机织物结构设计及其红外隐身性能的研究

翁小霞, 王 泉, 邵灵达, 金肖克, 祝成炎, 田 伟

(浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州 310018)

红外探测技术是军事战场中应用最为广泛的侦查技术,其具有分辨率高,探测能力强且不受环境约束,可昼夜连续工作。如今,红外探测设备的空间分辨率已达到0.03 mrad[1],这对于军事设备及战场上士兵的隐蔽是一个极大的威胁。红外隐身技术作为解决红外探测问题的一种手段,能够有效提升目标的战场生存能力,因此受到各国科研人员的重视[2]。其中红外隐身机织物的研究应用能提高作战服的服用性能,对提高军事战斗人员的存活概率与军事设备在战场上的隐蔽性大有裨益[3]。

近年来,对于红外隐身织物的研究主要集中在涂层面料方面[4]。涂层面料对于红外探测具有红外隐身效果,其主要用在军事武器的红外隐身方面,在军事服装面料中应用相对较少。由于涂层面料是将涂料直接涂覆在织物表面,而战地环境普遍恶劣,涂料很容易因为摩擦而脱落,影响织物红外隐身效果的耐久性[5]。

另一方面,由于涂料密度大,涂层厚重,使得织物质量增大,不利于携带与活动,同时其服用性能也较差[6]。另外,对于红外隐身织物的研究还有薄膜伪装材料[7]、隔热材料[8]及相变材料[9]等,但材料在实际应用中,还要考虑目标适用的环境、温度等因素。虽然寿霜霜[10]已对机织物的红外隐身特性进行了研究,并改善了其服用性能,但还可进一步对织造参数与织物红外隐身性能关系进行研究。织物结构能确保其特性不因多次使用而降低,对织物耐用性能有一定的提高。本文基于红外热成像原理,设计了不同纱线原料、不同机织工艺的织物,分析了织物热成像特性,根据人体皮肤铺放织物后测得温度与外界环境的辐射温度差异评价织物红外隐身效果,为后期红外隐身织物的制备提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 原料选择

根据基尔霍夫定律[11]与瑞利散射原理[12]可知:金属的红外发射率较低;纳米颗粒对红外线有散射作用,可减少红外辐射强度,故选择镀银锦纶长丝、ZnO涤纶长丝为原料。本文所用纱线原料及规格如表1所示。

表1 纱线基本性能Tab.1 Basic properties of yarn

1.2 织物设计与制备

红外热成像仪接收到的红外辐射主要来自两个方面:人体自身和织物表面。

人体自身的红外辐射主要通过织物的孔隙向外传递,孔隙的多少和大小会影响红外辐射向外传递的多少。而织物孔隙率是由孔径的大小、分布和形状决定的,它取决于纤维和纱线的性能及织物的结构参数,如织物组织、织物密度和纱线细度[13]等。本文从织物结构参数出发,通过设计不同纬纱密度和织物组织结构来研究织物红外隐身性能。

根据Stefan-Boltzmann定律[14]可知,织物表面红外辐射的降低,可通过降低织物的表面发射率来实现。本文通过改变织物中镀银锦纶长丝和ZnO涤纶长丝的配比,研究纱线发射率和散射作用对织物表面红外辐射的影响。

选用普通涤纶为经纱,镀银锦纶长丝和ZnO涤纶长丝为纬纱。A组按织物中纬纱投纬顺序和不同纬纱含量设计了7种织物规格,镀银锦纶长丝的纬纱含量占比分别为0、25%、33.3%、50%、66.7%、75%、100%。因为平纹的浮长较短,织物较为紧密,可阻挡部分红外线的透过,故选择平纹组织结构,测试各织物的红外成像情况。B组按不同纬密设计织物,紧度按下式计算:

EW=dWPW

(1)

式中:dW为镀银锦纶长丝和ZnO涤纶长丝的平均直径,cm;PW为纬纱密度,根/cm。

计算得试样B1,B2,B3,A6的紧度分别为33.5%,67.05%,83.8%,97.6%;C组按不同织物组织结构设计织物;D组选择纯普通涤纶织物作为空白对照组。织物详细设计参数见表2。

表2 不同织物设计参数Tab.2 Design parameters of different fabrics

1.3 织物性能测试与表征

1.3.1 织物基本服用性能测试

基于本文为军事背景下士兵作战服装的基础性研究,织物应轻便透气,舒适性好。根据测试标准GB/T 20097—2006《防护服 一般要求》、GB/T 3820—1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》、GB/T 4669—2008《纺织品 机织物单位长度质量和单位面积质量的测定》、GB/T 5435—1997《织物透气性的测定》、GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分 断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》对织物进行厚度、平方米质量、透气性和拉伸断裂性能进行检测。

1.3.2 织物孔径

不同织物由于经纬纱原料、交织规律不同,所形成的孔径也有差异。通过测试不同织物组织的孔径,可研究不同孔径大小对织物红外隐身性能的影响。将待测织物根据仪器测试要求裁成规定大小,并使用Silwick润湿液(美国PMI公司)将织物完全润湿,利用PMI Capillary Flow Porometer孔径测试仪(美国PMI公司)对织物孔径进行测试,分析不同织物组织的织物孔径大小。

1.3.3 织物热成像性能

红外隐身的原理主要是使得待测目标与周围环境的红外辐射特征相似甚至相同[15],中远红外的暴露症候主要是温度差异。在FLIR E5的热成像系统中,将红外热成像图导入FLIR Tools软件,可测量红外热像图上不同区域的辐射温度。通过比较不同区域的辐射温度差异,可得到织物红外热成像特性与红外隐身效果,如图1所示。织物红外隐身性能可以通过手部铺放织物后测得温度与外界红外辐射温度之间的差异来表征,红外辐射温度差异越小,说明织物的红外隐身效果越好。裁取面积为3 cm×3 cm的织物,将其置于手心中央位置,用热成像仪垂直拍摄待测织物,测试同一组参数织物时保持热成像仪与织物的距离基本不变,使得待测织物和外界环境均在热成像图中显示,获取热成像图。其中,本文获取热成像图的外界条件为夏季夜晚,温度为22～24 ℃。

图1 红外隐身性能评价方法Fig.1 Evaluation method forinfrared stealth performance

2 结果与分析

2.1 纬纱中镀银锦纶长丝含量对织物红外隐身效果影响

图2为不同镀银锦纶长丝含量下的织物热成像图,测试距离为10 cm。其中,图2(a)是试样D纯涤纶织物的红外热成像图,图2(b)～(h)中织物镀银锦纶长丝占纬纱含量比例分别为0、25%、33.3%、50%、66.7%、75%、100%。

图2 纬线中纯涤纶与不同镀银长丝含量的织物红外热成像Fig.2 Infrared thermal imaging of fabrics with pure polyester and different content of silver-plated filament in weft

将所得到的A组织物热成像图导入FLIR Tools软件,计算手部织物和外界环境的红外辐射温度差值,对得到的数据进行处理并拟合,得到手部织物与外界环境辐射温度差与纬纱中镀银锦纶长丝含量的关系,曲线如图3所示。其中,拟合方程为y=11.107 04x(-0.281 74),R2=0.960 09,R2表示曲线的拟合程度。

由图3可知,当经纱为普通涤纶,经纬密为1 100×300根/10 cm,采用平纹组织织造不同镀银锦纶长丝纬纱含量的织物与外界环境的红外辐射温差变化幅度在4.5～3 ℃。已知,当目标与周围环境的辐射温差大于4 ℃时,辐射对比度将识别热像中的目标[16],而纯涤纶织物手部与外界环境的红外辐射温差为6.2 ℃,说明本文制备的织物红外隐身性能优于普通涤纶织物。同时可知,随着织物中镀银锦纶长丝含量的增加,手部织物与外界的红外辐射温度差值整体呈下降趋势。当镀银锦纶长丝纬纱含量为75%与100%时,手部织物与外界红外辐射环境温度差值较小,说明红外隐身性能较强。这主要是由于镀银锦纶长丝的红外发射率小于ZnO涤纶长丝的红外发射率,红外发射率越低,纱线的红外辐射强度越低。可见,其他条件一定时,织物中镀银锦纶长丝含量越高,织物中红外发射率小的纱线越多,织物红外隐身性能越好。同时对比纬纱为纯ZnO涤纶长丝和纯涤纶长丝织物的性能,发现ZnO涤纶长丝也能在一定程度上提高织物的红外隐身效果。

图3 纬纱中镀银锦纶长丝含量对织物红外隐身效果的影响Fig.3 Effect of silver-plated nylon filament content in weft yarns on the infrared stealth effect of fabrics

由于织物A6和A7温度差值相近,进一步比较其服用性能,具体测试结果见表3。由表3可知,织物A6的透气性优于纯镀银织物A7,且织物A6更加轻便,服用性能更佳。综合考虑织物红外隐身性能及织物服用性能,故后续选择镀银锦纶长丝与ZnO涤纶长丝投纬比例为3︰1的规格进行研究。

表3 织物服用性能对比Tab.3 Comparison of fabric wearing performance

2.2 纬向紧度对织物红外隐身效果影响

根据A6的投纬比设计了B组织物,通过改变织物纬密,研究不用纬向紧度下的织物红外热成像性能。图4为不同纬向紧度下的织物热成像图,测试距离为10 cm,图5为不同织物纬向紧度下的织物红外效果表征。其中,图4(a)～(d)中织物纬向紧度分别为33.5%、67.05%、83.8%、83.8%。

图4 不同织物纬向紧度下的织物热成像Fig.4 Fabric thermal imaging of fabrics under different weft tightness

图5 不同织物纬向紧度下的织物红外效果表征Fig.5 Characterization of fabric infrared effect under different weft tightness

由图5可知,当经纱为普通涤纶,纬纱镀银锦纶长丝与ZnO涤纶长丝投纬比为3︰1,采用平纹组织织造不同纬向紧度的织物与外界环境的温度差值在3.9～4.5 ℃。随着织物纬向紧度增大,织物与外界的温度差逐渐减小,当织物纬向紧度为97.6%时,镀银织物与外界的温度差最小,说明织物的红外隐身能力随着织物纬向紧度的增加而提高。这主要是因为,当其他条件不变时,织物的纬向紧度增加导致织物的孔隙变小,人体的红外辐射更不容易透出,减小了红外辐射量,热成像仪接收到的红外辐射强度降低。同时,随着织物纬向紧度增大,单位面积内纱线数量增加,而ZnO涤纶长丝的增加导致红外线向四周的散射增加[17],热成像仪接收到的红外辐射减少,故显示织物红外隐身性能提高。

2.3 组织结构对织物红外隐身效果影响

根据本文2.1、2.2章节结论,为进一步研究织物组织结构对织物红外隐身性能影响,设计了11组不同组织结构的织物,其热成像图及所测试孔径大小分别见表4与图6,测试距离保持不变。

表4 不同织物组织下的织物孔径Tab.4 Fabric bore diameter under different fabric weaves μm

从表4可知,不同织物组织下的织物孔径大小有差异。其中,平纹组织孔径最小,8/3缎纹组织孔径最大,因为平纹织物在相同纱线循环数中交织次数最大,平均浮长最短。三原斜纹组织中,织物的孔径随织物的浮长而增大。

图6 不同织物组织下的织物热成像Fig.6 Fabric thermal imaging under different fabric weaves

图7为不同孔径织物红外隐身性能的变化情况与拟合曲线,拟合方程为y=0.068 31x1.356 37,R2=0.921 63。

图7 织物孔径对织物红外隐身性能的影响Fig.7 Influence of fabric bore diameter on infrared stealth performance of fabric

由图7可知,当经纱为普通涤纶,纬纱中镀银锦纶长丝与ZnO涤纶长丝投纬比为3︰1,经纬密为1 100×300根/10 cm时,采用不同组织结构织造所得织物孔径不同,红外隐身性能也不同。织物的孔径越小,红外隐身性能越好。平纹织物红外隐身性能显示优于其他组织结构织物。主要是因为相较于其他组织,平纹组织中经纬纱线交织规律使得经纬纱之间的孔隙最小,织物内部最紧实,人体红外辐射通过织物空隙透出最少[18],故热成像仪所接收到的红外辐射也最少。随着织物平均孔径的增大,织物与外界环境的辐射温度差增大,表示织物红外隐身性能减弱。

3 结 论

本文选用普通涤纶为经纱,镀银锦纶长丝、ZnO涤纶长丝为纬纱,设计了21组不同规格的机织物,在环境温度为22～24 ℃时,使用FLIR E5型热成像仪获取织物红外热成像图,并对织物热成像特性进行分析,对织物作用于人体皮肤时的红外辐射温度等进行测试,对其红外隐身性能进行分析,得到如下结论。

1)孔径大小对镀银锦纶长丝/ZnO涤纶长丝交织织物红外隐身性能有较大影响,织物作用于人体时,与外界环境的辐射温度差在3.0～7.7 ℃,随着织物红外织物孔径的减小,与外界环境的辐射温度差减小,织物的红外隐身性能随之提高。

2)当织物组织和织物经纬密保持不变时,随着织物中镀银锦纶长丝的含量增加,织物红外隐身性能提高;当组织结构和织物中经纬纱排列不变时,随着织物紧度增加,织物红外隐身性能提高。

3)当选用普通涤纶为经纱,镀银锦纶长丝和ZnO涤纶长丝投纬比为3︰1,经纬密为1 100×300根/10 cm,采用平纹组织织造所得织物红外隐身性能与服用性能较好。

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