO?氣凝膠粒徑的增大，涂層膜的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。一方面是因?yàn)?，SiO?氣凝膠在環(huán)氧樹脂中能夠形成熱阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而降低涂層膜的導(dǎo)熱系數(shù)，一旦氣凝膠分散不均勻成聚集狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)熱短路現(xiàn)象，大大降低了涂層的隔熱性能。有研究表明，粒子粒徑越小，其布朗運(yùn)動(dòng)越劇烈，擴(kuò)散系數(shù)越大，在流體中越不易團(tuán)聚和沉積，分散穩(wěn)定性越好[17-18]，所以粒徑小的SiO?氣凝膠顆粒在涂層中的分散性更均勻，涂層的隔熱性能也越好；另一方面是因?yàn)樾×降腟iO?氣凝膠顆粒比表面積更大，相應(yīng)的界面熱阻也更大，隨著氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，這種熱阻差異會(huì)更明顯，所以粒徑小的SiO?氣凝膠涂層膜隔熱性能相對(duì)更好。
4.4.2 SiO?氣凝膠粒徑大小對(duì)復(fù)合材料紅外隱身性能的影響
如圖7(a)～圖7(c)所示，分別為粒徑大小為15、50、100 μm的SiO?氣凝膠復(fù)合材料紅外熱像圖，分別用A1、A2和A3表示。圖7中Bx1區(qū)域表示復(fù)合材料表面的紅外輻射溫度，Bx2區(qū)域表示熱源目標(biāo)的紅外輻射溫度，Bx3區(qū)域表示周圍環(huán)境的紅外輻射溫度，通過Bx1和Bx3的圖像灰度差和紅外輻射平均溫差來比較不同樣品紅外隱身效果的好壞。
從圖7可以看出，復(fù)合材料A1表面與周圍環(huán)境的圖像灰度差和紅外輻射溫度差最小，A3最大，A1～A3的紅外輻射溫度差分別為3、3.3 ℃和 3.7 ℃，即三者的紅外隱身效果A1>A2>A3，但差異不是很大，這是因?yàn)殡S著粒徑的減小，涂層的導(dǎo)熱系數(shù)也小幅度減小，對(duì)熱源目標(biāo)的熱量傳遞阻隔更大，因此對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的紅外隱身效果也相對(duì)更好。
4.5 SiO?氣凝膠含量對(duì)涂層膜隔熱性能及復(fù)合材料紅外隱身性能的影響
4.5.1 SiO?氣凝膠添加量對(duì)涂層膜隔熱性能的影響
如圖8所示為SiO?氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、3%、6%、9%、12%的涂層膜導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比圖，5種涂層膜分別用b0～b4表示。
圖8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO2氣凝膠隔熱涂層膜的
導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比
Fig.8 Comparison of thermal conductivity of SiO2
aerogel thermal insulation coating films with
different mass fractions
從圖8可以看出，純環(huán)氧樹脂涂層膜b?導(dǎo)熱系數(shù)為0.1985 W/m·K，隔熱性能較差，隨著SiO?氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，涂層膜的導(dǎo)熱系數(shù)減小，隔熱性能逐漸變好，當(dāng)氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，樣品b4的導(dǎo)熱系數(shù)低至0.05835 W/m·K。由于SiO?氣凝膠顆粒的熱阻極大，當(dāng)熱量在涂層內(nèi)部傳遞時(shí)，SiO?氣凝膠顆粒延長(zhǎng)了傳熱路徑，從而大大降低了涂層膜的熱導(dǎo)率，氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，這種隔熱效果越明顯，因此涂層膜的隔熱性能隨著SiO?氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而提高。
4.5.2 SiO?氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料紅外隱身性能的影響
如圖9(a)～圖9(e)所示為SiO?氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、3%、6%、9%、12%的5種復(fù)合材料紅外熱像圖，分別用B?～B?表示。
從圖9可以看出，復(fù)合材料B0～B4表面與周圍環(huán)境的圖像灰度差和紅外輻射溫度差逐漸減小，紅外輻射溫度差分別為8.5、6.9、4.2、3、2 ℃，即隨著SiO?氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，復(fù)合材料的紅外隱身效果逐漸變好，與對(duì)應(yīng)的涂層膜導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)相同的大小規(guī)律，因此降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)在一定條件下能夠有效地提高材料的紅外隱身性能。
結(jié) 論
采用FDY滌綸長(zhǎng)絲和鍍銀尼龍長(zhǎng)絲為經(jīng)緯紗制備了平紋機(jī)織物，并對(duì)其紅外發(fā)射率進(jìn)行了測(cè)試，然后采用硅烷偶聯(lián)劑表面改性的SiO?氣凝膠和E51環(huán)氧樹脂制備了隔熱涂層，最后以機(jī)織物為上下表層，SiO?氣凝膠隔熱涂層為中間層制備了一種三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，對(duì)隔熱涂層膜的導(dǎo)熱系數(shù)和復(fù)合材料的紅外隱身性能進(jìn)行了測(cè)試，得出以下結(jié)論：
a)在織物組織和緊度相同的情況下，以滌綸長(zhǎng)絲和鍍銀尼龍長(zhǎng)絲作為經(jīng)緯紗制備的平紋織物紅外發(fā)射率為0.749，經(jīng)緯紗均為滌綸長(zhǎng)絲的平紋織物紅外發(fā)射率為0.828，說明鍍銀纖維作為織物紗線原料，能有效降低織物的紅外發(fā)射率。
b)使用硅烷偶聯(lián)劑KH560醇溶液對(duì)SiO?氣凝膠做表面改性處理，并對(duì)改性后的SiO?氣凝膠粉末進(jìn)行紅外分析，根據(jù)紅外光譜圖中振動(dòng)峰的變化可以得出SiO?氣凝膠表面成功接枝了偶聯(lián)劑KH560。
c)以機(jī)織物作為上下表層，SiO?氣凝膠隔熱涂層作為中間層，采用熱壓工藝制備了復(fù)合材料，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)確定了最佳工藝參數(shù)，其中熱壓溫度為160 ℃，熱壓壓強(qiáng)為1 MPa，熱壓時(shí)間為5 min，墊片厚度為2 mm。
d)對(duì)比3種不同粒徑大小SiO?氣凝膠涂層膜的隔熱性能發(fā)現(xiàn)，SiO?氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，粒徑大小15 μm的SiO?氣凝膠隔熱涂層膜導(dǎo)熱系數(shù)為 0.072 71 W/m·K，粒徑大小50 μm的為 0.078 71 W/m·K，粒徑大小100 μm的為 0.079 97 W/m·K，即隨著粒徑的增大，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大；使用對(duì)應(yīng)的3種復(fù)合材料偽裝熱源目標(biāo)，并用熱紅外成像儀進(jìn)行紅外隱身測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)隨著SiO?氣凝膠粒徑的增大，材料表面與周圍環(huán)境的圖像灰度差和紅外輻射溫度差逐漸增大，紅外輻射溫度差值分別為3、3.3 ℃和3.7 ℃，即隨著粒徑的增大，紅外隱身效果逐漸變差。
e)對(duì)比5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SiO?氣凝膠涂層膜的隔熱性能發(fā)現(xiàn)，隨著涂層膜中氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，隔熱涂層膜的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，當(dāng)涂層中氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，涂層的導(dǎo)熱系數(shù)低至 0.058 35 W/m·K，具備較好的隔熱性能；使用對(duì)應(yīng)的5種復(fù)合材料偽裝熱源目標(biāo)并用熱紅外成像儀進(jìn)行測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)隨著SiO?氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，材料表面與周圍環(huán)境的圖像灰度差和紅外輻射溫度差逐漸減小，當(dāng)氣凝膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，紅外輻射溫度相差2 ℃左右，復(fù)合材料的紅外隱身效果最好。
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發(fā)布 | 浙江理工大學(xué)雜志社 新媒體中心
編輯 | 徐 航
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