МАТЕРИАЛ С ПОКРЫТИЕМ, ОТРАЖАЮЩИМ ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Российский патент 1999 года по МПК B32B5/18 

Изобретение относится к материалам, отражающим и пропускающим электромагнитное излучение, и к использованию таких материалов в качестве электромагнитного камуфляжа, в частности, на инфракрасных длинах волн.

Предпосылки создания изобретения
Известны приборы, детектирующие инфракрасное излучение, излучение человеческого тела или других объектов легко обнаруживается детекторами инфракрасного излучения.

Такие детекторы работают в окнах прозрачности атмосферы на длинах волн 3 - 5 и 8 - 12 мкм. Получение инфракрасных изображений на длинах волн за пределами этих окон практически нецелесообразно по причине атмосферного поглощения. На изображениях, полученных с помощью таких приборов, объекты с высокой излучательной способностью и/или объекты, имеющие температуру выше фоновой, выглядят в виде ярких силуэтов. Это обусловлено мощностью излучения этих объектов. Излучаемая мощность описывается уравнением:
W = εσT⁴,
где W = излучаемая мощность в Брит. тепл. ед./час-фут², ε - излучательная способность, σ = постоянная Стефана-Больцмана и Т - температура в градусах Ранкина.

Из этого уравнения видно, что имеется два возможных подхода к ослаблению теплового изображения: использовать на наружной поверхности материалы с низкой излучательной способностью или уменьшить температуру наружной поверхности. Обычно на наружной поверхности применяют материалы с низкой излучательной способностью, а затем покрывают поверхность с низкой излучательной способностью материалами, прозрачными в области инфракрасных (ИК) длин волн, но оптически непрозрачными, чтобы обеспечить визуальный камуфляж. Второй метод - использовать теплоизоляцию для снижения температуры наружной поверхности. Третий метод представляет собой сочетание первых двух методов.

Уже давно ставилась задача разработки материалов, которые защищали бы людей или оборудование от обнаружения электромагнитным и в особенности инфракрасным детекторным оборудованием, не снижая при этом подвижности людей или оборудования.

Например, в патент США 5281460 предлагается рисунок из полос, наложенный на пористую нейлоновую сетку. Полосы покрываются серебром, медью или пигментом.

В патенте США 4495239 применяется слой-основание из текстильной ткани. На который методом осаждения из газовой фазы наносится металлический отражающий слой, а затем производится камуфляжная раскраска.

В патенте США 4659602 используется тканый материал, на котором располагаются металлическая фольга и полиэтиленовая пленка, содержащая проводящие частицы.

В патенте США 4621012 текстильный материал покрыт термопластом, содержащим внутри выбранный дипольный материал и имеющим металлический слой, который отражает инфракрасное излучение.

В патенте США 4467005 используется опорная сетка, на обеих сторонах которой имеется несущее полотно с металлическим покрытием, отражающим ИК излучение. Материал непроницаем для водяных паров.

В патенте США 4533591 предлагается термопластичная смола с рассеянными в ней дискретными электромагнитными частицами.

В патенте США 4064305 предлагается трикотаж из нитей, выполненных из резаных полимерных волокон и резаных металлических волокон, которые отражают волны радара.

В патенте США 4529633 описывается электромагнитный отражающий материал, состоящий из слоя полиэтилена, слоя металлического покрытия, клеящего вещества и ткани.

Вследствие наличия пластиковых слоев составы, описанные в указанных патентах, плохо пропускают водяные пары; человек, одетый в одежду из таких материалов, чувствует себя некомфортно, а когда ими закрывают оборудование, оно запотевает.

Исключением является патент США 4467005, в котором говорится об обеспечении проницаемости для водяных паров, но не воздухопроницаемости.

Специалисты без труда поймут, что описываемый способ, который используется для достижения проницаемости для водяных паров и водонепроницаемости, не обеспечивает настолько высокой проницаемости для водяных паров, чтобы она имела практическое значение. Любые улучшения проницаемости для водяных паров повлекут за собой соответствующие снижение водонепроницаемости. Материалы, описанные в указанном патенте, имеют поверхность, пригодную для металлизации, и приемлемы для применения в случаях, когда не требуется высокая степень гибкости и подвижности, например, для укрывания неподвижных предметов, но когда эти материалы используются для индивидуальной защиты людей от обнаружения инфракрасным способом, в них обнаруживается немало недостатков. Главными из этих недостатков являются недостаточная драпируемость, низкая проницаемость для водяных паров, а также значительный вес. К указанным недостаткам модно добавить, что в этих материалах металлизированная поверхность находится на наружных поверхностях слоистых структур, где ее можно легко повредить или соскрести, например, при движении сквозь кустарник. С физиологической точки зрения желательно снизить до минимальной возможной степени тепловую нагрузку на организм человека, который носит ИК-маскировочный костюм. Этого можно достичь, увеличив охлаждение тела за счет испарения, то есть сделав слоистый материал легко проницаемым для водяных паров, а также уменьшив вес и толщину всего ИК-маскировочного комплекса.

Ближайшим аналогом изобретения является техническое решение по заявке WO 88/05385, A1 (POSNANSKY, Mario) кл. B 32 B 15/14, опубликованное 28.07.88, из которого известен материал, обладающий воздухопроницаемыми, проускающими водяные пары, водонепроницаемыми, драпирующимися и теплоотражающими свойствами, содержащий по меньшей мере дну металлизированную микропористую мембрану, имеющую поры от одной стороны до другой, дублированную по меньшей мере с еще одним слоем текстильного материала.

Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения - обеспечить маскировку от обнаружения методами формирования инфракрасных изображений, или уменьшить излучение в средней и дальней областях инфракрасного диапазона, не снижая при этом эффективности маскировки для видимой или ближней инфракрасной областей спектра, а также уровня комфортности, подвижности и способности к действиям человека, который пользуется такой маскировкой. Данная цель достигается введением в предмет одежды или ее части или в укрывающий материал, например, материал палатки или тента или их частей, металлизированный микропористой мембраны, которая ослабляет тепловое излучение объектов, находящихся под или за металлизированной мембраной.

Поставленная цель достигается в материале, обладающем воздухопроницаемыми, пропускающими водяные пары, водонепроницаемыми, драпирующимися, теплоотражающими свойствами, содержащем по меньшей мере одну металлизированную микропористую мембрану, имеющую поры от одной стороны до другой, дублированную по меньшей мере с еще одним слоем текстильного материала, металл в металлизированной мембране образует прерывный слой на поверхности и примыкающих к ней стенках пор микропористой мембраны так, что если смотреть на поверхность мембраны сверху, металл кажется непрерывным.

Кроме того, в материале мембрана выполнена из микропористого вспененного политетрафторэтилена, а металл является алюминием.

Текстильный материал может представлять собой шелк. Заявленный материал используется при формировании предмета или части одежды, а также при формировании палатки или тента, или их частей.

Более конкретно, изобретение направлено на создание воздухопроницаемого, пропускающего пары влаги, водонепроницаемого, драпирующегося, теплоотражающего материала, который состоит главным образом из по меньшей мере одной металлизированной микропористой мембраны, дублированной по меньшей мере еще одним слоем, или текстильным дублирующим материалом, таким как тканые, нетканые или трикотажные материалы из полиамидов, полиолефинов, полиэфира, хлопка, шелка и т.д., или дополнительными микропористыми слоями, причем металл в металлизированной мембране образует прерывный слой на поверхности и на стенках пор вблизи поверхности микропористой мембраны.

Краткое описание чертежей
Фиг. 1а и 1б - вид сбоку со срезом микропористой мембраны, используемой в изобретении, где показано, как металлический слой может быть прерывным и в то же время эффективно препятствовать пропусканию тепла.

Фиг. 2 - вид сбоку металлизированной мембраны, соединенной с дублирующим материалом.

Подробное описание изобретения
На фиг.1а показан увеличенный вид сбоку со срезом микропористой мембраны 10 с полимерным листовым материалом 11, имеющим поры нерегулярной формы 12, проходящие сквозь его от одной стороны до другой. На фиг. 1б показан осажденный из газовой фазы металл 13; металл осажден сверху мембраны, так что он покрывает поверхность и "открытые" стенки пор, то есть ту часть стенок пор, которая видна сверху мембраны. Таким образом, если смотреть вертикально верху вниз в направлении стрелки, то кажется, что металл образует непрерывное покрытие на линии прямой видимости. Это показано пунктирными линиями на фиг. 1б. Однако сбоку видно, что металлическое покрытие имеет прерывный характер поры остаются открытыми доля пропускания водяных паров.

Применение металлизированных микропористых пленок и мембран, например, из микропористого полиэтилена, полипропилена, полиуретана, вспененного политетрафторэтилена и т.д., дублированных обычными текстильными материалами, позволяет избежать недостатков прежних аналогов по нескольким причинам. Во-первых, трехмерная природа микропористых материалов обеспечивает 100% металлическое покрытие по линии прямой видимости, если смотреть сверху, что, в свою очередь, обеспечивает отражение ИК излучения, требующиеся для удовлетворительного ослабления формирования ИК изображений. Во-вторых, сохраняется пористость в трех измерениях, необходимая для того, чтобы композитный материал был проницаем для больших количеств водяных паров, что снижает тепловую нагрузку на человека, использующего такой материал для маскировки. В-третьих, воздух, находящийся в микропорах мембраны, снижает ее теплопроводность, создавая изолирующее воздушное пространство. При этом большая часть теплообмена между телом человека и окружающей средой происходит путем охлаждения испарением. Значительная часть тепла, излучаемого телом на микропористую мембрану, отражается обратно к телу, что снижает температуру наружной поверхности и тем самым затрудняет обнаружение путем формирования инфракрасных изображений. Отраженное тепло отводится посредством естественного охлаждающего механизма человеческого организма - испарения. Кроме того, микропористые материалы легче материалов, описанных в патентах-аналогах, они более гибкие и лучше драпируются, что делает их более пригодными для изготовления одежды.

Металл, применяемый в металлизированных микропористых пенках и мембранах, может быть любым металлом, который можно нанести путем осаждения из газовой фазы или напыления на пленку или мембрану с получением желаемого отражательного эффекта; это может быть, например, алюминий, серебро, медь, цинк и т.п.

Металлизация выполнена только с одной стороны; ее можно осуществить путем физического осаждения из газовой фазы, например, напыления, или химического осаждения из газовой фазы. Металлическое покрытие может иметь толщину от 40 до 1200 , а металлизированная мембрана имеет оптическую плотность от 1 до 6 единиц плотности.

Толщина металлизированной микропористой пленки или мембраны, обозначенная литерой А на фиг. 1б, может быть различной в зависимости от желаемой проницаемости для воздуха и водяных паров и может составлять от 0,001 до 0,125 дюйма. Толщина металлического покрытия не столь велика, чтобы оно закрывало поры микропористой пленки или мембраны; осаждение выполняется до такой степени чтобы закрывались поверхность и часть стенок пор с образованием покрытия на линии прямой видимости, как объясняется ниже на примере фиг. 1.

Применяемый текстильный материал должен иметь необходимые свойства, например, прозрачность для ИК излучения, непрозрачность для видимого излучения и т.д.

Текстильный материал приклеивается к металлизированной мембране со стороны металлического покрытия с помощью прерывисто нанесенного клея под действием тепла и давления или путем непосредственного термического сплавления.

В одном из вариантов осуществления изобретения, представленном на фиг. 2, имеется микропористая мембрана 20 из вспененного политетрафторэтилена (вПТФЭ), на которую осажден металл 21, например, алюминий. Текстильный дублирующий материал 22, например, тканый шелк или нейлон, соединен с покрытой металлом мембраной с помощью прерывисто нанесенного полиуретанового клея таким образом, что металлизированная поверхность микропористой мембраны обращена к дублирующему материалу. Подкладочная ткань (не показана), например, полипропиленовый трикотаж, может быть прикреплена к ламинату таким же образом, как и дублирующий материал. В других вариантах осуществления изобретения структура может содержать множество слоев металлизированных микропористых мембран одинакового или различного химического состава, дополнительные текстильные слои, а вместо склеивания может применяться термосплавление. Кроме того, на текстильный дублирующий материал может быть нанесено местное покрытие из такого материала, как, например, титанат бария, с целью изменения его теплоизлучательных характеристик.

Пример 1.

Микропористая мембрана из вспененного политетрафторэтилена (вПТФЭ) толщиной 0,001 дюйм, с номинальным размером пор 0,2 мкм производства фирмы W.L. Gore& Associates, Inc. , была металлизирована осаждения алюминия из газовой фазы путем испарения и конденсации до оптической плотности 3,0 единиц плотности (измерялась на денситометре фирмы Tobias Assoc., Inc., модель TRX-N). Более конкретно, процесс проходит следующим образом: алюминиевую проволоку нагревали в оксидном тигле в высоком вакууме ( 2•10^-6торр) при температуре около 1220^oC. Алюминий испаряется. ВПТФЭ мембрану с пленочным подкладочным слоем для блокировки доступа пара с одной стороны перемещали над тиглем таким образом, что пленочный подкладочный слой был со стороны, противоположной тиглю. Пар от тигля поднимался и формировал несплошное покрытие на обращенной к тиглю стороне мембраны. Затем мембрану с покрытием наматывали на валик. После удаления подкладочной пленки алюминизированную микропористую мембрану дублировали тканым нейлоновым дублирующим материалом весом 2,7 унции/кв.ярд таким образом, что он был обращен к металлизированной поверхности, с помощью прерывисто нанесенного полиуретанового клея. Затем неметаллизированная сторона вПТФЭ ламината дублировалась третьим слоем из нейлонового трикотажа.

Для испытаний ослабления инфракрасного изображения применялась система ночного видения фирмы Hughes/Texas Instruments (диэлектрический болометр-деталь N 6245935). Диэлектрический болометр регистрировал тепловое излучение, поступающее от объекта - человека. Когда объект закрыли слоистой структурой, изображение объекта стало существенно слабее.

Пример 2.

Металлизированную микропористую вПТФЭ мембрану приготавливали, как и в примере 1.

Кусок китайского шелка весом в одну унцию на квадратный ярд поместили на резиновую подушку размером 6 х 9 дюймов. Кусок клеевого дублирующего ажурного нетканого материала тира Spunfab# EV3014 размером 6 х 9 дюймов поместили на шелк. Сверху на клеевой слой положили металлизированную пенку так, что ее металлизированная сторона была обращена к клеевому покрытию. Полученную комбинацию резиновая подушка/шелк/клеевой материал/металлизированная мембрана заложили в пресс, нагретый до температуры 123^oC. Прессование проводилось при давлении 2000 фунтов на квадратный дюйм в течение 10 секунд. Затем полученные ламинированные образцы вынули. Свойства материала к ослаблению ИК изображения определялись так же, как и в примере 1. Изображение было существенно ослаблено.

Изобретение касается материала, обладающего воздухопроницаемыми, пропускающими водяные пары, водонепроницаемыми, драпирующимися, теплоотражающими свойствами. Материал содержит по меньшей мере одну металлизированную микропористую мембрану, имеющую поры от одной стороны до другой, дублированную по меньшей мере с еще одним слоем текстильного материала. Металл в металлизированной мембране образует прерывный слой на поверхности и примыкающих к ней стенках пор микропористой мембраны, так что, если смотреть на поверхность мембраны сверху, металл кажется непрерывным. Изобретение обеспечивает повышение уровня комфортности за счет снижения тепловой нагрузки на человека при обеспечении необходимого отражения ИК - излучения. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Материал, обладающий воздухопроницаемыми, пропускающими водяные пары, водонепроницаемыми, драпирующимися, теплоотражающими свойствами, содержащий по меньшей мере одну металлизированную микропористую мембрану, имеющую поры от одной стороны до другой, дублированную по меньшей мере с еще одним слоем текстильного материала, отличающийся тем, что металл в металлизированной мембране образует прерывный слой на поверхности и примыкающих к ней стенках пор микропористой мембраны, так что, если смотреть на поверхность мембраны сверху, металл кажется непрерывным. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в нем мембрана выполнена из микропористого вспененного политетрафторэтилена, а металл является алюминием. 3. Материал по п.2, отличающийся тем, что в нем текстильный материал - шелк. 4. Материал по п.1, отличающийся тем, что он используется при формировании предмета одежды. 5. Материал по п.1, отличающийся тем, что он составляет часть предмета одежды. 6. Материал по п.1, отличающийся тем, что он используется при формировании палатки или тента. 7. Материал по п.1, отличающийся тем, что он составляет часть палатки или тента.