一种红外自适应柔性弯曲隐身材料及其制备方法

摘要

本发明涉及红外隐身技术领域，具体涉及一种红外自适应柔性弯曲隐身材料及其制备方法，包括以下步骤：将硅酸乙酯置入乙醇并充分溶解，然后加入氨水和蒸馏水充分搅拌，持续反应6h以上；用乙醇和蒸馏水分别洗涤生成物得到二氧化硅球悬浮液，并通过真空干燥方式得到二氧化硅粉末；选取聚酰亚胺薄膜为基底将二氧化硅粉末以4‑6wt%的比例分散在乙醇溶液中，然后将二氧化硅球沉积在基底上；将充分沉积后的聚酰亚胺薄膜基底置入真空烘箱，得到红外隐身材料。本发明制得的样品可以按实际要求进行弯折，具有更高的使用价值。并且由测试结果可知，样品在红外双波段同时具有预期的高反射特征，能够实现有效阻断目标物体由内向外的红外辐射的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及红外隐身技术领域，具体涉及一种红外自适应柔性弯曲隐身材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，用于发现目标的侦查、探测手段日益先进，为了避免军事目标和武器装备被敌方发现、摧毁，使用隐身材料提高其生存能力和突防能力成为最简单而有效的手段，隐身材料的研究成为军事技术发展的重要方向。各类先进探测器以及精确制导技术获得了快速发展，雷达和红外探测技术作为常用的探测技术也在军事探测方面得到了越来越广泛的应用。这些先进的探测技术和手段，将会使得传统军事目标系统面临的威胁越来越大。

所以，怎样最大程度地降低暴露目标物体的特征，已经引起了全世界科学家们的广泛关注和重视。因此，隐身技术俨然已成为最重要的和最可靠的军事战术技术。隐身材料技术中最重要的研究方向是针对雷达和红外的兼容隐身功能。

然而，由于军事隐身材料在雷达波段范围内，要求具有高的吸收率和低反射率，而在红外波段却往往要求具有低发射率。要想在上述两个波段同时具有高吸收和低发射是非常困难的。

目前，虽然有大量的研究都集中在了雷达吸波材料上面，并且在雷达波段取得了优良的雷达隐身性能，但这些雷达吸波材料在红外波段却具有较高的发射率。也有很多研究报道，在红外波段也可以取得较低的发射率，但在雷达波段通常会展示出较高的反射率。但是，关于雷达红外兼容隐身方面的报道却少之又少。

在过去的研究中，由于光子晶体在对内部光源的辐射控制方面具有极大的应用潜力而得到了人们越来越多的关注，它对能量位于禁带范围内的入射电磁波具有较高的反射率特性。这些光子晶体材料具有不同于单一介质和金属的独特电磁学性质，它可以禁止某些具有特定频率的电磁波传播。我们也可以将这些光子晶体叫做光子带隙材料，没有任何光子态密度存在。所以红外隐身可以由光子禁带落在红外波段的光子晶体材料来实现。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种红外自适应柔性弯曲隐身材料及其制备方法，可按实际要求进行弯折，在红外双波段同时具有预期的高反射特征，能够有效阻断目标物体由内向外的红外辐射的目的。

本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供了一种红外自适应柔性弯曲隐身材料的制备方法，包括以下步骤：

S1将硅酸乙酯置入乙醇并充分溶解，然后加入氨水和蒸馏水充分搅拌，设置温度35-45摄氏度，持续反应6h以上；

S2用乙醇和蒸馏水分别洗涤S1中生成物得到二氧化硅球悬浮液，并通过真空干燥方式得到二氧化硅粉末；

S3选取聚酰亚胺薄膜为基底，依次放在丙酮、酒精和石油醚中进行超声清洗，进行清洗和烘干后备用；

S4将二氧化硅粉末以4-6wt％的比例分散在乙醇溶液中，然后选择垂直沉积、旋涂或重力沉积方式将S2中二氧化硅球沉积在S3中基底上；

S5将S4中充分沉积后的聚酰亚胺薄膜基底置入真空烘箱，设置烘烤时间40-50min后得到红外隐身材料。

更进一步的，所述方法利用硅酸乙酯的乙醇溶液在乙醇和氨水的混合液中，通过氨催化水解正硅酸乙酯来制备二氧化硅。

更进一步的，所述方法中，聚酰亚胺薄膜是将聚酰胺酸溶液流延成膜、拉伸后高温酰亚胺化制备得到，其相对密度为1.39～1.45。

更进一步的，所述S2包括以下子步骤：

S11将氨水和蒸馏水溶解在乙醇中，室温搅拌8-12分钟；

S12将硅酸乙酯溶于乙醇搅拌8-12分钟；

S13在35-45℃下，将S12中溶液加到搅拌着的S11溶液中，持续反应6-10h；

S14用蒸馏水和乙醇洗涤后，将二氧化硅球悬浮液置于真空干燥箱中，直至乙醇蒸发，

S15进行75-85℃干燥后可得到二氧化硅粉末。

更进一步的，所述方法中，将处理过的聚酰亚胺薄膜基底置于在平稳的玻璃缸中，将S2中8-12μm单分散二氧化硅球，分散在乙醇中，控制二氧化硅球的浓度为0.8-1.2mg/mL，在40-50℃相对湿度40-60％下通过垂直沉积、旋涂或重力沉积方式组装10-15h，得到SiO2光子晶体隐身材料。

更进一步的，所述方法中，选取垂直沉积法时，将预处理好的聚酰亚胺薄膜基底垂直放入18-22mL，4-6wt％的二氧化硅乙醇溶液，并在40-60℃真空烘箱中静置到溶液全部蒸发。

更进一步的，所述方法中，选取旋涂法时，用200μL的移液枪将溶液滴到预处理过的聚酰亚胺薄膜基底上；

倾斜和旋转基底以使溶液充分覆盖后，在旋涂机上以加速度为1000-1500，转速为2500-3500rpm旋转25-35秒；

重复操作20～40次，旋涂结束后，将样品在180-220℃的加热平台上干燥8-12分钟。

更进一步的，所述方法中，选取重力沉积法时，将预处理好的聚酰亚胺薄膜基底水平放入18-22mL，4-6wt％的二氧化硅乙醇溶液，并在40-60℃真空烘箱中静置到溶液全部蒸发。

更进一步的，所述方法中，将聚酰亚胺薄膜基底分别用丙酮、玻璃清洗液、去离子水各超声15-25分钟，取出后吹干，然后放在培养皿里将盖好盖子待用。

第二方面，本发明提供了一种红外自适应柔性弯曲隐身材料，由第一方面所述的红外自适应柔性弯曲隐身材料的制备方法所制备得到，所述红外自适应柔性弯曲隐身材料可按实际要求进行弯折，在红外双波段同时具有预期的高反射特征，能够有效阻断目标物体由内向外的红外辐射的目的。

本发明的有益效果为：

本发明制得的样品可以按实际要求进行弯折，具有更高的使用价值。并且由测试结果可知，样品在红外双波段同时具有预期的高反射特征，能够实现有效阻断目标物体由内向外的红外辐射的目的。

本发明可通过调整二氧化硅乙醇溶液wt％进而实现改变红外隐身动态调控能力，且本隐身材料在红外(8-12微米)辐射温度范围平均反射率达到96.1％，在红外(8-12微米)辐射温度范围具有优越的超高反射-超低发射性能，其稳定性，功耗及响应时间都实现了最优效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是红外自适应柔性弯曲隐身材料的制备方法步骤原理图；

图2是本发明实施例红外隐身材料理想反射率曲线图；

图3是本发明实施例光子晶体理论反射率曲线图；

图4是本发明实施例二氧化硅形成原理图；

图5是本发明实施例样品在红外波段的实验测试结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参照图1所示，本实施例提供了一种红外自适应柔性弯曲隐身材料的制备方法，包括以下步骤：

S1将硅酸乙酯置入乙醇并充分溶解，然后加入氨水和蒸馏水充分搅拌，设置温度35-45摄氏度，持续反应6h以上；

S2用乙醇和蒸馏水分别洗涤S1中生成物得到二氧化硅球悬浮液，并通过真空干燥方式得到二氧化硅粉末；

S3选取聚酰亚胺薄膜为基底，依次放在丙酮、酒精和石油醚中进行超声清洗，进行清洗和烘干后备用；

S4将二氧化硅粉末以4-6wt％的比例分散在乙醇溶液中，然后选择垂直沉积、旋涂或重力沉积方式将S2中二氧化硅球沉积在S3中基底上；

S5将S4中充分沉积后的聚酰亚胺薄膜基底置入真空烘箱，设置烘烤时间40-50min后得到红外隐身材料。

本实施例S2包括以下子步骤：

S11将氨水和蒸馏水溶解在乙醇中，室温搅拌8-12分钟；

S12将硅酸乙酯溶于乙醇搅拌8-12分钟；

S13在35-45℃下，将S12中溶液加到搅拌着的S11溶液中，持续反应6-10h；

S14用蒸馏水和乙醇洗涤后，将二氧化硅球悬浮液置于真空干燥箱中，直至乙醇蒸发，

S15进行75-85℃干燥后可得到二氧化硅粉末。

本实施例将处理过的聚酰亚胺薄膜基底置于在平稳的玻璃缸中，将S2中8-12μm单分散二氧化硅球，分散在乙醇中，控制二氧化硅球的浓度为0.8-1.2mg/mL，在40-50℃相对湿度40-60％下通过垂直沉积、旋涂或重力沉积方式组装10-15h，得到SiO2光子晶体隐身材料。

本实施例利用硅酸乙酯的乙醇溶液在乙醇和氨水的混合液中，通过氨催化水解正硅酸乙酯来制备二氧化硅。

本实施例制得的样品可以按实际要求进行弯折，具有更高的使用价值。并且由测试结果可知，样品在红外双波段同时具有预期的高反射特征，能够实现有效阻断目标物体由内向外的红外辐射的目的。

实施例2

在具体实施层面，本实施例对材料进行选择，光子晶体带隙的宽度正比于组成光子晶体材料的高低折射率之比，故选择在红外区具有高折射率的二氧化硅球。根据特征矩阵法，结合图2中的反射光谱。同时结合图3所示。当入射光角度为0°、30°和60°时，该光子晶体在3～5μm中红外波段的反射率分别为93.6％、95.3％和95.2％，在8～14μm远红外波段的反射率分别为86.6％、85.2％和81.1％。由此可见，不管是在中红外还是远红外波段，入射角对该光子晶体薄膜反射率的影响都很小。

因此本实施例，本实施例基于改进的

首先，将一定量的氨水和蒸馏水溶解在乙醇中，室温搅拌10分钟，命名为溶液A；

将一定量的TEOS溶于乙醇搅拌十分钟，命名为溶液B；

最后在40℃下，将溶液B加到搅拌着的溶液A中，持续反应8h；

用蒸馏水和乙醇洗涤各3次，将二氧化硅球悬浮液置于真空干燥箱中，直至乙醇蒸发，80℃干燥后可得到二氧化硅粉末。

本实施例采用改进的

水解反应：Si(OC

缩合反应：Si(OH)

综合反应：Si(OC

本实施例中，由上面的反应方程式，如图4所示，可以发现正硅酸四乙酯(TEOS)首先会在碱性条件下水解为偏硅酸和乙醇，然后偏硅酸会在加热的条件下热分解为二氧化硅。

本实施例中，TEOS在碱性环境下的水解反应实际上是由于阴离子OH-半径较小，在亲核反应中将直接进攻硅原子核，使硅核带负电荷，并且它会进一步使电子云聚集到氧乙基的另外一边。

因此，Si-O键结合力会被削弱，逐渐断裂脱离出-OR基团，然后完成水解反应，最终微晶逐渐聚集形成稳定的SiO2微球。由上述反应机理可知，水解反应的结果直接影响缩合反应下SiO2的形核过程，因而二氧化硅微球的大小二氧化硅受到正硅酸乙酯的水解速率、硅酸的分解速率以及pH值等条件的综合影响，其中正硅酸四乙酯的水解速率、偏硅酸的分解速率越快，意味着形核速度越快，后形成的新核胚会不断地附着在旧核胚之上，会导致二氧化硅小球粒径的增加。

本实施例中，由于水的体积、温度以及pH值会影响正硅酸四乙酯的水解速率和硅酸的分解速率，而氨水中本身作为催化剂也是反应的影响因素之一，乙醇则仅仅作为溶剂。

本实施例定水的量以及通过调整乙醇的量保证最终反应溶液都为100mL，以TEOS浓度、NH3·H2O浓度、以及温度作为实验变量，制定了一系列正交实验，合成不同粒径的SiO2微球(150nm～1μm)。

实施例3

在具体实施层面，本实施例以聚酰亚胺(PI)薄膜为基底，由于现有K9玻璃比较硬，不能按照我们的要求进行弯曲变形。要想实现光子晶体在军事隐身技术中的真正的应用，我们还是要将设计好的光子晶体模型结构做在柔性基底上。

本实施例使用提拉法、旋涂法以及水平沉积法以2cm×2cm的聚酰亚胺(PI)薄膜作为基片；垂直沉积法由于要求玻璃近乎垂直于液面，因此取6cm×2cm的聚酰亚胺(PI)薄膜作为基片。聚酰亚胺(PI)薄膜基片先分别用丙酮、玻璃清洗液、去离子水各超声20分钟，取出后吹干，然后放在培养皿里将盖好盖子待用。

本实施例二氧化硅非晶光子晶体的制备需要进行自组装，在自组装阶段，我们先将二氧化硅球以5wt％的比例分散在乙醇溶液中，然后利用不同的自组装方法进行操作。

本实施例提供一种垂直沉积法：将预处理好的聚酰亚胺(PI)薄膜基片垂直放入20mL，5wt％的二氧化硅乙醇溶液，在50℃烘箱中静置到溶液全部蒸发。

本实施例提供一种提拉法：采用提拉机，匀速提拉聚酰亚胺(PI)薄膜基片，反复浸渍。

本实施例提供一种旋涂法：用200μL的移液枪将溶液滴到预处理过的FTO玻璃上，倾斜和旋转基底以使溶液充分覆盖后，在旋涂机上以加速度为1000，转速为3000rpm旋转30秒。重复该操作20～40次。旋涂结束后，将样品在200℃的加热平台上干燥10分钟。

本实施例提供一种重力沉积法：将预处理好的聚酰亚胺(PI)薄膜基片水平放入20mL，5wt％的二氧化硅乙醇溶液，在50℃烘箱中静置到溶液全部蒸发。

实施例4

在具体实施层面，本实施例以聚酰亚胺(PI)薄膜为基底，由于现有K9玻璃比较硬，不能按照我们的要求进行弯曲变形。要想实现光子晶体在军事隐身技术中的真正的应用，我们还是要将设计好的光子晶体模型结构做在柔性基底上。

本实施例使用提拉法、旋涂法以及水平沉积法以2cm×2cm的聚酰亚胺(PI)薄膜作为基片；垂直沉积法由于要求玻璃近乎垂直于液面，因此取6cm×2cm的聚酰亚胺(PI)薄膜作为基片。

本实施例聚酰亚胺(PI)薄膜基片先分别用丙酮、FTO玻璃清洗液、去离子水各超声20分钟，取出后吹干，然后放在培养皿里将盖好盖子待用。

本实施例二氧化硅非晶光子晶体的制备需要进行自组装，在自组装阶段，我们先将二氧化硅球以5wt％的比例分散在乙醇溶液中，然后利用不同的自组装方法进行操作。

本实施例提供一种垂直沉积法：将预处理好的聚酰亚胺(PI)薄膜基片垂直放入18mL，6wt％的二氧化硅乙醇溶液，在60℃烘箱中静置到溶液全部蒸发。

本实施例提供一种提拉法：采用提拉机，匀速提拉聚酰亚胺(PI)薄膜基片，反复浸渍。

本实施例提供一种旋涂法：用180μL的移液枪将溶液滴到预处理过的聚酰亚胺(PI)薄膜基片上，倾斜和旋转基底以使溶液充分覆盖后，在旋涂机上以加速度为1200，转速为3500rpm旋转40秒。重复该操作20～40次。旋涂结束后，将样品在220℃的加热平台上干燥12分钟。

本实施例提供一种重力沉积法：将预处理好的聚酰亚胺(PI)薄膜基片水平放入18mL，6wt％的二氧化硅乙醇溶液，在60℃烘箱中静置到溶液全部蒸发。

对比实施例3和实施例4，参照图5所示，制得的样品可以按实际要求进行弯折，具有更高的使用价值。并且由测试结果可知，样品在红外双波段同时具有预期的高反射特征，在3-5μm和8-14μm波段的平均反射率分别达到了95.6％和96.1％，能够实现有效阻断目标物体由内向外的红外辐射的目的。

此外，我们再利用ET-10便携式反射率测试仪对所制备样品在红外双波段的红外发射率进行实验测量。经过多次重复测量，得到的数据结果如表1中所示。从表中数据可以看出，在中、远红外双波段镀在柔性聚酰亚胺(PI)薄膜基底上的光子晶体薄膜样品的发射率仍然能够维持在一个较低的数值水平，最低发射率值也分别达到了0.057和0.069，远远低于传统红外隐身材料的发射率值。

表1实验测得的样品红外发射率

实施例5

本实施例提供一种红外自适应柔性弯曲隐身材料，由上述实施例的红外自适应柔性弯曲隐身材料的制备方法所制备得到，所述红外自适应柔性弯曲隐身材料可按实际要求进行弯折，在红外双波段同时具有预期的高反射特征，能够有效阻断目标物体由内向外的红外辐射的目的。

综上，本发明制得的样品可以按实际要求进行弯折，具有更高的使用价值。并且由测试结果可知，样品在红外双波段同时具有预期的高反射特征，能够实现有效阻断目标物体由内向外的红外辐射的目的。本发明可通过调整二氧化硅乙醇溶液wt％进而实现改变红外隐身动态调控能力，且本隐身材料在红外(8-12微米)辐射温度范围平均反射率达到96.1％，在红外(8-12微米)辐射温度范围具有优越的超高反射-超低发射性能，其稳定性，功耗及响应时间都实现了最优效果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。