Композиционный материал, экранирующий инфракрасное излучение

Изобретение относится к материалам, экранирующим электромагнитное излучение, и может быть использовано при изготовлении швейных изделий, предназначенных для электромагнитного камуфляжа, в частности, на инфракрасных длинах волн, а также при изготовлении швейных изделий технического назначения, а именно мобильных укрытий (палаток, тентов), обеспечивающих сохранение комфортных микроклиматических условий биологическому объекту преимущественно в холодное время года дневное и ночное время суток. Композиционный материал, экранирующий инфракрасное излучение, содержит внутренний и наружный слои, между которыми расположена система термостатирования. Внутренний и наружный слои выполнены из текстильного материала с металлонапылением, а в качестве системы термостатирования используется цепочка соединенных последовательно или параллельно между собой элементов Пельтье, связанных с источником питания, при этом текстильный материал внутреннего слоя имеет пористую структуру, а наружный - выполнен из текстильного материала плотной структуры с водоотталкивающей пропиткой гладко черной или камуфлирующей раскраски, элементы Пельтье соединены с изнаночными сторонами внутреннего и наружного слоев, через двусторонний липкий материал и расположены на нем, на равном расстоянии друг от друга с напуском наружного слоя с образованием ячеек воздушных зазоров. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к материалам, экранирующим электромагнитное излучение, и может быть использовано при изготовлении швейных изделий, предназначенных для электромагнитного камуфляжа, в частности, на инфракрасных длинах волн, а также при изготовлении швейных изделий технического назначения, а именно мобильных укрытий (палаток, тентов), обеспечивающих сохранение комфортных микроклиматических условий биологическому объекту, преимущественно в холодное время года дневное и ночное время суток.

Инфракрасный сигнал, в условиях прямой видимости, может передаваться на расстояние до нескольких километров и проходить сквозь непрозрачные для видимого излучения материалы. Физиологическое состояние биологического объекта (человека) предполагает постоянное выделение в окружающую среду, тепла, количество и интенсивность которого определяется множеством факторов, а именно температурой окружающей среды, теплозащитными свойствами одежного покрытия, статико-динамическим состоянием биологического объекта и др. Электромагнитный камуфляж должен обеспечивать не только комфортность, но и безопасность военнослужащего, т.е. блокировать возможность его обнаружения.

Известен материал /Пат. US 5281460 США, МПК F41H 3/02. Инфракрасное маскировочное покрытие / Cox Phillip; заявитель Teledyne industries Inc, патентообладатель Cox Phillip. - №900428; заявл. 18.06.1992; опубл. 25.01.1994/, в котором на пористой нейлоновой сетке нанесен рисунок из полос. Полосы покрыты серебром, медью или пигментом. Пористая нейлоновая сетка является тепло и влагопропускающим материалом, в соответствии с чем использование данного материала для обеспечения электромагнитного камуфляжа невозможно.

Известен материал /Пат. US 4495239, МПК F41H 3/02. Маскировочные материалы широкого спектра действия / Pusch Gunter, Hoffmann Alexander, Aisslinger Dieter; заявитель Pusch Gunter; Hoffmann Alexander. - №459354; заявл. 16.12.1982; опубл. 22.01.1985/, в основе которого лежит слой текстильного материала, на поверхность которого методом осаждения из газовой фазы нанесен металлический отражающий слой, а затем - камуфлирующая раскраска. Недостатками данного изобретения является недолговечность изделия, изготавливаемого из такого материала по причине наличия металлизированного и легкоповреждаемого покрытия на поверхности материала, невозможность нанесения сложных многоцветных рисунков, соответствующих условиям эксплуатации изделий, а также низкий уровень экранирования инфракрасного излучения.

Известен материал /Пат. US 4467005, МПК B32B 5/26 и др. Пароводопроницаемая драпирующаяся ткань, отражающая инфракрасное излучение / Pusch Gunter; Weimar Reinhold, Aisslinger Dieter; заявитель Pusch Gunter, Weimar Reinhold. - №480481; заявл. 30.03.1983; опубл. 21.08.1984/, изготавливаемый на основе опорной сетки, на обеих сторонах которой имеется несущее полотно с металлическим покрытием, отражающим ИК излучение. Недостатком данного изобретения является его пароводопроницаемость, и как следствие, невозможность экранирования инфракрасного излучения.

Известен материал /Пат. RU 2127194, МПК B32B 5/18. Материал с покрытием, отражающим инфракрасное излучение / Куллер Грегори Д.; заявитель и патентообладатель В.Л. Горе и Ассоциэйтс, Инк. (US). №97118428/12; заявл. 12.10.1995; опубл. 10.03.1999/, обладающий теплоотражающими свойствами и содержащий по меньшей мере одну металлизированную микропористую мембрану, дублированную по меньшей мере с еще одним слоем текстильного материала. В материале металлизированная мембрана выполнена из микропористого вспененного политетрафторэтилена, текстильная основа представляет собой шелк, а металл - алюминий.

К недостаткам изобретения относится низкий уровень камуфлирующей защиты при использовании детекторов инфракрасного излучения, кроме того, текстильный материал, который дублируют металлизированной пленкой, не имеет камуфлирующей раскраски, что ухудшает камуфлирующие свойства изделия в дневное время суток и дает декамуфлирующий эффект в ночное время суток по причине высокой степени светового отражения металлизированной пленки.

Известен многослойный материал /Пат. US 5131097, МПК A41D 31/00; A62B 17/00; B32B 3/28. Одежда для пожарных с минимальным весом и отличными защитными свойствами / Grilliot Willam L., Grilliot Mary I.; опубл. 21.07.1992/, который имеет внешний, промежуточный и внутренний слои. Промежуточный слой, сформированный гофрированными элементами, выполненными из пористого материала, создает и поддерживает воздушное пространство между слоями одежды. Конструкция пакета материалов обеспечивает сохранение воздушной прослойки между внешним и внутренним слоями при воздействии на человека внешнего давления. Материал обеспечивает одежде высокие теплоизоляционные свойства, и как следствие, в некоторой степени, электромагнитный камуфляж, однако технология изготовления гофрированных элементов сложна и трудоемка, требует специального оборудования, а пакет материалов, полученный указанным способом, будет обладать повышенной жесткостью, что ограничивает его применение при изготовлении одежды.

Известен многослойный теплоизоляционный материал /Пат. GB 2108822, МПК A41B 9/00; A41B 17/00 и др. Ребристый вентиляционный пододежный материал для защитной одежды / Gioello Debbie Ann; опубл. 25.05.1983/, используемый в качестве теплоизолятора и обеспечивающий отвод влаги при интенсивном потоотделении, необходимый газообмен, защиту от осадков при сохранении «воздушной подушки». Технология изготовления материала предполагает образование на наружной поверхности материала, из которого изготавливается нательная одежда (белье), продольных преимущественно вертикальных гибких валиков, сохраняющих воздушную прослойку между верхней и нижней одеждой. В каналах между валиками может циркулировать воздух. Конструкция материала обеспечивает одежде теплоизоляционные свойства, однако использование такого материала в качестве электромагнитного камуфляжа невозможно, так как гибкие валики не соединены друг с другом, находятся на большом расстоянии друг от друга и между ними осуществляется интенсивная теплоотдача в окружающую среду, ввиду отсутствия на этих участках воздушной прослойки, а значит, не исключена возможность обнаружения биологического объекта приборами, детектирующими инфракрасное излучение.

За прототип взят композиционный материал, используемый при изготовлении костюма-теплообменника /Патент GB 1185622, кл. A01D 13/00, 25.03.1970/, изготавливаемый в виде покрываемого тело или белье человека гибкой оболочки, состоящей из внутреннего и наружного герметичных слоев, в зазоре между которыми расположены трубки, и система термостатирования для обеспечения подачи и циркуляции в зазоре между герметичными слоями охлаждающего агента и его отвода. К недостаткам изобретения относится невозможность обеспечения благоприятных условий для длительной работы оператора вследствие имеющейся возможности изменения зазора между герметичными оболочками и отсутствия возможности регулирования процесса теплосъема. Кроме того, для экранирования инфракрасного излучения такая конструкция материала является тяжеловесной и дорогостоящей.

Все перечисленные изобретения реализуют один из трех существующих в настоящее время подходов в ослаблении теплового изображения приборами детектирующими ИК излучение: снижение интенсивности теплоотдачи за счет теплоизоляции биологического объекта, снижающей температуру наружной поверхности, использование материалов, покрывающих биологический объект, с низкой излучательной способностью и использование системы охлаждения, снижающей температуру пододежного пространства, тем самым обеспечивая электромагнитный камуфляж. Использование теплоизоляции приводит к перегреву биологического объекта и существенному ухудшению его физиологического состояния, к материалам с низкой излучательной способностью (близкой к излучательной способности абсолютно черного тела), относятся такие как: керамика, резина, дерево, стекло, т.е. не пригодные для изготовления камуфлирующих швейных изделий, а в изделиях, реализующих охлаждающий эффект, использованы технически сложные, тяжелые и дорогостоящие устройства, использование которых для экранирования инфракрасного излучения нецелесообразно.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение высокой степени экранирования электромагнитного излучения, обеспечение комфортных микроклиматических условий теплокровному объекту при использовании материала в холодное время года, а также высокий уровень визуального камуфляжа в дневное и ночное время суток.

Указанный технический результат достигается тем, что в композиционном материале, экранирующем инфракрасное излучение, содержащем внутренний и наружный слои, между которыми расположена система термостатирования, согласно изобретению внутренний и наружный слои выполнены из текстильного материала с металлонапылением, а в качестве системы термостатирования использована цепочка соединенных последовательно или параллельно между собой элементов Пельтье, связанных с источником питания. При этом текстильный материал внутреннего слоя имеет пористую структуру, а наружного - выполнен из текстильного материала плотной структуры с водоотталкивающей пропиткой и имеет однотонную раскраску черного цвета либо камуфлирующую, а элементы Пельтье соединены с изнаночными сторонами текстильных материалов через двусторонний липкий материал и расположены на нем, на равном расстоянии друг от друга с напуском наружного слоя с образованием ячеек воздушных зазоров.

Экранирование электромагнитного излучения, комфортные микроклиматические условия, а также высокий уровень визуального камуфляжа в дневное и ночное время суток в изделиях, изготавливаемых из заявляемого композиционного материла, обеспечиваются его конструктивным решением, предполагающим использование системы термостатирования и разнородных по свойствам текстильных материалов, меняющих направление движения теплового поля, а также цветовой гаммой наружного слоя материала, создающего камуфлирующий эффект.

На фиг.1 показана структура заявляемого композиционного материала, обеспечивающего экранирование инфракрасного излучения и, как следствие, маскировку от обнаружения детекторами инфракрасного излучения.

На фиг.2 представлен факсимильный рисунок, подтверждающий экранирующие свойства заявляемого материала.

Структура композиционного материала, ослабляющего тепловое излучение, представлена следующими слоями (фиг.1):

1 - полиэфирный текстильный материал внутреннего слоя пористой структуры с металлонапылением с изнаночной стороны;

2 - полиэфирный текстильный материал наружного слоя с водоотталкивающей пропиткой черного цвета или камуфлирующей раскраски;

3 - металлонапыление, наносимое с изнаночной стороны внутреннего и наружного слоев композиционного материала;

4 - элементы Пельтье, соединенные в цепочку последовательно;

5 - соединительный двусторонний липкий материал;

6 - источник питания и регулятор подводимой мощности электрического тока;

7 - ячейки воздушных зазоров, образованные напуском из текстильного материала наружного слоя.

Любое тело, нагретое до определенной температуры, излучает энергию в инфракрасном спектре (длина волны, излучаемой телом, зависит от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения). Инфракрасный сигнал, в условиях прямой видимости, может передаваться на расстояние до нескольких километров и проходить сквозь непрозрачные для видимого излучения материалы. Заявляемый композиционный материал, экранирующий инфракрасное излучение обеспечивает маскировочный эффект биологическому объекту от обнаружения детекторами инфракрасного излучения, преимущественно в холодное время года, а в зависимости от раскраски внешнего слоя (однотонная черная или камуфлирующая) в ночное или дневное время суток. Водоотталкивающая пропитка внешнего слоя текстильного материала обеспечивает защиту биологического объекта от осадков в виде дождя и снега и сохранению высоких эксплуатационных свойств материалу в любых погодных условиях. Черный цвет внешнего слоя обеспечивает хороший камуфлирующий эффект в ночное время суток, а камуфлирующий рисунок, выполненный в цветовом фоне максимально приближенном к фону окружающей среды нахождения объекта - визуальный камуфляж в дневное время суток.

Эффект экранирования электромагнитного излучения изделиями, изготавливаемыми из заявляемого композиционного материала, базируется на основных законах протекания термодинамических процессов, а именно их протекании в направлении достижения в термодинамической системе равновесия, то есть выравнивания в ней давлений, температур, а также на физических свойствах металлов, а именно теплопроводности. Изделия, изготавливаемые из композиционного материала (плащи, укрытия) предполагается использовать по целевому назначению, а именно для экранирования инфракрасного излучения. Данные изделия надеваются поверх основной одежды таким образом, что между основной одеждой и изделием, которое изготавливается из композиционного материала, остается воздушный зазор.

В основе композиционного материала лежит система термостатирования, представленная термоэлектрическими преобразователями - элементами Пельтье 4, соединенными в цепочку последовательно или параллельно. Электрический ток, подаваемый от источника питания 6 переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье 4 на противоположную и создает разность температур. Таким образом, одна сторона элементов Пельтье всегда будет иметь более низкую температуру, чем другая. Величина температурной разницы зависит от величины подаваемого напряжения, которую можно менять регулятором подводимой мощности электрического тока. Элементы Пельтье 4 соединены с изнаночной стороной внутреннего 1 и наружного 2 слоя композиционного материала соответственно «горячей» и «холодной» стороной через двусторонний теплопроводный липкий материал 5. Металлическое покрытие 3, благодаря высоким теплопроводящим свойствам металлов, способствует выравниванию и поддержанию температур на «горячей» и «холодной» стороне композиционного материала по всей его поверхности. Благодаря пористой структуре внутреннего слоя композиционного материала 1 тепло, передаваемое непосредственно от «горячей» стороны элементов Пельтье 4, а также тепло, образуемое в результате термопреобразования, и накапливаемое в ячейках воздушной прослойки 7, создаваемых напуском текстильного материала наружного слоя 2, выводится наружу через внутренний слой композиционного материала 1, т.к. пористая структура внутреннего слоя композиционного материала этому не препятствует и теплый поток воздуха будет постепенно, по мере его накапливания, двигаться в сторону более холодного воздуха (пододежного пространства). Тепло, свободно выходящее из композиционного материала наружу через пористый материал внутреннего слоя 1, обеспечивает дополнительный обогрев биологического объекта в холодное время года, обеспечивая ему комфортные микроклиматические условия. «Холодная» сторона элементов Пельтье 4, соединенных с изнаночной стороной внешнего слоя композиционного материала 1, передает ему «холод», а теплопроводные свойства металла, используемого в качестве металлонапыления 3, выравнивают температурное поле по всей его поверхности. Отсутствие металлонапыления на изнаночной стороне наружного слоя 2 приведет к перепаду температурного поля сначала внутренней стороны, а затем и наружной, что повлечет за собой тепловое излучение и декамуфляж. Регулятор подводимой мощности электрического тока 6 позволяет увеличивать и уменьшать величину электропитания элементов Пельтье 4, что обеспечивает изменение разности температур на «горячей» и «холодной» стороне элементов Пельтье, в зависимости от температуры окружающей среды и, как следствие, регулировать интенсивность теплоотдачи композиционного материала, что делает его более универсальным.

Многослойный материал, благодаря такой структуре, обладает водоотталкивающими свойствами, экранирует инфракрасное излучение, обеспечивает комфортные микроклиматические условия биологическому объекту, и визуальный камуфляж в дневное и ночное время суток при использовании соответственно камуфлирующей или однотонной (черной) раскраски лицевой стороны наружного слоя.

Пример 1

На изнаночную сторону текстильного материала «Оксфорд 600» волокнистого состава 100% ПЭ (полиэфир) поверхностной плотности 350 г/м² с водоотталкивающей пропиткой и камуфлирующей раскраской и на изнаночную сторону текстильного материала AP 0018 NILINA, имеющего пористую структуру, поверхностной плотности 40 г/м² методом магнетронного напыления нанесен тонкий слой алюминия в количестве 1,0-1,5 г/м², толщиной слоя 55-70 нм соответственно. Из материала «Оксфорд 600» будет формироваться внешний, а из материала AP 0018 NILINA - внутренний слой композиционного материала. На изнаночной стороне наружного слоя композиционного материала карандашом нанесен рапорт расположения элементов Пельтье (4×4) см. Элементы Пельтье A-TM 11.2-127-1.4 размером 40×40×3,2 соединяем последовательно в единую цепочку и через регулятор подводимой мощности электрического тока к источнику питания. С помощью самоклеящейся двусторонней ленты на пленочной основе элементы Пельтье приклеили к изнаночной стороне внешнего слоя композиционного материала на равном расстоянии друг от друга по предварительно сделанной разметке (в данном случае в шахматном порядке). За счет разности расстояний между элементами Пельтье и рапорта рисунка, по которому они наносятся, из материала наружного слоя между элементами образуется напуск. Наклеиваем на противоположную (свободную) сторону элементов Пельтье самоклеящийся двусторонний пленочный материал и укладываем сверху на них внутренний слой композиционного материала металлонапылением вниз, прижимаем (приклеиваем) его к элементам Пельтье.

Для испытания материала на его способность экранировать электромагнитное излучение изготовили комбинированную куртку. Куртка изготавливалась в лабораторных условиях по классической технологии, применяемой на швейных предприятиях производства верхней одежды, а также изделий специального назначения, в том числе одежды полевой для военнослужащих. Полочки (передняя часть) куртки покрывалась дополнительным (экранирующим) слоем. Правая часть дополнительного слоя изготавливалась из композиционного материала, конструктивное решение которого соответствовало заявляемому изобретению, а левая часть - из материала, повторяющего основной слой куртки. Для оценки камуфлирующего эффекта, т.е. экранирующих свойств материала для ИК, применялся тепловизор марки Nec TH 7100 (инфракрасная камера) - оптико-электронный измерительный прибор, работающий в инфракрасной области электромагнитного спектра. Фиксировалась температура поверхности теплоизлучающего объекта (человека), одетого в куртку. Исследования проводились в открытой среде при окружающей температуре воздуха -6°C. На фиг.2 выражена тональная разница, характеризующая разницу температур поверхности человека, зафиксированную тепловизором. Правая сторона куртки, изготовленная из материала по заявляемому изобретению, практически сливается с окружающей средой, что подтверждает маскировочный эффект, обеспечивающий существенное ослабление (экранирование) теплового излучения, идущего от теплокровного объекта. Более светлым тоном определяются правая сторона куртки, еще более светлым - не покрытые теплоизоляционным материалом участки поверхности тела человека (ноги и лицо).

1. Композиционный материал, экранирующий инфракрасное излучение, содержащий внутренний и наружный слои, между которыми расположена система термостатирования, отличающийся тем, что внутренний и наружный слои выполнены из текстильного материала с металлонапылением, а в качестве системы термостатирования используется цепочка соединенных последовательно или параллельно между собой элементов Пельтье, связанных с источником питания, при этом текстильный материал внутреннего слоя имеет пористую структуру, а наружного - выполнен из текстильного материала плотной структуры с водоотталкивающей пропиткой и имеет однотонную раскраску черного цвета, элементы Пельтье соединены с изнаночными сторонами внутреннего и наружного слоев через двусторонний липкий материал и расположены на нем на равном расстоянии друг от друга с напуском наружного слоя с образованием ячеек воздушных зазоров.

2. Композиционный материал, экранирующий инфракрасное излучение, по п.1, отличающийся тем, что наружный слой изготовлен из текстильного материала плотной структуры с водоотталкивающей пропиткой и имеет камуфлирующую раскраску.