（服装设计与工程专业论文）迷彩面料防近红外伪装性能实现的研究[服装设计与工程专业优秀论文].pdf

0 ；曼! ：!。： 塑! 里丛! 一一 r e s e a r c ho na n tln e a r in f r a r e dc a m o u f l a g eo f p a t t e r np a l n t l n gw o o f a b s t r a c t n i g h ti sb a r r i e ro fw a r w i t hd e v e i o p m e n to fi n f r a r e dc a m o u f l a g e ，t h e a d v a n t a g ei sh e l db yt h eo n et h a tg r a s p st h ei n f r a r e dd e t e c t i o nt e c h n o l o g y i n f r a r e dc a m o u f l a g ei sr e g a r d e db ye v e r yc o u n t r y i n f r a r e dc a m o u f l a g ei s s e c r e tt e c h n o l o g y t h e r ea r ef e wp u b l i s ho fi t b a s e do nt h ed y e i n g e x p e r i m e n ta n da n a l y z i n gt h eu l t r a v i o l e t v i s u a l n e a ri n f r a r e d s p e c t r a l 、c h r o m a t i c i t y 、c h a n g ei ns h a d e 、k s ，t h ek e yd y ew a n tt ob ef o u n d w h i c hi n f l u e n c e di n f r a r e dc a m o u f l a g eo ft cw o o f w i t hd y ef i l t e rm e t h o d ， t h ed y ew h i c hh a st h es i m i l a rs p e c t r a lr e f l e c t a n c ec u r v ew i t ht h eg r e e n l e a fh a sb e e nf o u n d f r o md y e i n ge x p e r i m e n to nt cw o o f ，if i n dt h ed y s t a r d i s p e r s eb l u ee - 4 rd y e 、d y s t a rd i s p e r s eb l a c ks - 2 b l 、c i b a n o nb l u e8 3 9 6 2 a r et h ek e yd y eo fi n f r a r e dc a m o u f l a g e t h ec o n c l u s i o n so fe x p e r i m e n tr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s a tg r e e nb a c k g r o u n d ，t h ed y es h o u l ds i m u l a t et h eg r a s s i n e s s t h a ti s t os a y ，t h es p e c t r a lc h a r a c t e ro fd y es h o u l dc o n s i s t e n tw i t ht h e c h l o r o p h y l l a td i s p e r s ed y ef i l t e r ，c a r r i e rd y e i n gm e t h o di sc h o s e ，t e c h n i c s c o n d i t i o ni sc o n f i r m e d ( a t6 5 c ，p u ta s s i s ta g e n t ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r e 3 m i n ，t h e np u ti n t od y e ) i nt h i sp r o c e s s ，t h ed y ea n da s s i s ta g e n tc a n b ee m u l s i f i c a t i o nw e l la n dt h et i m ec a nb er e d u c e d1 0 1 5 m i n a tt h es a m e t i m e t h eo p t i m u md y e i n gr a t i ow i l lr e a c h e dw h e np hv a l u ea t5 5 5 a t a b o v ec o n d i t i o n if i n dt h ed y s t a rd i s p e r s eb l u ee 一4 rd y e 、d y s t a rd i s p e r s e b l a c ks - 2 b l 、c i b a n o nb l u e8 3 9 6 2a r et h ek e yd y e so fi n f r a r e dc a m o u f l a g e a tv a td y ef i i t e r t h el e u c od y e i n gi sc h o s e c i b a n o nb l u e8 3 9 6 2a c t s a sj m p o r t a n te f f e c t a tt h es a m et i m e s o m eb l a c kd y ec a nb ei n p u tf o r d e c r e a s e ds p e c t r a lr e f l e c t a n c ev a l u e b e c a u s eo fs h a d ec o l o ro f t e nh a s h i g hr e f l e c t a n c ev a l u e d a r kc o l o ro f t e nh a sl o wr e f l e c t a n c ev a l u e i i a b s l l l a c t d y e i n gt cw o o fw i t h s e l e c t e dd i s p e r s ed y ea n dv a td y e t h ec h a n g e i ns h a d ei sw e l lf i tf o rw a ri n d u s t r y n a m e ：l iy i n g h u i m a j o r ：a p p a r e le n g i n e e r i n g d i r e c t e db y ：p r o f e s s o rx uj u n k e yw o r d s ：a n t in e a ri n f r a r e d ，c h l o r o p h y l l ，p a t t e r n p a i n t i n g c a m o u f l a g e l o wr e f l e c t a n c er a t i o 绪论 1 绪论 1 i 红外迷彩伪装技术的发展史 在现代战争中，侦视技术起着非常重要的作用。现代侦视技术包括目标观察、红 外侦视、雷达侦视以及多谱段侦视等。其中红外侦视技术是使用最广泛和最有效的侦 视技术之一“1 。红外侦察技术的飞速发展使得军事目标面临新的威胁环境，因此，以 对抗敌方红外侦察与打击为目的的红外伪装技术受到各国军界的普遍重视并得以迅 速发展。红外伪装的方法很多，主要有迷彩隐身、隐身烟幕、红外诱饵、热红外隐身 网和红外涂层“1 。红外伪装技术是随着红外侦察目标技术、末制导技术的发展逐步发 展起来的，其发展过程经历了早期探索阶段( 上世纪6 0 年代以前) 、基础理论研究与 技术全面发展阶段( 上世纪6 0 7 0 年代) 以及应用研究阶段( 上世纪8 0 年代至今) 0 1 。 1 1 i 迷彩伪装的发展史旧 伪装首先出现在原始狩猎时期，但随着人工伪装的发展以及近代战争的不断发 生，伪装在军事上得到推广。而迷彩伪装则是直接继承自然学家的研究和1 9 世纪末 兴起的艺术家革新运动成果的结果，它是当前各国十分重视的伪装技术，通常分为保 护迷彩、变形迷彩和仿造迷彩。随着战争的不断升级，军服颜色也不断地变迁，这就 出现了迷彩服。迷彩服是一种利用颜色色块使士兵形体融汇于背景色的伪装性军服。 古代的军服为掩盖血迹、减少本方士兵恐慌多使用红色。早在1 8 6 4 年1 2 月，英 军大尉哈里巴纳特拉姆斯汀在巴基斯坦白沙瓦地区组织非正规军“英国陆军侦 察队”。在制作侦察队军服时，拉姆斯汀针对当地黄土地裸露多、风沙太的特点，为 了侦察时便于伪装，选定了土黄色军服。这样。英国成为最早使用伪装性颜色军服的 国家。1 8 9 9 年开始持续了三年的“英布战争”使欧洲各国认识到在现代战场上人员 伪装的重要性，纷纷将鲜艳的军服颜色改为绿色或黄色，以达到隐蔽的目的。 第一次世界大战以后，各种光学侦察器材的出现，使穿着单颜色军服的士兵很 难适应多种颜色的背景环境。1 9 2 9 年，意大利研制出世界上最早的迷彩服，它有棕、 黄、绿和黄褐四种颜色。1 9 4 3 年，德国为部分士兵装备了三色迷彩军服。这种迷彩 服遍布形状不规则的三色斑块，方面这些斑块可歪曲人体的线条轮廓，另一方面其 中部分斑块颜色与背景色近似一体，部分斑块又与背景色差别明显，从视觉效果上分 割了人体外形，从而达到伪装变形的效果。德军的迷彩服在实战中收到了很好的效果， 后来各国军队纷纷仿效，并对迷彩的颜色和斑块的形状进行研究改进。 第二次世界大战后，隐身“包装”技术作为重大军事技术提到了议事日程上。当 绪论 时的美、苏、日、英等国都投入大量经费进行研究。如今隐身技术得到了较快的发展， 特别表现在红外隐身、雷达隐身等方面进展更快。当今世界上，美国和欧洲的隐身“包 装”技术处于领先水平。隐身“包装”技术是随着战争升级而发展起来的。随着科学 技术的飞速发展，现代战争中的“眼睛”各种各样的观( 察) 瞄( 准) 仪器、探测 系统诸如雷达、红外夜视仪、激光探测器等日益增加、性能更加完善。普通武器和士 兵被敌方发现的可能性也越来越大，安全性大大减少。再加之种种导弹带有“眼睛”， 威胁也越发严重，因此隐身“包装”技术也成为各国军备竞赛的内容。隐身“包装” 技术经过1 0 0 年的研究与开发，终于从幻想走到了现实0 1 。 在二十世纪七十年代，随着图像处理器的发展，许多国家都意识到红外反射染料 对迷彩伪装的重要性。在红外光谱的范围内，英军的d p m 四色迷彩图案变成了两种颜 色，低反射值的黑色和棕色组成暗色，高反射值的绿色和土黄色组成亮色，仍保持了 离散性变形迷彩的图案，从而显著降低了红外探测仪的分辨力。因此，像美军的m 8 1 型林地迷彩作战服一样，迷彩的发展趋势为采用简单的大斑块图案。 i 1 2 红外对抗是红外技术发展的必然产物 随着军事科学技术的迅速发展，现代的红外侦察、瞄准技术己达到了相当高的水 平。各种侦视技术根据探测器的工作波段可分为：光学侦察( 包括紫外和近红外侦察) 、 红外雷达、雷达侦察和激光侦察等。光学侦察又包括目视侦察、近红外侦察，微光夜 视仪侦察、照相侦察和电视侦察。 近红外侦察是指利用波长为0 7 6 1 5 9 i n 近红外辐射的各种特性进行侦察的方 法”1 。当前军事上通常采用的三种红外传感器有红外摄影( 敏感范围0 8 o 8 5 9 i n ) 、 红外夜视仪( 敏感范围0 、9 i g m ) 和红外观测眼镜( 敏感范围0 7 o ，7 3 9 i n ) ，不 难看出，红外伪装重要波段是从0 7 “m 到1 肛m ，一些资料所称的红外线低反射率是 指这个波段而言”3 。近红外侦察多借助近红外夜视仪，近红外夜视仪是二十世纪三十 年代开始研制的侦察器材，第二次世界大战后期开始使用，典型的产品是步枪红外瞄 准镜和装备在德国“豹”型坦克上的夜视仪。它是利用目标与背景反射红外线的差别 而发现目标的一种主动夜视器材。绿色植物因反射近红外线的能力强，观察时呈浅灰 色或白色。普通的绿色染料因反射红外线的能力弱，观察时呈深灰色或黑色。近红外 夜视仪属于一种主动式探测装置，能在夜间以红外光源照明背景和目标，按照他们反 射红外线的差别，通过光电转换装置，直接观察目标的形象。工作波长般在0 7 6 i 3 胁，观察距离一般为5 0 4 0 0 0 m ，可以分辨人员、车辆及各类目标，并能暴露绿 色植物背景上用普通绿色染料和材料伪装的目标。 据报道，在1 9 9 9 年3 月5 月的“科索沃之战争”中，为了轰炸“南联盟”，北 约出动了5 0 颗“天眼”侦察卫星在几百公里的高空日夜侦察。其中，光电成像卫星 可获得分辨率为0 1m 的可见光图像和红外图像，并可在全暗的条件下拍摄地面目标， 特别适于跟踪坦克、装甲车辆，监视机动式弹道导弹的动向。因而使各种军事目标和 武器装备的安全受到严重威胁。为此，以降低装备和人员红外线发射和削弱敌方红外 探测效能为宗旨的红外隐身技术，就受到世界各国的高度重视，并迅速发展。【5 l 红外 技术从产生以来，就是为军事需要目的而发展起来的。红外对抗是其必然的产物。谁 能掌握红外对抗的主动权，就能在高技术的战争中立于不败之地。红外隐身不仅具有 自身保护作用，而且能隐真示假，具有不暴露兵力部署与作战意图的战略意义。一场 以国家综合实力为基础，交织了最新高科技成就，并直接应用在军事上的红外探测与 红外隐身的对抗必将愈演愈烈m 1 。 1 2 红外迷彩伪装的技术现状 纵观世界各国军队迷彩作战的研究与装备情况，最成熟的技术仍主要是雷达隐身 材料和可见光伪装材料。红外热隐身材料大致可分为4 类：热隐身涂料：低发射率薄 膜；宽频谱兼容的热隐身材料以及各种隔热材料、相变贮热材料。其中隔热、相变贮 热材料已广泛应用到航天领域。国外已经研制成功的红外涂料和涂层较多，其中以英 国的“具有红外发射率的含颜涂料”、美国的“发动机排气装置红外抑制涂层”和“红 外涂层”较为先进。另外，在红外伪装网和遮障方面也已取得突破性进展，研制成功 的红外伪装网和遮障能对常温和高温目标进行有效的伪装，现已大量装备部队且达到 实用阶段，其中瑞典的“巴拉居达红外伪装遮蔽”和“巴拉居达红外伪装伞”，西德 的“奥古斯红外伪装网”和“红外伪装覆盖材料”以及美国的“红外伪装蓬布”、“多 波段伪装网”、“宽波段伪装遮障”等均代表世界先进水平。 对于纺织面料而言，通过涂料实现伪装是比较容易的，这方面国内外研究较多、 技术也相对较成熟，但该方法的缺点是涂层后面料的吸湿性、透气性、耐水洗性等都 有所下降，所以尝试用染料实现军事目标的迷彩伪装，正越来越得到各国的高度重视。 这方面的研究工作正在展开中。 1 2 1 涂料技术的应用 利用涂料实现目标红外隐身，对于点源探测来说，就是降低目标涂层的红外发射 率。由红外点源探测方程可知，红外系统能探测的目标的最大距离与目标辐射特性的 平方根成正比。对于成像探测，就是调整目标涂层的红外发射率，形成热图迷彩，使 其与背景辐射一致。因为它主要是利用目标与背景的红外辐射差别通过成像来识别目 标。由于高发射率的涂料是比较容易获得的，因此不论是点源探测还是成像探测，对 红外隐身涂料的研究主要是寻找低红外发射率的涂料。 影响热红外隐身涂料性能的因素有很多，如颜料、粘合剂和涂装工艺等，其中颜 料是影响涂料隐身性能的重要因素之一，颜料的选择主要是依靠其在红外波段的散 射、反射、吸收和透射性能。多年来低发射率的热红外隐身涂料主要是靠颜料的调节 作用来制备的，目标是研制发射率在0 4 以下的材料。如表卜1 和表卜2 中列举了几 种金属及其氧化物颜料粉末和相应涂料的红外发射率“。目前，以降低发射率为目标 的热隐身涂料主要性能指标是：目标表面的发射率，。( 包括3 5 帅和8 1 4 p m 中 远红外波段) ，在可见光和近红外波段的太阳能吸收率a 。及其与其他波段隐身要求 的兼容性。 表1 - 1 几种金属颜料粉末及其涂料的红外发射率 表1 - 2 几种着色颜料粉末及其涂料的红外发射率 代表世界水平的美国和英国早在2 0 世纪7 0 年代就开始了低发射率涂料的研制和 实验，其中有些涂料已发展成为通用的伪装材料。目前，美国、瑞典、德国、日本的 水平处于世界领先地位。美国是最早开展热隐身涂料研究的国家。1 9 6 7 年美国空军 就委托霍尼威尔公司( h o n e yw e e lm c ) 开展了漫反射型红外反射涂料的研究。2 0 世 纪7 0 年代，为了减轻红外寻的导弹对直升飞机的威胁，美国陆军空中机动研发实验 4 室委托陆军阿伯丁研究发展中心的涂料和化学实验室、通力动力公司等研究直升飞机 的红外信号抑制涂料。与此同时，空军与霍尼威尔公司签订了研制热隐身涂料的合同， 海军舰船研究发展中心也开展了这方面的工作。2 0 世纪7 0 年代中期，随着红外探测 器性能不断完善，美国陆军加速了热隐身涂料的研制工作。陆军机动装备研究发展司 令部下设的隐身实验室对热隐身涂料及其适用的粘合剂开展了大量的工作，重点是改 进只适用于可见光和近红外波段的陆军标准隐身涂料。2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代 初，美国地面装备热隐身涂料研制工作己初见成效。阿瑟- 李德公司研究人员提出了 一种根据涂料配方及其原材料参数预测其红外辐射特性的模拟计算方法，并对热隐身 涂料配方设计提出了些重要结论。美国陆军研究局委托该公司继续开展此项研究。 美国海军部也积极组织舰船热隐身涂料研究。2 0 世纪8 0 年代中叶，西方各国纷纷介 入热隐身涂料研究。德、英、法、日、加、澳大利亚在这一时期均有反映这方面工作 的信息出现。“其中澳大利亚国防部材料实验室于1 9 8 4 年发表的一篇热隐身涂料研 靠4 报告引起了广泛的注意。据专家推测：热隐身涂料的研制工作已由初期探索进入活 跃的秘密开发阶段。 从国外现状看，仍然存在一些问题：第一，国外的热红外伪装涂料已形成了彩色 化，但彩色品种仍不够丰富，进入实际应用阶段的较少；第二，国外研制的低发射率 涂料在对付可见光、红外和微波探测的兼容性方面，没有好的解决方案。 在国内，也有相当多的学者和技术人员从事迷彩伪装研究，并取得了定的成果。 其中有：刘世良“”( 1 9 9 4 ) 评述了2 0 世纪8 0 年代以来十年的世界上红外隐身材料的 发展状况。王家营、刘益民。1 ( 1 9 9 5 ) 针对军事装备研究了红外伪装涂料与涂层，它 是通过隔热、降低太阳的加热效应、控制目标表面的发射率等方式进行工作。利用涂 料时，注意要借助空气对流技术进行散热，而隔热涂料的机理则是将热能储存在一定 厚度的涂层中，降低热能的聚散速度，防止温度骤变。降低目标表面发射率，是采 用低发射率的红外涂料，二是使涂料的发射率随温度的变化而变化，采用高温低发射 率和低温高发射率的工作方式，三是将高的发射率转移至红外窗口以外的波段。预测 未来的红外涂料和涂层的频谱性能将和周围背景相适应，并兼顾防毫米波雷达和防化 学污染的效果，同时还有“热迷彩”伪装效果。具体讲就是发展低红外发射率的涂料 和涂层，以及发展发射率随温度变化的红外伪装涂料。康青“”( 1 9 9 6 ) 对0 7 8 1 4 9 m 红外波段隐身的现状作了综述，对红外隐身机理进行了分析，指出了近红外隐身与中、 远红外隐身的不同技术要求，采用红外反射材料模拟环境的红外特征实现近红外隐 身。特别是静止、常温目标的防护常采用此法，最典型的是模拟绿色植物背景与砂土 背景的红外隐身技术。如在近红外波段，模拟天然叶绿素红外反射曲线的颜料有：z n 0 2 加到c r - c o t i 也体系中的青绿色颜料，煅烧1 小时的c r 。0 。- c o o s b 。0 。，复合体，锌酸 钴绿，c r 。0 。( 1 m 0 1 ) c o o ( 2 m 0 1 ) t i o ：( 5 m 0 1 ) z n o ( 0 ? m 0 1 ) 在1 0 5 燃烧1 小时制成的粘软 深绿色颜料，7 1 2 a 涂料、i r c - 1 等。张辉“3 “( 1 9 9 7 ) 研究了真空度对织物红外辐射 性能影响以及影响织物红外线透射因数的主要因素。叶宁英等人“”( 1 9 9 9 ) 阐述了物 体红外辐射的原理，分析了红外热像仪等夜视技术的原理和特点，研究了军事目标与 背景红外辐射的能量差异及传输衰减的规律，进而优化军事目标热红外伪装手段及对 抗措施。华涛“1 ( 1 9 9 9 ) 从红外伪装涂料、红外伪装材料复合加工和服装设计等方面 综述了国外红外伪装服的研究和进展。韩景平0 1 ( 2 0 0 0 ) 对迷彩涂料涂装的隐身技术 进行了阐述。李晓霞等人“”( 2 0 0 2 ) 对热红外成像侦察技术对军事目标形成的严重威 胁，介绍了三种新机理型热红外伪装体系：1 ) 三色涂料体系，该体系由三种颜色的伪 装涂层材料叠加而成，它们在红外光区分别具有低、中、高发射率，在可见光区分别 为黑、绿、棕色。三色涂料以一定形式叠加在军事目标上，利用涂层和孔洞的明暗组 合实现目标与背景在红外及可见光区的融合。2 ) 相变材料体系，即将相变材料以微胶 囊的形式分散在基体中，并与红外吸收涂料或可见光伪装涂料混合后，涂覆在目标表 面，利用其发生相变时伴随的吸热效应，对目标产生的热量和目标温度加以控制。3 ) 簇饰物伪装体系，选用低发射率的聚合物薄层材料做成叶簇状饰物附在常规伪装网 上，在移动目标的周围产生空气流，从而达到散热和抑制目标红外辐射的目的。候振 宁“”( 2 0 0 1 ) 针对飞机、坦克、舰艇等军事装备，利用屏蔽、低发射率涂料、热抑制 等措施，通过改进结构设计和利用红外物理原理来衰减、吸收红外辐射能量，从而实 现红外隐身。田乃林。3 ( 2 0 0 2 ) 针对运动军事目标的红外辐射进行防红外研究，如飞 机、坦克、军舰和导弹等，都拥有大功率的动力源，运动时产生强烈红外辐射。某些 高速运动目标，如飞机、导弹等，在飞行过程中，它们的外壳与大气摩擦产生的热也 是红外辐射源。红外探测器就是利用目标自身产生的红外辐射来完成识别、跟踪、制 导和攻击任务的。中科院化学所李素珍等合成了席夫碱的钴盐和铁盐，在8 2 0 u m 范围内，1 0 0 。c 时，发射率达到0 7 左右；中科院化学所万梅香等研究了用导电高聚 物搀杂的方法得到低发射率材料，在8 2 0 岬范围内，发射率达到0 4 左右。此外， 国家在“8 6 3 ”项目中专门设立了红外隐身的研究课题，研究内容包括：高分子基质加 铝粉、纳米级铝薄膜、无机金属氧化物、导电高分子材料等。就总体而言，目前国内 研制的产品，其彩色颜料品种仍然较少，没有形成彩色系列，要实现向实际生产转化， 仍有许多细致的工作要做“。 1 2 2 染料技术的应用 采用涂料伪装不用过多地考虑被伪装物表面的材质，因而涂料伪装被广泛地应用 到飞机、坦克、舰船等各种军事装备上。可是，对士兵来说，他的伪装主要靠穿着的 服装，这样以来伪装后的服用性能就是非常关键的评价指标。对纺织面料而言，之所 以采用涂料伪装，主要是因为涂料不用深入纤维并与之结合，而只是附着在纤维表面， 6 这样就不必更多地考虑与纤维结合时的物理化学因素。但是，涂料中的金属及其氧化 物颜料大量使用会导致热红外波段的过度吸收，以致增加了对雷达波、可见光和激光 的反射，不利于激光、雷达和可见光隐身，而且涂层后的面料的吸湿性、透气性、耐 水洗性等服用性能也都有所下降。于是，有学者采用染料代替涂料形成热隐身材料。 张建春“1 ( 2 0 0 2 ) 提出了红外( 紫外) 荧光染料的发色理论，研制出了林地、荒漠、 沙漠、海洋、城市、山地、雪地等7 种迷彩伪装服，初步形成了迷彩染料、图案、织 物、产品系列化。王书勤“”( 2 0 0 2 ) 介绍了美、英、法、日、德、俄多个国家以及中 国台湾地区的不同功能的迷彩服。更多关于染料代替涂料形成热隐身材料的消息还鲜 有报道。一方面是有关染料的合成、结构和组成以及应用均是秘密进行的，另一方面 要想达到令人满意的效果可适合于军事用途，还有待于进步的技术攻关。 i 3 问题的提出 伪装与侦察之间的斗争都是围绕目标与背景来进行的。任何目标都处在一定背景 下，由于目标与背景的外貌和性质不同，二者之间就不可避免的要产生差别。现代科 学技术的发展与运用，推进了侦察装备现代化的进程，现代侦察设备正朝着全天候、 全天时、远距离、大面积、实时监控战场、高精度、快速定位识别目标和提高战场生 存力的方向发展。地面侦察装备的品种多、装备量大、任务范围宽。其中，以光电夜 视器材发展的最为迅速。光电侦察设备包括可见光、夜视、激光、电视和光电综合设 备。 随着近红外和夜视器材大量装备部队，给地面作战人员生命带来了严重的威胁， 因此针对近红外设备探测的伪装织物的研究十分必要，近红外伪装织物不仅要具备防 近红外探铡的能力，而且要具备防可见光迷彩伪装的要求，这样才能保障伪装织物满 足军事作战的要求。 目前很多关于防红外伪装方面的研究，都只是针对各种军事装备，比如像作战飞 机、坦克装甲车、舰艇等，这一方面我国落后于国外，因此在这种背景下研究和发展 防红外伪装是很迫切的。对于迷彩伪装服的发展趋势主要是对付不同波长的微光夜视 仪，向能对付1 2 m 、3 5 9 m 、8 1 4 p m 波段的方向发展。虽然对军服的防红外伪 装研究也在进行，但由于纤维织物不同于钢铁机械，而且又是直接穿在士兵的身上， 所以要考虑除防红外效果之外的人的舒适性，这样一来难免要求高些、顾虑也会多些。 本课题针对绿色丛林背景，从近红外探测设备的工作原理和以往的防红外迷彩伪装着 手研究，对已知的部分染料进行最佳防近红外效果的染料筛选，从中找出一套最佳的 印染工艺，结合相关理论予以实旖，最终通过检测其防红外伪装性能，以期达到防近 红外的目的。 绪论 1 3 1 红外线波段的划分 红外线是一种电磁辐射，故也称红外辐射，它是电磁波谱的一部分。众所周知， 电磁辐射都具有波动性，红外电磁波是一种横波，因此红外线具有与可见光同样形式 的反射、折射、干涉、衍射和偏振等规律，即它既具有粒子性又兼有波动性。其一个 光量子的能量为： 一个光量子的能量= hv = h c 九( 卜1 ) 式中，h 为普朗克( p l a n k ) 常数，等于6 6 2 3 1 0 2 7 尔格秒；v 为波的频率； 为波长；c 为红外线真空中的传播速度，约等于3 1 0 8 米秒。波长约0 7 6 1 0 0 0 山n 的区间属于红外区。为方便起见，通常又将这个区间划分成许多段，这种分段法并不 统一。不同的应用领域有根据其自身的特点的分段法。物理化学中，把 1 3 帆，1 3 2 5 帅，2 5 2 5m ，2 5 1 0 0 0 “m 分别称为照相波段、谐振波段、基振波段和旋转 波段；在红外探测技术领域内：0 7 6 3 p m 称为近红外，3 5 p m 称为中红外，8 1 4 p _ i n 称为远红外；在光谱学范围内，把i 3 p n 作为近红外，3 4 0 p m 作为中红外，4 0 1 0 0 0 帅作为远红外1 ：在军事应用上，红外光目前主要分为波长0 7 2 5 m 的近红 外和波长为3 1 4 m 的热红外两个波段“。 当红外线照射到任何一种材料的表面上时，将出现三种现象：一部分能量被吸收， 一部分能量被反射，一部分能量被透过。由于能量守恒，故o “： + y + t = l( 1 2 ) 式中，a 为材料对红外线的吸收率；y 为材料对红外线的反射率；t 为材料对 红外线的透过率。由于好的吸收体也是好的辐射体，材料的红外吸收率可近似的认为 等于发射率，因此得出： e=q ( 卜3 ) 对于不透明材料来说： 1 3 2 本课题研究的意义 随着红外侦察威胁的提高，各种防红外侦察的手段日趋重要。美、英、日等国家 均开始了防红外侦察方法研究，其中尤以防红外侦察伪装材料的研究最为重要。红外 材料的研究已有近半个世纪的历史，而国内红外伪装材料的研究是从八十年代开始 的。由于各国红外伪装研究属高度机密的技术，有关染料的合成、结构和组成以及应 用均是秘密进行的，很少发表有关的技术。本论文通过总结以往研究的基础上，找出 防近红外伪装的关键性染料，为实际应用提供理论依据。 在以往研究中是将t i 0 2 、f e ：0 ，、z n o 等金属氧化物制成涂料在织物表面涂层，从 而达到降低织物对红外线的反射率的目的，但该方法的缺点是大量使用这些颜料会导 致热红外波段的过度吸收，增加了对雷达波、可见光和激光的反射，这不利于激光、 雷达和可见光隐身，而且涂层后的面料的吸湿性、透气性、耐水洗性等都有所下降； 再有，由于颜料自身性能限制，调制出与背景完全接近的伪装颜色是困难的，一般有 一个规定限度内的伪装色的允许偏差。而本课题采用染料印花正是从克服这些方面的 缺点的角度出发，以保证良好的红外伪装效果。因此，对于防近红外迷彩伪装面料的 研究具有一定的理论意义和现实意义。 在现代战争中，近红外迷彩用于个体防护是形势所趋，而本研究符合隐身技术发 展的趋势。因此对防红外伪装技术的研究不仅是我国军事发展的需要，也是未来迷彩 伪装的需要。 1 3 3 拟采取的研究方法、技术路线 迷彩伪装的主要任务是缩小目标与背景之问的反差。目标与背景的差异主要有： 颜色对比差异、亮度对比差异、彼此阴影的差异。本文以迷彩面料防近红外伪装性能 实现为题进行研究，旨在缩小二者间的反差，消除目标的典型轮廓特征，从而降低侦 察仪器的识别能力，达到红外伪装的良好效果。本研究拟采用染料筛选的办法，选用 d y s t a r 的分散染料和c i b a 的还原染料，在对涤纶、纯棉织物进行染色实验以及对涤 棉织物的印染基础上，通过分析紫外可见近红外光谱反射特性、色度指标、色牢度、 表面深度( k s 值) 等性能测试结果，试图找到影响涤棉织物防近红外伪装的关键性 染料，即从中选取反射光谱曲线与树叶比较接近的低反射率的染料。 拟采用的技术路线：染色工艺的比较选择一分散染料的筛选一性能测试一还原染 料的筛选一性能测试一混纺织物印染一性能测试 9 防近红外迷彩伪装的理论基础 2 防近红外迷彩伪装的理论基础 2 1 防近红外伪装原理 对于近红外来说，目标与背景的亮度差别是主要暴露征候，防近红外伪装就是对 目标进行处理，设法减少或消除目标与背景之间的亮度差别，使伪装目标与背景的红 外特征相适应“3 。防红外侦察主要是指防近红外侦察“1 。在绿色丛林背景下，通常情 况防近红外侦察的伪装是叶绿素伪装，这就要求近防红外伪装染料在可见光和近红外 的范围内，与天然叶绿素有近似或相同的反射程度。目前常用的红外探测方法有：红 外夜视仪，人眼观察的红色滤光镜，红外摄影。这几种红外探测方法相对敏感的光谱 区为：人眼，0 4 o 6 p m ；眼睛+ 红色滤光镜，0 6 4 0 8 5 m ；红外摄影，0 7 8 0 9 5 p r o ：红外夜视仪，0 8 2 1 2 5 m 。防近红外伪装染料必须在上述各个光谱区间 内具有与绿色植物近似或相同的反射程度，必须具有该地区的各种不同植物的平均光 谱反射曲线，即该地区的标准叶绿素曲线。 红外线与颜色的色彩差异无关，它发现目标的依据是其与背景的亮度差别。在近 红外波段，天然植物的光谱反射系数很高，即亮度很大，而一般绿色染料的光谱反射 系数很低，如果用单一绿色染料代替植物绿色，目标很容易被发现。因此，近红外伪 装，主要任务是设法减少或消除目标与背景间的亮度差别。这样就要求防红外伪装材 料具有极低的红外线吸收率、高温稳定性和导热性以及要求表面组织结构与背景协 调，尽量避免镜面反射。在该波段。“，由于红外侦视主要是根据被伪装物的反射，因 此，伪装常采用吸收性涂料涂层，即使用具有低的近红外反射涂料涂层来模拟背景的 反射。采用红外反射材料模拟环境的红外特征实现近红外隐身，特别是静止、常温目 标的防护常采用此法，晟典型的是模拟绿色植物背景与砂土背景的红外隐身技术”。 普通的纺织材料经过一定的纺织、染整加工和特殊的产品设计，可以成为具有特 殊性能的伪装材料。在实际应用中，通常采用对普通纺织材料制成的伪装服表面进行 红外伪装涂料的涂层加工，并采用特殊的服装设计来制造红外伪装服。 对于颜色单调的环境诸如沙漠、雪原、海洋等宜用单色或双色迷彩。而多色迷彩 宜根据目标环境诸如热带森林、山地、丘陵等的不同而采用深浅颜色交错配置的三色 或四色迷彩涂装，且各色斑点面积大小不相同。各迷彩斑点的尺寸可按下式计算： a = n d 3 4 0 0 式中：a 为迷彩斑点可见尺寸 d 为观察距离 n 为计算系数，当保护色与对比色的亮度对比k o 4 ，n = 2 5 3 ；当k 0 表示试样比标样鲜艳；a c o ，则表示标样比试样鲜艳； 色相差( h ) ： h = 【( a + ) 2 + ( b + ) ：( c ) 2 k ( 3 3 ) 表3 7 树叶与试样7 # 、8 # c i e l a b 色差数值 样品编号 ” a 十聃chla ca h 从表3 7 中可以看出：试样7 # 的深度差( 或明度差) a l 0 ，这表明试样7 # 颜色较深，不及树叶5 鲜艳，在a b 图上 试样7 # 的颜色点位于树叶5 的反时针方向上；同样可知，试样8 # 颜色略深，比树叶 5 鲜艳，在a b 图上试样8 # 的颜色点也位于树叶5 的反时针方向上。综合试样7 # 、 8 ! 的色差参数值来看，试样7 # 的色相和颜色饱和度更接近树叶5 ，而试样8 # 的明度 更接近树叶5 ，也就是说用染料不能完美地模仿树叶的绿色。 三、色牢度测试结果 表3 - 8 样品色牢度测试结果 表3 - 9 试样色牢度评价等级 实验 表3 - 8 、3 - 9 很好地印证了，无论是单一颜色还是拼色，分散染料都具有良好的 染色牢度。 四、树叶近红外反射光谱特性 1 e 0 萋 2 0 o 0 囔 豢 饕 髓 5 0 01 0 5 0 02 0 0 02 6 3 0 0 0 w a ye l e n g t h ( n m ) 图3 - 3 阔叶林树叶正、反面反射光谱特性曲线 援捷矗细 图3 4 不同植物的光谱反射特性曲线和“平均”曲线” 实验 由图3 - 3 并结合图3 - 1 、图3 4 可以看出，其实各种绿色植物的光谱反射曲线的 形状大致相似，光谱反射曲线基本上都是在0 7um 处曲线急剧上升，斜率较大；同 时可以看到对同一片树叶其正反两面的反射值是不同的，这是跟它们的结构密切相关 的。但是它们的近红外反射值则依植物的不同而出现大小差异。 五、试样在近红外波段光学特性分析 6 0 5 0 4 0 一 喜3 0 2 0 1 0 0 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 1 1 0 0 w a v e l e n g t h ( n m ) 图3 - 5 涤纶单染料光谱特性曲线 注：l # 为d i a n i x 藏青s 一2 g ，2 # 为d i a n i x 金黄e t d ，3 # 为d y s t a r 分散黄e - 3 r l ，4 # 为 d y s t a r 分散蓝e 一4 r ，5 # 为d i a n i x 翠蓝e t d ，6 # 为d y s t a r 分散黑s - 2 b l 。 为了确定出哪种染料在近红外波段起作用，进行了试样l # 6 # 的染色实验，并 测试了各试样的反射光谱曲线，如图3 5 。从图中可以看出2 # 和3 # 、l 抖和4 # 的反射 光谱曲线比较接近：但从反射值的突变位置来看，1 # 和4 # 更接近树叶叶绿素的光谱 特征；由于试样7 # 分别用3 # 、4 # 、5 # 、6 # ( 少量) 的染料拼色而成的，从图3 2 中 得知试样7 # 与树叶的反射光谱曲线接近程度较大，因而可以说4 # 染料在模仿叶绿素 的反射特征中起了较大的作用。 综合上面的实验数据及特征曲线可以得出以下三点结论 实验 1 进一步验证了，不同树叶的光谱反射特征大致相似，基本上都是在0 7pm 处曲线 急剧上升，斜率较大，但反射值的高低有所不同。 2 进一步验证了，在绿色背景下要得到较好的防近红外效果，就必须使染色试样很 好的模拟绿色植物背景，也就是说染料的光谱特征与叶绿素的光谱特征要尽量一 致。 3 在染涤纶时，染料4 # ( d y s t a r 分散蓝e - 4 r ) 和6 # ( d y s t a r 分散黑s - 2 b l ) 具有 较好的防近红外伪装效果。 3 2 还原染料筛选 3 2 1 实验仪器、试剂和材料 一、实验仪器：参考表3 - 1 二、化学试剂：见表3 1 0 表3 1 0 试剂规格 三、实验用布：见表3 - 1 1 表3 一儿织物规格参数 四、染料：见表3 1 2 表3 - 1 2 染料规格 品名药品纯度( ) 生产厂家或采源 汽巴能黄r k 1 0 0 汽巴精化( 中国) 纺织染料技术服务中心 汽巴能黄3 r 1 0 0 汽巴精化( 中国) 纺织染料技术服务中心 汽巴能兰6 f j1 0 0 汽巴精化( 中国) 纺织染料技术服务中心 汽巴能兰r s j1 0 0 汽巴精化( 中国) 纺织染料技术服务中心 汽巴能兰8 3 9 6 21 0 0 汽巴精化( 中国) 纺织染料技术服务中心 汽巴能黑b 一0 l1 0 0 汽巴精化( 中国) 纺织染料技术服务中心 汽巴能绿b f1 0 0 汽巴精化( 中国) 纺织染料技术服务中心 汽巴能橄榄2 r - 0 11 0 0 汽巴精化( 中国) 纺织染料技术服务中心 实验 3 2 2 实验方法 从还原染料的染色过程来说，包括四个基本步骤：第一步是染料的还原，即不溶 性的还原染料转变为可溶性的隐色体；第二步是隐色体上染，即染料的隐色体被纤维 吸附并向纤维内扩散；第三步是隐色体氧化，即染着在纤维上的隐色体经氧化转变为 原来不溶性的还原染料；第四步是皂洗后处理，即进行充分皂煮以得到稳定的色光和 良好的染色牢度。对悬浮体轧染工艺来说，尚需经胶体研磨( 或砂磨) 配成染料悬浮 体，织物通过染液的浸轧，靠机械压力均匀地把染料分布在纤维上，而上述四个过程 与隐色体浸染法基本相同，因此本实验采用该法。 一、隐色体法染色工艺曲线： 浴比：1 ：5 0 i 3 0 m i “3 “l 。 4 0 5 0 0 c l 3 0 m i n t 染辩- 2 3 n a o i i - 保酴粉 1 鼢6 1 2 韩a c l 皂洗衍处雕 1 赋n o h 注：1 n a c i 做促染剂可以提高染料的上染率；平平加0 ( o 2 m 1 ) 做匀染剂。 2 还原用料： n a o h ( 3 6 b e 。) 3 m l 视各染料上染情况增减p h = 1 3 n a c i 1 2 9 保险粉029 3 9 5 0 c 皂煮l o m i n ；4 0 0 c 水洗；空气中氧化1 5 3 0 m i n 。 二、染色样品及染料配方 1 单一染料的配制：见表3 一1 3 配制时单料染色深度：3 ( 对织物重) 表3 - 1 3 试样及配方 2 拼色染料的配制： 9 # 样品： 汽巴能黄r k1 5 m l 2 7 实验 汽巴能蓝g f j 汽巴能黑b - 0 1 汽巴能绿b f l o t ) 样品： 汽巴能黄3 r 汽巴能蓝8 3 9 6 2 1 1 # 样品： 汽巴能黄r k 汽巴能蓝r s j 汽巴能蓝8 3 9 6 2 汽巴能黑b - o i 1 2 # 样品： 汽巴能黄r k 汽巴能蓝g f j 汽巴能蓝r s j 汽巴能黑b - 0 1 1 3 # 样品： 汽巴能黄3 r 汽巴能黄r k 汽巴能蓝8 3 9 6 2 汽巴能黑b - 0 1 汽巴能橄榄2 r - 0 1 3 2 3 测试指标 一、反射光谱曲线的测试 用日立u - 4 1 0 0 型紫外可见光近红外光分光光度仪测定试样和树叶反射光谱曲 线，波长扫描范围2 4 0 2 6 0 0 n m ，紫外可见光波段扫描速度1 2 0 0 n m m i n ，近红外波段 扫描速度7 5 0 n m m i n 。 二、耐洗色牢度和摩擦牢度测试 按g b t 3 9 2 1 3 - 1 9 9 7 方法测定试样的耐洗色牢度和摩擦牢度，然后用评定变色用 的褪色灰卡和评定沾色用的沾色灰卡，分别评定褪色牢度和沾色牢度等级。 三、布面深度效果( k s 值) 表面深度是指不透明的固体物质的颜色给予人们的直观深度感觉，表面深度的大 小，常受固体物质中有色物质含量的多少、有色物质的物理状态、固体表面的光学性 妇， i 暑l 暑 l l i l i ，钿 l 暑翮钿 胁0 瓢l l i d m m m l l l c ；1 三n l h n m 乱h l n h 质等各种因素影响。一般来说，k s 值越大，表示颜色越深；k s 值越小，则表示 颜色越浅。 3 2 4 结果与讨论 一、不同还原染料的反射光谱特性 6 0 5 0 4 0 邕3 0 比 2 0 1 0 0 0 w a v e l e n g t h ( n m ) 图3 - 6 汽巴能黄3 r 、汽巴能金黄r k 的染色基样与树叶的反射光谱 实验 禽 茁 w a v e t e n m h ( n r n ) 图3 7 汽巴能橄榄b 0 1 、2 r 0 1 、汽巴能绿b f 的染色基样与树叶的反射光谱 7 0 加 5 0 4 0 嚣 丘3 0 2 0 1 0 0 0删q 0 0 0 i 6 0 02 0 0 0 2 ( 5 0 03 0 0 0 w a v e i e n g