一种用于高光谱隐身伪装的变色膜的制作方法

1.本发明属于高光谱隐身伪装技术领域，具体涉及一种用于高光谱隐身伪装的变色膜。


背景技术：

2.在现代战争中，指挥、控制、通信、毁伤、探测等技术高度集成，逐渐形成了“被发现”即“被歼灭”的现象。卫星高光谱技术可以通过分析、处理目标的高光谱数据，参照背景的光谱数据库轻易显示与背景环境不同的目标，因此传统的伪装手段已经无法提供充分的保护。高光谱探测技术是一种精密的光学探测技术，主要是通过光栅分光、声光可调谐滤波分光等原理降低光谱通道带宽，提高探测分辨率。由于红外大气窗口的存在，针对绿色植被背景的高光谱探测主要集中在全部的可见光波段(350～750nm)和近红外波段(750～2500nm)两处，其探测精度可达10nm。这一探测技术既可以识别不同的颜色，也可以识别相同颜色的不同之处。具体体现在，传统的伪装材料可以在视觉上达到与背景环境融合的目的，但是比较它们在高光谱探测下的成像结果，二者在350～2500nm内的精细反射光谱有明显的区别(即同色不同谱)。这种区别将导致目标暴露在敌方的侦察中。目前常见的地面背景有绿色植被背景、土壤背景等。绿色植被的光谱特征主要来自于植物叶片，其精细反射光谱包含以下几个特征(如图1所示)：第一、在550nm处的反射峰，强度为8～15％，该反射峰来自于植被的颜色；第二、在850～1150nm范围内的近红外反射高原，强度为50～60％，该反射高原是植物叶片内部独特的孔隙结构产生的；第三、在1400nm和1800nm处的吸收峰，强度分别为15～25％和5～10％，是植物叶片中的水产生的吸收峰；第四、1400nm与1800nm两处吸收峰之间的反射平台的强度，因植物种类的不同而存在区别；土壤在自然条件下没有明显的光谱特性，反射曲线较少明显的峰值与谷值，但是在植被较为密集的地区，土壤因其高含水量、高有机质含量呈现较低的反射率(如图1所示)，在颜色上也呈现为深褐色、黑色。为了实现在高光谱探测下的隐身伪装，急需一种可以充分模拟植被精细光谱的新型伪装技术，它需包含上述植物叶片的三个反射特征；同时，还需在植被(绿色)和土壤(黑色)之间变换，以满足融入不断变化的地面环境的需要。
3.目前广泛应用于地面目标的伪装网、伪装涂料等，往往只能为目标提供与背景植被相似的颜色，无法与高光谱探测中的背景植被的精细光谱相匹配，导致“同色不同谱”现象产生。这是由于现在常用的伪装网、伪装涂料等并不具有天然植被的组织结构和成分特征，其展现出的精细光谱与绿色植被的真实特征存在巨大差异。针对这一现状，国内外均对伪装网、伪装涂料的结构、成分等进行改良，已开发出与绿色植被有相同反射光谱的仿生材料。但是，这些仿生材料的问题在于只与单一植被环境“同色同谱”，无法适应在地面运动的过程中周围环境的复杂变化，导致目标暴露。目前本课题组已拥有一种可变色的“仿生树叶”技术，通过电致变色原理可以模仿树叶“绿色
‑
黄色”之间的转变，但该项技术的颜色转变仅仅限制在可见光区域，对于800～2500nm波段下的侦查缺乏有效的调制效果，无法实现在高光谱探测的整体范围内“可调可变”，因此在伪装过程中对环境有着较为苛刻的要求，
不能很好地适应广泛的需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种用于高光谱隐身伪装的变色膜，该膜可根据外加电压的不同改变颜色与近红外反射率，从而实现高光谱探测下的伪装，并适应不断变化的地面环境。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种用于高光谱隐身伪装的变色膜，其特征在于，所述变色膜包括依次设置的上电极层、变色层和下电极层，其中，所述变色层为集仿生变色、电解质、离子存储功能于一身的“一体化”仿生变色水凝胶，所述一体化仿生变色水凝胶的成分包括：50wt％～90wt％的水，5wt％～20wt％的溶胶，0.5wt％～10wt％的铬绿，0.25wt％～10wt％的紫精及其衍生物，0.1wt％～2wt％的盐，0.2wt％～4wt％的交联剂和0.5wt％～10wt％的红外调节填料；所述铬绿和紫精及其衍生物的质量比为(1～10)：1。
7.进一步地，所述溶胶为聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯等；所述紫精及其衍生物具有无色到紫色、无色到黑色、浅黄色到紫色、或者浅黄色到黑色的颜色变化，且具有近红外波段(光波长780nm以上)调制功能(近红外调制功能是在近红外透明与近红外高吸收率之间变化)，包括但不限于甲基紫精、2,4,6
‑
三(4
‑
吡啶)1,3,5
‑
三嗪、4,4
′‑
(3,4
‑
亚乙基二氧基噻吩
‑
2,5
‑
二基)双(1
‑
辛基吡啶鎓)、咔唑修饰紫精化合物等；所述盐可降低紫精及其衍生物的变色电压，增加其反应速度，具体为二茂铁、铁氰化钾或亚铁氰化钾中的一种或多种；交联剂为硼砂、硫酸钠、硫酸锌或l
‑
苹果酸等；红外调节填料为二氧化硅、二氧化钛等。
8.进一步的，所述铬绿与红外调节填料的质量比为(1～3):1。
9.进一步的，所述变色膜的形状可以是圆形、三角形、四边形、多边形及其他内部非中空的二维平面形状，面积为5～100cm2。
10.进一步的，所述变色层是将一体化仿生变色水凝胶通过棒涂或压延的方法在下电极层上制备得到的。随后取另一个电极层作为上电极层、放置于变色层之上，采用胶带、光感胶、酚醛树脂等粘结剂将变色层密封在上下两个电极层之间，即可得到本发明所述用于高光谱隐身伪装的变色膜。
11.进一步的，所述一体化仿生变色水凝胶的制备过程具体为：首先，将溶胶与去离子水混合，在80～90℃的油浴中搅拌3～5h，搅拌完成后，在室温下静置以便冷却消泡，得到水凝胶；然后，在上步得到的水凝胶中依次加入铬绿、紫精及其衍生物、盐、交联剂和红外调节填料，采用搅拌棒搅拌至均匀状态，即可得到所述一体化仿生变色水凝胶。所述一体化仿生变色水凝胶中，各组分的含量为：50wt％～90wt％的水，5wt％～20wt％的溶胶，0.5wt％～10wt％的铬绿，0.25wt％～10wt％的紫精及其衍生物，0.1wt％～2wt％的盐，0.2wt％～4wt％的交联剂和0.5wt％～10wt％的红外调节填料；所述铬绿和紫精及其衍生物的质量比为(1～10)：1。所述溶胶为聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯等；所述紫精及其衍生物具有无色到紫色、无色到黑色、浅黄色到紫色、或者浅黄色到黑色的颜色变化，且具有近红外波段(光波长780nm以上)调制功能(近红外调制功能是在近红外透明与近红外高吸收率之间变化)，包括但不限于甲基紫精、2,4,6
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三(4
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吡啶)1,3,5
‑
三嗪、4,4
′‑
(3,4
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亚乙基二氧基噻吩
‑
2,5
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二基)双(1
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辛基吡啶鎓)、咔唑修饰紫精化合物等；所述盐为二茂铁、铁氰化钾或亚铁氰
化钾中的一种或多种；交联剂为硼砂、硫酸钠、硫酸锌或l
‑
苹果酸等；红外调节填料为二氧化硅、二氧化钛等。
12.进一步的，棒涂法制备变色层的过程为：取制备得到的一体化仿生变色水凝胶置于下电极层的导电层一面，利用玻璃棒、铁棒、塑料棒等将水凝胶均匀地涂覆于导电层上，形成变色层。压延法制备变色层的过程为：将制备得到的一体化仿生变色水凝胶通过压延机均匀压在下电极层的导电层一面，形成变色层。
13.优选地，所述上电极层和下电极层包括透明基底以及采用电子束蒸发法或磁控溅射法形成于透明基底之上的导电薄膜，上下电极层既可以为变色层提供导电通路，也可以作为外壳为变色层提供保护。所述透明基底为玻璃、pet膜、pe膜等，厚度为0.1～2mm；所述导电薄膜为掺杂氟的氧化锡(fto)、氧化铟锡(ito)等，厚度为100～1000nm，方阻为50～200ωsq
‑1。就目前技术来看，以100～1000nm厚度fto、ito薄膜为导电层的电极层，在光波长为400～1200nm波段为高透明状态，在光波长为1200～2500nm波段光透过率虽会下降到40％～60％，但不会导致膜在该段失效。
14.本发明提供的一种用于高光谱隐身伪装的变色膜，在不施加电压时，紫精及其衍生物处于无色态、浅黄色态(可被铬绿的绿色完全掩盖)，在近红外波段呈现透明态，整个变色膜的变色层在视觉上呈现由铬绿提供的绿色，而近红外透明的变色材料不会影响由铬绿、水等物质提供的近红外高原、水特征峰等高光谱侦测下绿色植被的光谱特征，此时膜可以模拟地面绿色植被的反射光谱；当施加紫精及其衍生物的着色电压时，紫精及其衍生物呈现紫色或黑色，在近红外波段呈现吸收光的状态，此时变色层视觉上的颜色为黑色，膜可以模仿地面富腐殖质、潮湿泥土(深褐色、黑色)的反射光谱(如图3所示)。
15.进一步地，如图3所示，所述变色层模拟植被的精细反射光谱的原理具体为：
16.(1)针对绿色树叶在550nm处的反射峰，该变色膜是通过变色层中的铬绿实现。优选地，为了将变色层在550nm处的反射率控制在8～15％，铬绿占总成分的0.5wt％～10wt％。此外，地面黑色泥土在该处的精细反射光谱为变色层施加紫精及其衍生物的着色电压后得到。
17.(2)针对植物叶片
18.在850～1150nm范围内的近红外反射高原，该变色膜是通过变色层中铬绿实现。优选地，为了将变色层在850～1150nm范围内的反射率控制在50～60％，所述铬绿占总成分的0.5wt％～10wt％。
19.(3)针对植物叶片在1400nm和1800nm处的水吸收峰，该变色膜是通过变色层中的水以及溶胶、交联剂的吸水效应实现的。同时，电极层对变色层的密封也会保护其中的水不流失。其中，变色层中的凝胶网络可以保存一定量的水分。
20.(4)针对不同绿色植被在反射光谱上的不同，主要体现在1400～1800nm处的水吸收峰之间的反射平台的强度区别，该变色膜是通过变色层中的铬绿和红外调节填料共同实现。优选地，为了将变色层在1400～1800nm处的反射强度控制在20～45％，所述铬绿占总成分的0.5wt％～10wt％，红外调节填料占总成分0.5wt％～10wt％，其中铬绿与红外调节填料的质量比为(1～3):1，铬绿的比例越高，该处反射平台的反射强度越高。
21.(5)针对地面绿色植被和地面富腐殖质、潮湿泥土在反射光谱上的不同，该变色膜是通过变色层中紫精及其衍生物的着色和褪色来模拟的。当施加紫精及其衍生物的着色电
压时，变色层中的该材料呈现为紫色、黑色等深色态、在近红外波段处于光吸收状态，此时变色层在视觉上呈现为绿色和紫色的混色，即黑色，而其近红外光谱的反射率低，紫精及其衍生物的光吸收作用掩盖了植被在800～2500nm波段的特征——即近红外高原与两个水峰，膜可以模拟地面富腐殖质、潮湿泥土的反射光谱；当不施加电压时，变色层中的紫精及其衍生物为无色、浅黄色、在近红外波段呈现透明状态，此时变色层在视觉上呈现为无色、浅黄色和绿色的混色，即绿色，此时紫精及其衍生物不会影响体系内铬绿等其他材料提供的800～2500nm波段的反射光谱特征，膜可以模拟地面绿色植被的反射光谱。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
23.与传统伪装迷彩相比，本发明提供的用于高光谱隐身伪装的变色膜充分模拟了植被的精细反射光谱，具有传统迷彩所不具有的反高光谱探测能力；
24.与新式高光谱伪装迷彩相比，本发明提供的用于高光谱隐身伪装的变色膜可根据所处环境在模拟地面绿色植被时所需的绿色和模拟未被植被覆盖的富腐殖质、潮湿泥土时所需的黑色之间切换，具备更高的灵活性，能够适应复杂环境背景的需求。
25.与现有的可变色“仿生树叶”技术相比，本发明提供的用于高光谱隐身伪装的变色膜所选取的环境颜色在局部植被区域的实用性更强，通过选取紫精及其衍生物为变色材料可以将高光谱探测下变色膜的调控范围从可见光区域扩展到高光谱探测的主要波段，即800～2500nm，尤其是可以伪装植被的近红外高原、水吸收峰等明显光谱特征。
附图说明
26.图1为本发明提供的一种用于高光谱隐身伪装的变色膜中，所模仿的绿色植被背景与富腐殖质、富水的深色泥土背景的精细反射光谱；
27.图2为本发明提供的一种用于高光谱隐身伪装的变色膜的结构示意图；
28.图3为本发明实施例1提供的一种用于高光谱隐身伪装的变色膜在使用过程中与其模仿的植被光谱、土壤光谱的对比。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
30.实施例1
31.一种用于高光谱隐身伪装的变色膜，其制备过程具体为：
32.步骤1、上下电极层的准备：
33.裁剪两片5cm
×
5cm大小的、以pet膜为衬底的柔性ito薄膜，依次使用乙醇、去离子水、乙醇对其进行超声清洗。随后用压缩空气将其表面吹干。放入密闭的盒子中等待取用。
34.步骤2、变色层的制备：
35.2.1交联剂的准备
36.用烧杯取10ml去离子水，玻璃棒搅拌的同时向其中缓慢倒入l
‑
苹果酸，直到l
‑
苹果酸在水中的溶解饱和。取用时用滴管取上清液即可。
37.2.2仿生变色水凝胶的制备
38.称取4g的pva(聚乙烯醇)粉末加入25ml去离子水中，在85℃的油浴下搅拌反应4h，反应完成后，取出在室温下静置以便冷却消泡，得到pva水凝胶；然后，向其中依次加入0.2g
铬绿、0.1g甲基紫精、0.015g铁氰化钾、0.015g亚铁氰化钾和0.15g二氧化钛，随后使用滴管向其中滴加1ml步骤2.1制得的交联剂，用玻璃棒将混合物搅拌均匀，即可得到一体化仿生变色水凝胶。
39.2.3变色层的制备
40.取一片步骤1得到的电极层作为下电极层，在其导电面四周边缘贴上双面胶。贴双面胶时需预留一定用于与导线连接的空白。将步骤2.2得到的一体化仿生变色水凝胶取若干置于双面胶形成的矩形区域中，用玻璃棒将其压平、压匀，使变色层厚度基本与双面胶厚度持平，将双面胶包围的面积填满并不超过这一面积。
41.步骤3、变色膜的封装：
42.取一片步骤1得到的电极层作为上电极层，覆盖于步骤2制得的变色层之上。上电极层导电面面向变色层。用力按压上下电极层的边缘，使上下两个电极层充分粘结。随后使用透明胶带将膜边缘彻底密封，即可得到所述变色膜。
43.实施例2
44.一种用于高光谱隐身伪装的变色膜，其制备过程具体为：
45.步骤1、上下电极层的准备：
46.裁剪两片4cm
×
6cm大小的、以pet膜为衬底的柔性ito薄膜，依次使用乙醇、去离子水、乙醇对其进行超声清洗。随后用压缩空气将其表面吹干。放入密闭的盒子中等待取用。
47.步骤2、变色层的制备：
48.2.1交联剂的准备
49.用烧杯取10ml去离子水，玻璃棒搅拌的同时向其中缓慢倒入硼砂，直到硼砂在水中的溶解饱和。取用时用滴管取上清液即可。
50.2.2仿生变色水凝胶的制备
51.称取4g的pva(聚乙烯醇)粉末加入25ml去离子水中，在85℃的油浴下搅拌反应4h，反应完成后，取出在室温下静置以便冷却消泡，得到pva水凝胶；然后，向其中依次加入0.2g铬绿、0.1g咔唑修饰紫精化合物、0.02g二茂铁和0.15g二氧化钛，随后使用滴管向其中滴加1ml步骤2.1的交联剂，用玻璃棒将混合物搅拌均匀，即可得到所述一体化仿生变色水凝胶。
52.2.3变色层的制备
53.取一片步骤1得到的电极层作为下电极层，将步骤2.2得到的一体化仿生变色水凝胶取若干置于下电极层上，用玻璃棒将其压平、压匀。若水凝胶并未覆盖电极层表面，则重复多次一体化仿生变色水凝胶的取用、压平、压匀；若水凝胶覆盖超过电极层表面，则用刮刀刮去多余部分；
54.步骤3、变色膜的封装：
55.取一片步骤1得到的电极层作为上电极层，覆盖于步骤2制得的变色层之上。上电极层导电面面向变色层。上电极层压平、压实后，取适量光感胶用滴管连续滴加在上下两个导电层的边缘之间，滴加时需在两个电极层的导电面上预留一小块用于与导线连接的空白。使用手提式紫外分析仪对膜进行照射，使边缘的光感胶固化。即可得到所述变色膜。
56.对实施例1得到的变色膜进行测试，结果如图3所示。不向膜施加电压时，膜在视觉上呈现绿色，光谱效果为图3中变色伪装膜(绿色态)这条曲线，其与图1中绿色植被光谱曲线相似，实现了仿绿色植被的伪装；向膜施加电压时，膜在视觉上呈现黑色，光谱效果为图3
中变色伪装膜(深色态)这条曲线，与图1中一种泥土光谱的曲线类似，实现了仿泥土的伪装。