基于人體工學開發的偽裝防護服研究進展

張巖, 朱穎, 王金帥

(蘇州大學 紡織與服裝工程學院,江蘇 蘇州 215123)

隨著現代戰爭邁向信息化、智能化、無人化,及各類先進探測和制導技術(如熱紅外偵察術、高光譜遙感技術等)應用于戰場,大大增加了士兵被探測和攻擊的風險。此外在作戰過程中,士兵還需要面臨各種復雜多變的地形、環境、天氣等。探測技術與偽裝技術作為矛與盾相互發展、相互制約。傳統的偽裝技術雖然在一定程度上可以達到偽裝效果,但是難以滿足現代化戰爭跨區域、多季節、全時段的偽裝需求[1]。因此偽裝技術的研究成為當前各國軍事研究的熱點。

士兵在沒有充分舒適感的情況下難以完全發揮戰斗力。服裝的舒適度很大程度反映在穿著者的心理及生理上,因此偽裝防護服除了滿足偽裝的需求外,還應從人體工學的角度出發,滿足穿著者心理舒適性以及感官舒適性[2]。文中從偽裝防護面料出發,綜述了近年來偽裝防護服的國內外研究進展,結合當前人體工學評價與測試的相關指標對偽裝防護服進行分析,總結當前存在的問題。

1 偽裝防護面料的分類

圖1為當前偽裝防護的類型。由圖1可以看出,偽裝防護可以從材料、面料和服裝3個角度展開。例如,通過自適應變色技術的材料達到在可見光范圍內的偽裝效果;通過相變微膠囊控制材料表面溫度降低紅外輻射強度達到隱身效果;通過在纖維或織物表面涂覆一層低紅外發射率的膜或涂層,達到紅外隱身的目的。

圖1 偽裝防護的材料、面料和服裝Fig.1 Anti-counterfeiting materials, fabrics and clothing

隨著現代化戰爭中偵查技術的進步和發展,偽裝服作為直接對抗偵查、監視的主體,在可見光、紅外、雷達等各頻段的偽裝性能亦隨之進步。按照對不同頻率波段的隱身效果,可將偽裝防護面料劃分為可見光隱身、紅外隱身、雷達隱身以及多波段兼容的隱身面料[3]。

1.1 可見光波段隱身面料

可見光隱身需要面料的光反射盡可能與周圍環境保持一致,減少目標與背景的可視對比度來達到隱身效果[4]。以數字迷彩、涂色偽裝為主的靜態被動偽裝難以適應不同環境下的偽裝需求,因此亟須發展動態自適應變色偽裝技術[5]。

可見光隱身面料的制備如圖2所示。ZHANG J等[6]將硬核-軟殼微球浸入聚合物纖維材料上,這些微球組裝成光子晶體結構以顯示顏色,從而纖維的顏色可以通過改變核-殼微粒的直徑來輕松控制,如通過拉伸可實現纖維材料從紅色到綠色再到藍色的轉變。采用該纖維制備的面料能夠主動地改變顏色達到可見光波段的偽裝效果[見圖2(a)]。WU T H等[7]研制了一種新型的溫度響應性水凝膠,該水凝膠內嵌入了由顏色開發劑、淡色劑和溶劑制備的微膠囊。隨著溫度的變化,微膠囊中的溶劑達到相變溫度,實現顏色的變化。該材料顏色變化響應快速,穩定性好。將其集成到智能服裝表面,可達到快速適應周圍環境且具有較強穩定性的偽裝效果[見圖2(b)]。

圖2 可見光隱身面料的制備Fig.2 Schematic preparation of visible light stealth fabric

此外,變色迷彩已成為熱門的研究方向,其主要是將光敏變色材料或熱敏變色材料制成微膠囊,然后再通過印花或后整理技術與偽裝服結合,具有很強的環境適應性[8]。高燕[9]選用硬脂酸丁酯作為芯材,以天然無毒殼聚糖為原材料,通過界面聚合反應,成功制備一種新型殼聚糖基聚氨酯殼可逆光致變色相變微膠囊(RP-PCMs),而后采用水溶性聚氨酯(WPU)作為介質,把RP-PCMs整理到棉織物。該光致變色棉織物/WPU/RP-PCMs不僅表現出優異的光致變色性能,而且具備儲能溫度調節能力,在防偽服裝領域具有一定的應用潛力和參考價值。

1.2 紅外隱身面料

溫度大于絕對零度的物體,無時無刻不在向外界輻射紅外能量[10]。紅外熱成像儀在接收到物體的紅外輻射后,將其轉換成人眼能夠識別的圖像信息。因此,當目標物體與周圍環境所發射的紅外輻射強度相近時,探測器無法區分目標與環境,便達到了紅外隱身效果[11]。目前人體防護服達到紅外隱身的兩個主要途徑為控制防護服表面溫度和控制防護服表面的紅外輻射率。

1.2.1控溫紅外隱身面料 控溫面料通常具有低熱導率,可隔絕物體散發的熱量,從而達到紅外隱身效果。此外還可利用相變材料對熱量進行存儲或釋放,使被保護物體的表面溫度與周圍環境溫度保持一致[12]?？販丶t外隱身面料的制備流程如圖3[13-16]所示。

圖3 控溫紅外隱身面料的制備流程Fig.3 Preparation process flow of temperature-controlled infrared stealth fabric

CUI Y等[13]基于仿生原理,通過冷凍旋轉法制備了一種類似于北極熊毛多孔結構的纖維。該纖維具備良好的保溫隔熱性能和紅外反射性能,作為偽裝防護面料應用時,覆蓋在目標物體表面,可使其溫度與背景溫度接近,從而達到偽裝效果[見圖3(a)]。LIN L等[14]開發了一種新型的熱保護棉織物,通過將由光學活性聚氨酯(OPU)與二氧化硅氣凝膠混合制備的OPU /SiO2氣凝膠涂層涂覆到棉纖維表面,形成一層熱隔絕層。OPU對可見光具有明顯的阻擋和折射效果,SiO2氣凝膠具備高熱穩定性,二者結合顯著降低了織物的熱傳導系數,提高了織物的保溫隔熱性能,達到紅外偽裝效果[見圖3(b)]。

XU R等[15]通過尿素-甲醛樹脂微膠囊的原位聚合,將石蠟作為芯材,尿素-甲醛樹脂作為殼材,并通過超聲波細胞粉碎儀進行乳化制備相變微膠囊。涂敷在棉織物表面可以使棉織物表面溫度降低5～10 ℃,有效減弱紅外輻射強度[見圖3(c)]。PENG L H等[16]通過磁控濺射的方法在滌綸織物表面制備了一種鈦白粉/銅/鈦白粉(TiO2/Cu/TiO2)三明治結構的紅外反射涂層,用于防護紅外輻射,具有較高的紅外反射率,可以反射大部分接觸織物表面的熱量,減少熱量的積累,控制人體表面溫度,減小被探測的概率,從而達到隱身的效果[見圖3(d)]。

1.2.2控制發射率紅外隱身面料 控制服裝面料紅外發射率的研究主要圍繞兩個方向:①采用低發射率的涂層或染料;②選用低發射率的纖維加工織物?？刂瓢l射率紅外隱身面料的制備流程如圖4所示。

涂層法因操作簡便,成本低,在紅外隱身技術中得到廣泛應用。XU R等[17]通過將銀鍍層空心玻璃微球和摻雜鋁粉的聚苯胺以涂層復合的方法涂覆到棉織物表面,使材料的表面熱輻射率降低,減少物體與周圍環境的輻射差異[見圖4(a)]。ERGOKTAS M S等[18]利用石墨烯的電光調控性質,在織物表面壓石墨烯層,并通過可逆的離子插層實現電光調制,開發了一種可控制紅外和近紅外波長反射率和發射率的自適應光學紡織品。該技術可以實現電光動態、快速和按需控制紅外發射率,并能夠與其他可穿戴技術(如傳感器和集成電路)相集成[見圖4(b)]。卜鐵偉等[19]以滌綸織物為基布,采用紅外高透過水性聚氨酯樹脂與硅烷偶聯劑(鋁和銀包銅粉)制備紅外發射率梯度涂料,其紅外發射率分別為0.577,0.789和0.923,可用于紅外隱身迷彩服。ZHU Y N[20]研制了一種基于彩色織物的被動輻射加熱紡織品。其在MXene修飾的棉纖維上涂覆紅外透明的硅納米顆粒,利用硅納米顆粒在可見光波段的選擇性反射、近紅外波段的高吸收及中紅外波段的低發射性能實現紅外隱身[見圖4(c)]。

圖4 控發射率紅外隱身面料的制備流程Fig.4 Preparation flow of the infrared stealth fabric with controlled emission rate

紅外涂層雖然工藝簡單、效率高,但會導致偽裝服的透氣性下降,洗可穿性差,而紅外偽裝染料的開發可以克服這一問題。張典典等[21]通過分散染料直接印花的方法制備了可精確模擬常見綠色植被可見光-近紅外反射光譜特征的印花織物,該織物達到了一級高光譜偽裝要求,同時具有優異的褪色牢度、沾色牢度、耐干摩擦色牢度、耐濕摩擦色牢度。HOSSAIN M A[22]利用天然植物染料在天然纖維上制作出紫外-可見-近紅外偽裝紡織品,既保證了較好的透氣性和吸濕性,能夠更好地調節皮膚的濕度和溫度,又可用于對抗森林作戰背景的防御保護。天然植物染料染色棉織物與標準黑白織物(a-l)、純色涂布棉織物(m,o)和葉紋印花棉織物(n,p)的對比如圖5[22]所示。

可控紅外發射面料原理以及測試結果如圖6所示。LIU H D等[23]開發了一種基于水分輔助的納米多孔聚乙烯非織造布,利用水分含量對溫度的敏感性,可自適應地調節其熱輻射率,實現紅外透射率從0.8到0.27的改變。此外可以通過干涉色濾鍍膜調節其可見光的顏色,實現可見光與紅外的雙重隱身效果。廖雨田等[24]開發了一種包含可見顏色層、納米多孔吸濕層、紅外低發射率層的三明治結構織物,實現了織物在可見光波段以及紅外波段隱身的效果。通過測試發現,該結構使得織物表面溫度在24～64 ℃范圍內變化,其紅外發射率在0.95～0.38范圍內自適應調節。

圖5 天然植物染料染色棉織物與標準黑白織物(a-l)、純色涂布棉織物(m,o)和葉紋印花棉織物(n,p)的對比Fig.5 Comparison of natural vegetable dye dyed cotton fabrics with standard black and white fabrics (a-l),solid color coated cotton fabrics (m,o) and leaf printed cotton fabrics (n,p)

圖6 可控紅外發射面料原理以及測試結果Fig.6 Principle of the controllable infrared emission fabric and the test results

2 人體工學在偽裝防護服上的應用

人體工學在偽裝防護服上的應用主要是為了提高穿著者的舒適度和靈活性,同時保證其功能性。生理舒適性需要考慮服裝的熱阻、吸濕性、透氣性等性能;而感官舒適性是一個多維概念,無法通過單一物理屬性來定義,需要考慮衣物的柔軟度、舒適度、干爽感等因素[25]。

對于可見光偽裝服,主要依靠迷彩涂層實現。迷彩的常見類型大致可以分為保護迷彩、變形迷彩以及仿造迷彩3類[26]。保護迷彩和變形迷彩屬于比較傳統的迷彩,而屬于仿造迷彩的數碼迷彩是通過對傳統迷彩進行升級改造后所生產出的一種新型特種裝備,它在一定程度上滿足了高科技偵察手段及作戰需要。20世紀70年代后期我軍開始研制作訓服,到目前有不少款型迷彩作訓服在大閱兵、軍演中頻頻出現,但未實際列裝。87式作訓服為我軍第1代作訓服,采用的是較為傳統的迷彩,無法模糊人體整體輪廓和背景,容易被發現和察覺,而第2代的07式數碼迷彩服采用不同顏色和圖案斑塊進行強烈對照,從而通過分隔人體形狀實現偽裝,且其有良好的抗紫外線性能、耐候性能、防紅外輻射功能及防水防油及穿著舒適等優點。目前,第3代的21式數碼迷彩作訓服采用錦棉混紡,抗拉伸性和抗耐磨性較好。錦棉混紡面料具有較高的強度和斷裂拉伸力,且較為輕便,堅牢耐用、抗皺免燙,并且耐熱性能較好,不怕霉菌與蟲蛀,便于活動,這也是面料的一種選擇趨勢。87式、07式、21式迷彩作訓服如圖7所示。

因為人體溫度與背景溫度之間有明顯的差別,所以輻射的紅外能量數值與周圍環境差異明顯,很容易被紅外探測器探測到。因此,偽裝服在完善服裝款式結構以及防寒保暖、吸濕透氣等舒適性方面還有很大的發展空間,偽裝效果有待進一步提升。

圖7 87式、07式、21式迷彩作訓服Fig.7 Camouflage training uniforms of type 87,type 07 and type 21

佟玫等[27]通過對服裝結構、發熱載體以及電池的充放電性能等進行研究,研發出以碳纖維作為發熱載體、高分子鋰電池作為能量源的背心式電加熱服裝。背心外形及安裝方式如圖8[27]所示。該加熱服前身有2個挖袋,便于攜帶電池,該款式不僅方便貼身穿著,保暖效率高,且具有一定的美觀性;考慮到人體的靜態和動態尺寸,背心腋下兩側采用5 cm寬的羅紋布,便于調節松量,以適合不同體形的人穿著,實現最佳功能尺寸。通過部隊試穿實驗,對服裝的保暖效果、舒適性及紅外偽裝效果進行測驗,結果表明:加熱背心對寒冷條件下人體的輔助保暖效果明顯,且不會顯著影響紅外偽裝效果。背心式電加熱服發熱部分柔軟透氣,具有良好的生理舒適性,能很好地滿足官兵需求。

圖8 背心外形及安裝示意Fig.8 Vest shape and installation schematic

任龍等[28]開發的一款雙區電熱智能迷彩夾克,該夾克采用3K及12K的進口碳纖維,應用了5個發熱模組元件,以及具備耐折、耐低溫(-20 ℃)、電壓穩定的12 V低壓電源線,夾克內部采用利于傳導、對流、輻射的金光絨織物,面料創新性地采用了不利于傳導、對流、輻射的迷彩針織面料/防水透氣膜/搖粒絨復合面料。該夾克不僅具有良好的耐洗可穿性,同時具備良好的保暖、透氣及防水性能,可用于冬季野外狩獵偽裝保暖使用。

YIN X等[29]根據人體自身的散熱能力,設計了一種有4層面料的服裝,前3層為親水層,最后1層為疏水層,以實現汗液的快速吸收和蒸發。當人體出汗時,汗液會被前3層迅速吸收,且只在第3層和第4層的交界處蒸發,并且通過調節衣服結構參數(如層厚度和孔隙率),可以在給定的邊界條件下達到滿意的紅外偽裝效果。這種多層服裝不僅可以限制人體散熱的感性傳熱,促進汗液的蒸發,減小人體與環境之間的溫差,使體溫維持在相對穩定的水平,減少人體因汗液產生的不舒適感,保持人體干爽舒適,而且可以實現紅外偽裝的效果。

3 偽裝防護服的評價

對偽裝防護服的評價主要從其防護性需求和舒適性需求兩方面進行。偽裝防護服在不同環境條件下提供偽裝和隱蔽,因此需要在電磁波譜的不同波長范圍內提供偽裝。對于可見波段偽裝效果,評價標準分為兩種:①計算目標偽裝前后的光學發現概率和能見度,二者越低偽裝效果越好;②利用CIE1931色度系統計算目標偽裝后的色度指標,并與環境顏色進行對比,結果相差越小偽裝效果越好。紅外波段偽裝效果的評價標準主要在于根據最小可分辨溫度(M)求得的熱紅外探測距離R和熱紅外發現概率P,公式如下:

ΔT·τ(R)=M,

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ΔT為目標與背景的真實輻射溫差,單位為K;τ為單位厚度大氣透射率,單位為km-1;R為熱紅外探測距離,單位為km;μ為對應探測概率的50%;σ為MRTD正態分布的差值;k為概率換算系數;P為熱紅外發現概率。

此外,GJB 7927—2012《偽裝網通用要求》[30]規定了偽裝網的設計、制造、使用等方面的通用要求,這一標準也可為紅外偽裝服的測試與評價提供一定的參考。

偽裝防護服不僅要在防護性能上符合相關標準的要求,而且要符合人體工學的要求,人體工學穿著舒適性評估技術是一種評估服裝舒適性的方法,包括主觀評估和客觀評估、計算機數值模擬[31-32]。主觀評估是通過人體試穿來獲得對舒適性的主觀評價,其優點是可以獲得用戶的真實感受,缺點是結果容易受到主觀因素的影響;客觀評估是使用傳感器等設備測量與舒適性相關的生理參數,其優點是結果準確可靠,缺點是不夠直觀,需要使用專業設備。在評估偽裝服裝的舒適性時,可以參考美國的ASTM F1154—11[33],該標準可以定性評估防護服裝的舒適性、合適度、功能和完整性[34]。綜合使用主觀評估和客觀評估可以獲得更全面的舒適性評估結果,但特殊工況下人體耐受能力不可預估,危險性較高,因此出現了出汗假人、數值假人等替代真人進行實驗,以降低實驗風險,雖然實驗結果較穩定,但設備精度要求高且耗時,具有一定破壞性[32]。計算機模擬人體與服裝的相互作用已成為一種重要的研究手段,其相比主客觀評價法具有更大的靈活度和自由度,如熱生理模型在高溫作業防護服、防寒服中的應用,這對偽裝防護服裝的舒適性評價具有一定的借鑒意義。

4 結語

當前國內偽裝防護產品面臨著嚴峻的挑戰,存在著相關理論創新、材料創新缺乏,穿著舒適性差等諸多問題。人體工學在偽裝防護服裝上的應用主要是為了提高穿著者的舒適度和便利性,同時保證紡織品的功能性。在設計偽裝防護服時,不僅需要考慮穿戴者的人體靜態、動態尺寸等因素,以確保紡織品的合體性和活動性,還需要考慮多維因素,如服裝的吸濕性、透氣性,衣物的柔軟度、舒適度、干爽感等,從而實現良好的生理舒適性和感官舒適性,減少不必要的零部件設計,提高偽裝防護服的實用性和人性化程度。