军用智能装备 [智能纺织品及其在军用装备上的应用]

　　智能纺织品具有感知、响应和反馈等三大要素，是未来纺织服装的发展方向，也是各国军方追求的目标。本文分析了目前典型的几类智能纺织品的技术现状和特点，并探讨了其在军用装备上应用的可能性。
　　Embracing with three elements which are sense, response and feedback, smart textiles is a development trend of textile and apparel industry and research goals for military of many countries as well. This paper analysed the technology status quo and characteristics of several typical kinds of smart textiles, and discussed their application potential on military equipments.
　　
　　1概述
　　
　　智能材料是模仿生命系统、具有感知和驱动双重功能、对使用环境敏感且能对环境变化做出响应的材料，其显著特点是将高技术的传感器和执行元件与传统材料结合在一起，赋予材料以新的性能，使无生命的材料具有越来越多生物所特有的属性。感知、反馈、响应是其三大要素。智能纺织品是其中的一个重要分支，同时具有感知、反馈、响应的特性以及纺织品柔软可穿用的特点。
　　能够感知外界环境变化、并根据外界环境变化判断作出应对措施、然后进行相应的结构或性能调整来适应外界环境的智能纺织品，一直以来都是各国军方梦寐以求的。例如，能够随着环境颜色变化而调整自身颜色的“变色龙”迷彩纺织品，能够自动调节温度来适应环境温度变化的纺织品，能够远程探测士兵生理参数、受伤部位及程度并进行调节和治疗的电子信息纺织品，能够在可见光波段实现隐身的高级智慧型功能纺织品等等，无一不是各国军方追求的 目标。
　　根据目前已有的报道和研究，典型的智能纺织品主要有以下几大类：电子信息智能纺织品、变色纺织品、相变材料和智能调温纺织品、形状记忆高分子及纺织品、基于水凝胶的智能纺织品和基于人工周期性结构的隐身纺织材料。本文结合这几类智能纺织品的特点以及军用纺织品的应用要求等，就其研发现状及其在军用装备方面的应用进行了 探讨。
　　
　　2典型的智能纺织品及其在军用装备上的应用
　　
　　2.1电子信息智能纺织品
　　微电子信息技术和纺织技术的完美结合，造就了电子信息智能纺织品。严格说来，该类纺织品表现为通过多种信息处理系统实现对多种信息的探测或处理，只是多个分系统的组合；是多功能的集合，还停留在功能材料的智慧水平，属于消极智能纺织品。比如可穿戴的计算机、用以检测人体生理指标的LifeShirt、用以探测弹伤位置的SmartShirt等。目前已商业化的部分电子信息智能服装如表 1 所示。
　　
　　微电子元件和纺织品的结合有 3 种技术水平：（1）模块化技术：将电子元件作为纺织品的附件，电子元件和纺织品的功能各自独立，比如Philips � Levi’s的ICD款式的夹克；（2）嵌入式技术：电子元件被接合到纺织品的某一部分织物中，比如附加在织物上通过导电纱线连接的电路板，基于织物的柔性传感器、整合电路等；（3）基于纤维的技术：部分或所有必须的电子元件及传感器直接由纤维和织物构成。
　　无论何种技术水平，电子信息智能纺织品的关键技术在于电子元件的微小型化及柔性化。其中，电子元件的微小型化属于电子技术范畴，而柔性化则大多需要通过纺织技术来达到。目前文献中报道研究的柔性化电子器件主要有织物传感器、织物电极、可传输信号的导电纤维或纱线、织物线路板、柔性显示器等，如图 1 所示。以上各种织物传感器类产品都是通过将导电物质涂敷于织物上或将导线织入织物等方式赋予织物导电性能来实现的。因此，研发并掌握具有传输信号功能的导电纤维和织物的关键技术是电子元件柔性化的根本。
　　目前已商业化的这些电子信息智能纺织品给了各界极大的鼓舞和信心，但它们还存在一些亟待解决的问题，如能源供应、柔性集成电路、电子部件的耐水洗和耐汗渍等性能以及各接口的稳定性问题等。
　　
　　美军和我国军方都已展开了对该类纺织品的研发及应用，主要集中在电子元器件的微小型化和柔性化，基本处于模块化和嵌入式水平阶段。可以预见，未来战场上，单兵只需穿着一件信息化作战服装，就可以通过服装上内置的各种传感器来感知战场和人体的各种状态变化，探测枪伤的位置并给药，通过内置的柔性键盘和开关来处理获得的信息，并通过无线信息传输技术将这些信息传送给指挥部门或邻近的战友，从而接受指挥部门的命令或战友的信息。
　　2.2变色纺织品
　　变色材料是指其颜色随着外界环境变化而发生改变的物质。材料变色的基本原理是基于当相应的外界条件发生变化时，材料对可见光的吸收光谱发生变化。变色材料实质是变色染料或颜料，通过将具有变色功能的单体与其他单体共聚或作为侧基引入获得。根据发生响应的外界条件，变色材料可分为光致、热致、电致、压敏和湿敏变色材料，表 2给出了其中 4 类材料的特点。
　　
　　一般通过 3 种途径可以获得变色纤维：（1）在溶液纺丝过程中加入变色染料和防止染料转移的试剂，如日本松田色素化学工业公司生产的变色纤维；（2）将变色染料制成色母粒，通过熔融纺丝制成变色纤维，如日本帝人和可乐丽公司制成的皮芯结构的变色纤维；（3）在纤维表面进行涂层或聚合。其中第 3 种方法还可以直接应用于纱线或纺织品。具有实用价值的变色纺织品必须具有以下特点：（1）必须能够发生可逆的变色；（2）变色响应速度快，一般为毫秒至秒级；（3）颜色稳定；（4）颜色的重现性、耐疲劳和反复变色性好。
　　研发用于军用装备的变色纺织品必须选择合适类型的变色染料并通过适当的途径应用到纺织品上。虽然光致和热致变色染料得到了更多的研究和关注，但由于光强和温度属于自然条件，对其敏感的变色染料难以人为主动控制，因此只有通过电场变化控制的变色染料才可以做到人为控制变色，即到任何环境都可以人为调控纺织品的颜色。通过研制变色纤维的方式获得的纺织品具有较好的水洗性和摩擦牢度。该技术可用于军用变色迷彩的研发。
　　2.3相变材料和智能控温纺织品
　　根据温度的不同，物质的相态可以发生转变，即发生固－液、固－气、气－液的相转变，在相转变过程中，物质从环境吸收热量或向环境中释放热量。相变材料就是能够随环境温度变化而发生相转变的物质。作为适于工业化应用的相变材料必须具有相变温度合适、储热能力强、相变过程中体积变化小、可逆性好、过冷程度低、导热快、价格低等特点。
　　目前得到广泛研究的几类相变材料的性能特点如表 3所示。
　　
　　为解决相变材料在纺织品中的有效含量比较有限、可智能控温时间较短的问题，可采用微胶囊、中空纤维、原位复合等技术途径，将数量较多的相变材料有效包容于纤维或纱线之中。同时，选用或专门研发热焓大的相变材料，使单位质量的相变材料发生相变时产生较多的能量，则有可能使相变材料成为具有实用价值的智能控温纺织品。
　　由于相变材料只在温度发生变化时才释放或吸收热量，因此相变材料适于用于环境温度变化比较频繁的场合，比如驻守于极冷地区、需要往返于室外和室内条件下的战士或司炉员。要达到较好的衣内恒温效果，服装体系必须具有较好的密闭性以保证衣内的微气候。
　　2.4形状记忆高分子材料及纺织品
　　形状记忆高分子材料是指具有某一原始形状的制品，经过形变并固定后，在特定的外界条件下能自动回复到初始形状的一类材料，主要为热敏形状记忆高分子材料，即受外界温度刺激后其形状和性能能够做出预定反应。该类高分子为两相结构，由记忆起始形状的固定相和随温度变化能可逆地固定和软化的可逆相组成。
　　常见的几种形状记忆高分子材料为交联聚乙烯、聚降冰片烯、聚乙烯 � 聚己内酰胺的接枝共聚物、形状记忆聚氨酯（SMPU）等，其中SMPU由于具有 －30 ～ 70 ℃可调的形变回复温度、加工容易、形变量可达 400%、耐候性和重复形变效果佳等特点，得到了广泛的研究和应用开发。如通过SMPU膜获得的智能防水透湿、药物缓释和保温织物，可随温度变化膜的孔隙变大使透气率透湿量增加；通过SMPU乳液对棉麻织物进行抗皱免烫保形整理；通过SMPU模具制得的便携式餐具等，在到达形变温度以上时，可以回复到初始状态。
　　以上列举的几种SMPU材料在军用装备上均有很大的应用前景，比如通过SMPU可以制作可改变形状的生活便携用具，使其体积较小便于携带，而在使用时，只要给以一定的形变回复温度，就可使生活用具恢复原来形状。但是应用形状记忆高分子或纺织材料时必须选择合适的形变回复温度和形变回复次数，再根据这个要求设计两相结构的比例。
　　2.5基于水凝胶的智能纺织品
　　水凝胶是高分子链之间以化学键或物理作用力形式形成的交联结构溶胀体，是由水和高分子网络所组成的复合体系，是一种智能材料。水凝胶的一个重要特性是在一定的环境刺激条件下会发生体积相变，即当外界环境连续变化时，凝胶体积产生连续变化。根据响应的刺激信号不同，智能水凝胶可分为pH响应型、温敏型、光敏型、电场响应型、磁场响应型等。高分子水凝胶的合成以丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物、丙烯酸及其衍生物的均聚物和共聚物为主。
　　将水凝胶采用涂层、接枝共聚、纺丝等方法制成智能凝胶纤维或织物，可用于智能调温、抗浸、防渗透纺织品等。根据军用装备使用的环境条件，选择水凝胶对环境变化的响应时间、响应速率、响应体积变化率是研发相关军用纺织品的技术关键。
　　2.6基于人工周期性结构的隐身纺织材料
　　严格意义上来说，隐身材料属于超材料的范畴，是一种人工结构材料，但由于其具有极其特殊的结构和超性能，在本文中也简单加以阐述。
　　电磁波入射到物体上后，当不能被反射、或被完全吸收、或电磁波改变方向从该物体的边缘传播过去而不透过该物体时，该物体对于侦视手段具有隐身功能。通过以下途径可实现隐身：（1）吸收电磁波或降低对电磁波的反射率，如各类吸波材料；（2）改变电磁波在介质中的传播方向，使得电磁波绕过该介质继续向前传播，即该介质对于电磁波而言是透明和不存在的，如左手材料或负折射率材料、光子晶体等。
　　其中，第 2 种途径主要通过在材料上刻蚀周期性结构而获得负的磁导率和负的介电常数来实现。早在1968年，俄国物理学家Veselago就对电磁波在介电常数ε和磁导率μ同为负数的介质中的传播特点作过纯理论研究，但是直到1999年，D.R.Smith和伦敦大学帝国理工学院的Pendry利用周期性排列的金属条和开口金属谐振环才制备了在微波 9.3 GHz波段同时具有负的介电常数和负的磁导率的介质，在该波段，微波可以绕过该介质向前传播，实现隐身。
　　虽然负折射率在概念上还存在争议，但事实已经表明，人工结构材料如光子晶体可以用来控制光的传播，且可以通过人工控制周期性结构尺寸以控制不同波段的光的传播。今后的研究方向是进一步减小结构尺寸、获得较为宽泛的可见光频段、可控制可见光传播方向、具有负折射率的光子晶体。
　　纺织纤维本身具有微米级的直径，如果在较小尺度上刻蚀周期性结构，以获得具有负折射率效果的纺织纤维，将是一件激动人心的事情，可以实现真正意义上的隐身。当士兵穿上这种纤维制作的服装时，可实现隐身。
　　
　　3结论
　　
　　总而言之，智能纺织品由于具有一般功能材料和高性能材料难以企及的智慧水平，即根据环境变化作为反馈并改变自己的行为，将是未来纺织行业的研发重点。相变材料、变色材料、电子纺织品、形状记忆纺织品和基于水凝胶的智能纺织品目前已得到了极为广泛的研究和关注，基本理论清晰，面对工业化应用的相关产品、需要解决的关键技术也比较清楚，这些为其在军用装备上的开发应用奠定了基础。具体如相变控温服装、变色迷彩、信息化作战服装、形状记忆生活用具和智能防渗透或抗浸服等，实现这些功能只需假以时日，同时努力提高实现的效能并解决附生的其它问题。而超材料 ―― 人工结构隐身材料已经实现了微波段特定频率的隐身，尚处于实验室起步阶段，但为实现真正意义上的光学隐身技术指明了前进的方向。目前这些技术虽然还远未达到实际应用技术水平，但一旦实现，必将彻底改变未来的战争模式，值得跟进和开展相关探索性的基础理论和技术研究。
　　
　　参考文献
　　[1] 师昌绪. 材料大辞典[M]. 北京：化学工业出版社，1994：1161.
　　[2] Tao X M. Smart Fibers，Fabrics and Clothing[M]. England：Woodhead Pub Ltd，2001.
　　[3] 顾振亚，陈莉. 智能纺织品的设计与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2006.
　　[4] 肖红，周宏. 信息化服装的关键技术探讨[A]. 中国纺织工程学会. 第八届功能型纺织品及纳米技术研讨会[C]. 2008：525 � 529.
　　[5] 陶肖明. 交互式的织物和智能纺织品[A]. 中国科协. 2006年中国科协年会论文集[C]. 2006：116 � 125.