西安工程大学樊威教授团队：一种优异电磁屏蔽、红外隐身、阻燃性能的军用纺织品！

  随着高精度武器和无人机的应用，战场上被发现即意味着被毁灭。因此，利用伪装技术削弱敌方侦测已成为保障军队战斗力的重要手段。在实际战争中，军事设备受到电磁干扰轻易造成运行失常，与此同时设备正常运行产生的气温变化也容易被红外探测器侦测造成目标暴露，因此军用电磁屏蔽织物还需兼具红外隐身功能，提高被保护目标的安全性和伪装性。目前，军用隐身织物存在性能单一、无法同时兼具电磁屏蔽和红外隐身性能、制备方法复杂、成本昂贵、耐久性差等缺陷，难以满足用量庞大的多功能军用织物的装备需求。鉴于复杂多变的作战环境，开发兼具电磁屏蔽、红外隐身、阻燃、疏水和复杂环境下使用稳定性的低成本多功能军用纺织品对提升我国军事装备水平具备极其重大意义。

  为此，西安工程大学樊威教授团队设计了一种多层结构的复合织物，将疏水型阻燃镀铝芳纶织物（FH-Al）、阻燃型碳化废旧棉纤维针刺毡（CR-WCN）与废旧碳纤维针刺毡（CFN）采用简单的缝合工艺进行复合，制备出集电磁屏蔽、红外隐身、疏水、阻燃等多功能于一体的多功能军用纺织材料，即多功能镀铝阻燃芳纶-碳化废旧棉纤维-废旧碳纤维复合织物（A-FCWCF），拥有非常良好的发展前景。

  该材料制备方法如图1所示。SEM、EDS、XPS（图2）根据结果得出，经过真空镀Al后，原始军绿色阻燃芳纶表面呈现出金属光泽，Al粒子成功沉积在织物表面，且Al纳米颗粒的平均尺寸约为80 nm。利用IR-2双频红外发射率测量仪在室温下对阻燃芳纶织物和FH-Al织物的红外发射率进行了测试，根据结果得出FH-Al织物具有较低的红外发射率，其在3~5 μm和8~14 μm红外探测波段的发射率低至0.58和0.6。为了更好地阐明阻燃芳纶织物在真空镀Al前后的红外隐身性能，通过放置在56℃的热源上记录了红外图像，如图2所示。实验结果证明，低发射率的FH-Al织物可以在某些特定的程度上提高织物的红外隐身效果。

  利用SEM、EDS、XRD和Roman光谱分别测试了不同碳化温度下碳化废旧棉纤维针刺毡（C-WCN）的形貌和微观结构。如图3所示，随着碳化温度的升高，所有样品都表现出管状结构，并交织成网状，且纤维直径伴随着显著的收缩。同时，随着碳化温度的升高，C-WCN样品的孔径和孔隙率逐渐增加，这有助于延长电磁波多次反射和红外波的传输路径。其中，C-WCN-500℃具有最高的孔隙率和孔径，约为~68%和51 nm。此外，随着碳化温度的升高，C/O比例逐渐增加，C-WCN石墨化程度有所提高，与传统石墨烯材料相比，C-WCN具有相似的缺陷强度，表明相比来说较高的缺陷强度是由空位缺陷引起的。C-WCN的高缺陷浓度增加了电磁波的损耗，延长其传输路径，这有利于电磁多次反射。此外，由于C-WCN的高缺陷和高孔隙率，C-WCN拥有非常良好的电磁屏蔽和红外隐身性能。

  EMI屏蔽效率（EMI SE）是评价入射电磁波在屏蔽材料中衰减的一个重要参数，如图4所示。基于层状结构设计，A-FCWCF复合织物的EMI SET高达~79 dB，分别是F-Al、C-WCN和CFN样品的30.38、11.45和1.38倍。同时，A-FCWCF织物的R功率系数始终远大于相应的A功率系数，证实了A-FCWCF复合织物具有以反射为主导的电磁屏蔽机制。其中，A-FCWCF复合织物的SEA（74.24dB）超过了SER（4.73dB），证明了SEA对SET的贡献占据主导作用。A-FCWCF复合织物的优异电导率高达81.3 S/m，远超于了商业电磁屏蔽材料导电率的要求（1 S/m）。此外，当A-FCWCF复合织物的厚度为6 mm时，电磁屏蔽效能（EMI SET）达82.63 dB，满足军用电磁屏蔽材料高于75 dB的要求。

  良好的红外隐身是EMI屏蔽织物的另一个不可或缺的功能，有助于保护电子设备和军事武器材料免受敌人的多种手段探测，如图5所示。其中，A-FCWCF复合织物具有较低的发射率（0.6）和导热系数（0.1115 W/m·K），证实了复合织物具有低发射率和优异的隔热能力。将其置于57 °C下30 min后，厚度为6 mm的A-FCWCF复合织物其表面温度低至29.5 °C，拥有非常良好的红外隐身效果。此外，考虑到实际恶劣的超低温度的环境，将A-FCWCF复合织物置于环境和温度为-30℃的热源（37 °C）上（模拟人体在寒冷的作战环境），对比传统的军用织物，A-FCWCF复合织物展示出优异的红外隐身效果，能够很好的满足军用需求。最后，将A-FCWCF复合织物在放置在手上时，在红外探测设备下实现了“消失”，因此该复合织物可以大大降低目标辐射强度，降低被红外探测器探测到的概率。

  复杂多变的实际环境对多功能军用帐篷提出了更高的要求，如图6所示。A-FCWCF复合织物具有约367 g/m2的织物重量，这更接近军方目前对轻型军用帐篷的要求。同时，A-FCWCF复合织物能承受大约310 N的拉力，远超于其他帐篷织物。此外，A-FCWCF复合织物表现出优异的疏水性能，即使在雨天也能保持优异的电磁屏蔽和红外隐身性能的稳定，为军事设备的正常运行提供了保障。经过垂直燃烧实验证明，A-FCWCF复合织物的阴燃时间、续燃时间和损毁长度均为0，证明其具备优秀能力的耐热性和阻燃性。

  对A-FCWCF复合织物的环境稳定性、机械性能和耐候性进行了评估，以评估其对复杂应用环境的适用性。在实际使用中，复合织物可能承受反复弯曲和表面磨损造成的物理损伤。通过对A-FCWCF复合织物进行弯折和耐磨实验，证明了A-FCWCF复合织物具备优秀能力的耐弯折性、疏水性及杰出的电磁屏蔽和红外隐身性能（图6d和6g）。此外，由于其优异的疏水性，即使暴露在腐蚀性的酸性和雨水中，织物的EMI和IR隐身性能也几乎保持不变（图6e和6h），满足了军事应用的要求。最后，由于A-FCWCF复合织物经常暴露在强紫外线辐射和高温等具有挑战性的环境中，因此对其进行了高温加速老化和加速人工风化试验，以分析其耐候性，结果进一步地证明了复合织物在不同的复杂环境中表现出优异的耐用性（图6f和6i）。总之，A-FCWCF复合织物具备优秀能力的耐久性，能够很好的满足复杂环境下的应用需求。最后，通过进一步评估A-FCWCF复合织物和传统军用帐篷织物的成本、化学能耗、废液排放和环境友好性，说明A-FCWCF复合织物具有较低的成本，而且具有可持续性和制备简单等特点，能够在未来大规模生产，研究结果可为多功能军用纺织品的设计与开发提供新策略。