CN114137641B - 一种用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于伪装技术领域，涉及一种用于光学伪装的微流控薄膜及方法，具体涉及一种用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜及其制备方法，所述微流控薄膜具有单层或多层微通道结构，微流控薄膜的背面为反射层，在微通道中通入微流体，通过每层微通道中的微流体控制微流控薄膜整体的可见颜色和红外发射率。本发明的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜的红外发射率和颜色通过控制微流体进行改变，具有主动性、可控性、精准控制的优点。当目标物体所处背景的颜色和温度改变时，可以通过控制流体改变微流控薄膜的颜色和发射率。
Description
技术领域
本发明属于伪装技术领域，涉及一种用于光学伪装的微流控薄膜及方法，具体涉及一种用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜及其制备方法。
背景技术
伪装技术，其基本原理是通过材料、传感、控制等技术手段改变物体整体或局部的光学特性，从而实现物体与周围环境的融合，提高隐蔽性。
在可见光波段，目前存在的视觉伪装与隐身技术主要是利用设备自身改变电磁波传播特性的方法达到隐身目的，如专利号CN11572109A，公开了一种隐身材料系统及其制备方法，通过结构吸波层与伪装网的匹配设计，实现了雷达可见光的宽频隐身。另一种伪装技术是采用视觉采集系统，对周围环境进行观测后处理为电信号传递给其隐身装置并成像。如专利号CN1631281A，使用光纤对采集环境图像信息直接在目标物体表面显示，产生图像失真；专利号CN112028712A，使用电致变色材料对目标物体进行隐身伪装，但材料本身制备过程复杂、成本高、后期维护较为麻烦，不能大规模的制造与使用。
在红外波段，现有的红外伪装技术多是通过改变物体的红外辐射强度来达到热红外伪装的效果。通过斯蒂藩－玻尔兹曼定律，物体发射的红外辐射强度与物体发射率和物体绝对温度的四次方成正比。降低目标物体表面温度是最直接的红外伪装技术，如专利号CN112484573A，通过调整薄膜整体温度使目标物体整体在红外波段处于隐身状态。对红外发射率调控也是达到热红外伪装效果的主要手段，如专利号CN104762809A，通过将相变温度在30-40℃的微胶囊与掺铝氧化锌粉体混合，得到低发射率的红外伪装面料。
目前主要的双波段隐身伪装技术多使用结构复杂、制备困难的材料，如专利号CN109696716A，在硫化锌基片上镀减反射层组成了在激光、长波红外双波段高强减反射膜，其减反射膜由四种薄膜材料制备的膜层叠加而成，膜层层数共计19层，从硫化锌基片开始，由内向外第1层为氧化铪，第2层到第18层中奇数层为氟化镱、偶数层为硫化锌，第19层为氮化硅；专利号CN11913329A，利用电致变色技术，在处理后的基底层制备高透过率导电层，WO3变色层、Ta2O5电解质层、经过退火处理后得到晶态WO3层，离子储存层，重复上述沉积步骤得到完整调节可见、红外双波段光学性能的电致变色薄膜器件。
现有隐身材料多专注某一特定波段进行调节，而对可见-红外波段可以同时进行主动调节的材料较少，且多为结构复杂、制备工艺困难、调控范围较小、难以实际应用和大规模生产。针对此现状，本发明提出了一种利用微流控技术进行主动调节的可见与红外光双波段伪装的薄膜。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜，能根据所处背景温度和颜色的变化动态调控红外发射率和颜色，与环境背景相融合，实现所覆盖物体的动态伪装。
本发明的目的之二在于提供一种用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜的制备方法，方法简单，便于调控。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜，所述微流控薄膜具有单层或多层微通道结构，微流控薄膜的背面为反射层，在微通道中通入微流体，通过每层微通道中的微流体控制微流控薄膜整体的可见颜色和红外发射率。
优选地，所述微流控薄膜为可见和红外波段均透明的柔性聚合物材料。
优选地，所述微流控薄膜为聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的任意一种。
薄膜厚度不限，薄膜厚度为常规厚度即可，薄膜厚度一般在10-10000m之间，根据需要选择即可。
优选地，所述微流体为可见光选择性吸收、红外半透明的液体或气体。
优选地，所述微流体在可见波段选择性吸收，表现出相应颜色，在红外波段半透明，红外发射率随流体厚度的增加而增加。
流体厚度不限，根据需要制备合适通道高度的微流通道即可，一般单层流体厚度范围在10-1000m之间，根据需要选择即可。
优选地，所述液体为混合颜料的石蜡油、水、二甲基硅油、乙醇、松香水、丙酮中的至少一种。所述气体为氨气、乙烯气体、空气、氮气、氧气、氢气中的任一种。
反射层材质及厚度不限，常规厚度即可，一般在10nm-1cm之间，金属反射层、高分子材料反射层或涂料反射层均可，常规选择的金属反射层比如：金、银、铜、钛、铝、等都可以，高分子材料反射层如PVDF等，涂料反射层如TiO2等。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备模板，得到具有所需流道形状的微槽道的模板；
(2)将聚合物平铺在所述步骤(1)制备的模板表面具有图案结构的一侧，进行热压，将聚合物融化填充模板的槽道，冷却后得到具有微槽道结构的聚合物薄膜；
(3)将所述步骤(2)得到的具有微槽道结构的聚合物薄膜与聚合物平板薄膜热压粘合，形成微流体通道，得到具有微流体通道的薄膜；
(4)在所述步骤(3)中得到的具有微流体通道的薄膜的底面沉积反射层；
(5)在所述步骤(4)得到的薄膜的微流通道中通入微流体并封装微流体通道出入口，即得到所述用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜。
优选地，所述步骤(1)中，制备模板的具体步骤为：采用激光切割或化学刻蚀模板，并在模板表面根据所需流道形状制备槽道。
优选地，所述步骤(3)中，当制备多层微流通道时，将多个聚合物薄膜依次叠放后再与聚合物平板薄膜热压粘合。
具体的工作机理如下：
微流控薄膜为可见和红外波段均透明的聚合物材料，当微通道不通入流体时，表现为反射层的颜色，同时具有低红外发射率。微流体为具有可见波段选择性吸收和红外波段半透明特性的流体，当通道中通入流体时，薄膜表现为流体的颜色，微流体颜色与背景颜色相同或相近，达到可见光伪装的效果；同时，通入流体使发射率提高，保证微流控薄膜覆盖物体温度变化时其红外辐射功率能够与周围环境相同或相近，达到红外伪装的效果。薄膜具有单层或叠层微通道结构，在单层结构中，通入流体后，薄膜表现为流体的颜色；在叠层结构中，薄膜表现为多层流体的叠加颜色。红外发射率与微流体的厚度有关，通入微流体的厚度不同，获得不同的红外发射率。微流控薄膜的颜色与红外发射率的调控相互独立，同一红外发射率可获得多种颜色，同种颜色可对应于不同红外发射率。在相同薄膜结构中，可以通入不同种类、不同厚度的流体或气体，得到不同的发射率。
本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜的红外发射率和颜色通过控制微流体进行改变，具有主动性、可控性、精准控制的优点。当目标物体所处背景的颜色和温度改变时，可以通过控制流体改变微流控薄膜的颜色和发射率。
(2)本发明的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜的可见光与红外波段的调控相互独立，微流控薄膜的颜色与微流体的颜色有关，红外发射率与微流道通入流体的厚度有关。在可见和红外波段的光学调控由微流体的两种不同特性决定。可以根据需求选择不同的可见光颜色与红外波段发射率，实现同一种可见颜色不同发射率、同种发射率不同可见颜色的效果。
(3)本发明的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜的红外发射率调控范围大，在本发明中，在薄膜背面沉积了反射层后，最低可到0.05，通入微流体时整体发射率最高可达0.95，可以实现较大范围内的红外发射率调控。
(4)本发明的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜的可见光颜色范围大。微流控薄膜通入微流体后，表现为流体颜色，每一层流体可以选择为多种颜色，多层结构可以叠加显色，实现多种颜色组合。
(5)本发明的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜适用范围广，主体为一张柔性薄膜，整体制备完成后可放于任何平面、不区分目标物体的材料性质。
(6)本发明的制备方法采用廉价易得的原料，制作工艺简单，易于产业化，控制系统简单、方法便捷易操作。
附图说明
图1为微流控薄膜结构横切面示意图；
图2为微流控薄膜结构俯视示意图；
图3为实施例1中微流控薄膜截面SEM图；
图4为实施例1中发射率随厚度变化图。
图5为实施例1中不同颜色的光谱图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1-7中，微流控薄膜中未通入流体时，实际在微流通道中充满了空气。
实施例1
一种用于光学伪装的微流控薄膜，包括透明微流体通道和可见-红外调控微流体。其中，微流控薄膜具有三层微流道结构，由聚乙烯薄膜热压形成，薄膜基底为金属反射层。可见-红外调控微流体为混合油溶性颜料的低粘度石蜡油。
本实施例提供的红外与可见光双波段伪装薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1)利用激光切割5cm×5cm×0.3cm的不锈钢板，得到深度100μm、宽度200μm的线型微流道凹陷。
2)将聚乙烯颗粒平铺在步骤1)所述不锈钢板上具有凹陷的一侧，利用热压机在温度150℃，压力10MPa下压制10分钟，利用塞尺控制薄膜厚度为40μm。冷却至室温后泄压得到具有凸起结构的聚乙烯薄膜。
3)将聚乙烯平板、三片具有凸起结构的聚乙烯薄膜从上到下对齐，利用热压机压制30分钟，其参数为温度125℃，压力0.1MPa。
4)将步骤3)中微流控薄膜取出，利用磁控溅射在其底面镀一层厚度约为200nm的银，其参数为偏压100V、功率100W、腔体内部气压1.4Pa。
5)接入引流管，封装微流体通道出入口。
6)分别在50mL低粘度石蜡油中加入5mg红色、5mg黄色、5mg蓝色油溶性颜料，搅拌混色均匀，通满微通道。
通过控制微流体的颜色，本实施例中微流体薄膜的红外发射率大约在0.5-0.9的范围变化，可见颜色包括红、黄、蓝、橙、绿、紫、黑和银白八种颜色。具体操作如下：微流控薄膜中未通入流体时，薄膜整体显示为银反射层的银白色，其红外发射率为0.5；当通入第一层流体时，可以显示出步骤6)选择的三种颜色中其中一种，其可见颜色可为红、黄、蓝，红外发射率为0.69；通入二层流体时，可以实现红、黄、蓝三色其中任意两种的混色，其可见颜色可为红、黄、蓝、橙、绿、紫，红外发射率为0.82；通入三层流体时，可实现红、黄、蓝、橙、绿、紫、黑，红外发射率为0.91。
图1为本实施例的微流控薄膜结构横切面示意图；微流控薄膜分为三层，每层都外接注射泵，可单独操控。
图2为本实施例的微流控薄膜结构俯视示意图。
图3为本实施例中微流控薄膜截面SEM图；从图中可以看出：每层通道独立存在，且每层通道横截面高度大约在60m。
图4为本实施例中发射率随微流体的厚度变化图，其中横坐标表示的是微通道通入流体的总厚度，从图中可以看出：不同厚度的石蜡油微流体层具有不同的发射率，可以根据所需要实现的发射率选择不同的微流体的厚度。
图5为本实施例中不同颜色的光谱图，从图中可以看出：不同的颜色具有不同的特征吸收峰，此实施例中的三层结构微流控薄膜可以实现八种不同的颜色。
实施例2
一种用于光学伪装的微流控薄膜，包括透明微流体通道和可见-红外调控微流体。其中，微流体通道具有三层微流道结构，由聚苯乙烯薄膜热压形成，薄膜基底为金属反射层。可见-红外调控微流体为混合油溶性颜料的低粘度石蜡油。
本实施例提供的红外与可见光双波段伪装薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1)利用激光切割5cm×5cm×0.3cm的不锈钢板，得到深度100μm、宽度200μm的线型微流道凹陷。
2)将聚苯乙烯颗粒平铺在步骤1)所述不锈钢板上具有凹陷的一侧，利用热压机在温度190℃，压力15MPa下压制20分钟，利用塞尺控制薄膜厚度为10μm。冷却至室温后泄压得到具有凸起结构的聚苯乙烯薄膜。
3)将聚苯乙烯平板、三片具有凸起结构的聚苯乙烯薄膜从上到下对齐，利用热压机压制30分钟，其参数为温度125℃，压力0.1MPa。
4)将步骤3)中微流控薄膜取出，利用磁控溅射在其底面镀一层厚度约为200nm的银，其参数为偏压100V、功率100W、腔体内部气压1.4Pa。
5)接入引流管，封装微流体通道出入口。
6)分别在50mL低粘度石蜡油中加入5mg红色、5mg黄色、5mg蓝色油溶性颜料，搅拌混色均匀，通满微通道。
通过控制微流体，本实施例中微流体薄膜的红外发射率在0.5-0.9的范围变化，可见颜色包括红、黄、蓝、橙、绿、紫、黑和银白八种颜色。具体操作如下：微流控薄膜中未通入流体时，薄膜整体显示为银反射层的银白色，其红外发射率为0.5；当通入第一层流体时，可以显示出步骤6)选择的三种颜色中其中一种，其可见颜色可为红、黄、蓝，红外发射率为0.71；通入二层流体时，可以实现红、黄、蓝三色其中任意两种的混色，其可见颜色可为红、黄、蓝、橙、绿、紫，红外发射率为0.82；通入三层流体时，可实现红、黄、蓝、橙、绿、紫、黑，红外发射率为0.89。
实施例3
一种用于光学伪装的微流控薄膜，包括透明微流体通道和可见-红外调控微流体。其中，微流体通道具有两层微流道结构，由聚乙烯薄膜热压形成，薄膜基底为金属反射层。可见-红外调控微流体为混合油溶性颜料的低粘度石蜡油。
本实施例提供的红外与可见光双波段伪装薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1)利用化学刻蚀5cm×5cm×0.3cm的不锈钢板，得到深度200μm、宽度300μm的线型微流道凹陷。
2)将聚乙烯颗粒平铺在步骤1)所述不锈钢板上具有凹陷的一侧，利用热压机在温度150℃，压力10MPa下压制10分钟，利用塞尺控制薄膜厚度为40μm。冷却至室温后泄压得到具有凸起结构的聚乙烯薄膜。
3)将聚乙烯平板、两片具有凸起结构的聚乙烯薄膜从上到下对齐，利用热压机压制30分钟，其参数为温度125℃，压力0.1MPa。
4)将步骤3)中微流控薄膜取出，利用磁控溅射在其底面镀一层厚度约为200nm的银，其参数为偏压100V、功率100W、腔体内部气压1.4Pa。
5)接入引流管，封装微流体通道出入口。
6)分别在50mL低粘度石蜡油中加入5mg红色、5mg黄色油溶性颜料，搅拌混色均匀，通满微通道。
通过控制微流体，本实施例中微流控薄膜的红外发射率约在0.5-0.9的范围变化，颜色红、黄、橙和银白四种颜色。微流控薄膜中未通入流体时，薄膜整体显示为银反射层的银白色，其红外发射率为0.45；当通入第一层流体时，可以显示出步骤6)选择的两种颜色中其中一种，其可见颜色可为红色、黄色，红外发射率为0.7；通入二层流体时，可以实现红、黄两种颜色的混色，其可见颜色可为红、黄、橙，红外发射率为0.9。
实施例4
一种用于光学伪装的微流控薄膜，包括透明微流体通道和可见-红外调控微流体。其中，微流体通道具有一层微流道结构，由聚乙烯薄膜热压形成，薄膜基底为金属反射层。可见-红外调控微流体为混合油溶性颜料的水。
本实施例提供的红外与可见光双波段伪装薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1)利用化学刻蚀5cm×5cm×0.3cm的不锈钢板，得到深度100μm、宽度200μm的线型微流道凹陷。
2)将聚乙烯颗粒平铺在步骤1)所述不锈钢板上具有凹陷的一侧，利用热压机在温度150℃，压力10MPa下压制10分钟，利用塞尺控制薄膜厚度为40μm。冷却至室温后泄压得到具有凸起结构的聚乙烯薄膜。
3)将聚乙烯平板、一片具有凸起结构的聚乙烯薄膜从上到下对齐，利用热压机压制30分钟，其参数为温度125℃，压力0.1MPa。
4)将步骤3)中微流控薄膜取出，利用磁控溅射在其底面镀一层厚度约为200nm的银，其参数为偏压100V、功率100W、腔体内部气压1.4Pa。
5)接入引流管，封装微流体通道出入口。
6)在50mL水中加入5mg红色颜料，搅拌混色均匀，通满微通道。
通过控制微流体，本实施例中微流控薄膜的红外发射率有0.05、0.95两种，颜色有红色、白色两种颜色。微流控薄膜中未通入流体时，薄膜整体显示为银反射层的银白色，其红外发射率为0.05；当通入流体时，薄膜显示为红色，其红外发射率为0.95。
实施例5
一种用于光学伪装的微流控薄膜，包括透明微流体通道和可见-红外调控微流体。其中，微流体通道具有一层微流道结构，由聚乙烯薄膜热压形成，薄膜基底为金属反射层。可见-红外调控微流体为混合油溶性颜料的低粘度石蜡油。
本实施例提供的红外与可见光双波段伪装薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1)利用化学刻蚀5cm×5cm×0.3cm的不锈钢板，得到深度400μm、宽度600μm的线型微流道凹陷。
2)将聚乙烯颗粒平铺在步骤1)所述不锈钢板上具有凹陷的一侧，利用热压机在温度150℃，压力10MPa下压制10分钟，利用塞尺控制薄膜厚度为40μm。冷却至室温后泄压得到具有凸起结构的聚乙烯薄膜。
3)将聚乙烯平板、一片具有凸起结构的聚乙烯薄膜从上到下对齐，利用热压机压制30分钟，其参数为温度125℃，压力0.1MPa。
4)将步骤3)中微流控薄膜取出，利用磁控溅射在其底面镀一层厚度约为200nm的银，其参数为偏压100V、功率100W、腔体内部气压1.4Pa。
5)接入引流管，封装微流体通道出入口。
6)在50mL低粘度石蜡油中加入5mg红色油溶性颜料，搅拌混色均匀，通满微通道。
通过控制微流体，本实施例中微流控薄膜的红外发射率有0.55、0.95两种，颜色有红色、白色两种颜色。微流控薄膜中未通入流体时，薄膜整体显示为银反射层的银白色，其红外发射率为0.55；当通满微流体时，薄膜显示为红色，其红外发射率为0.95。
实施例6
一种用于光学伪装的微流控薄膜，包括透明微流体通道和可见-红外调控微流体。其中，微流体通道具有一层微流道结构，由聚乙烯薄膜热压形成，薄膜基底为金属反射层。可见-红外调控微流体为混合油溶性颜料的低粘度石蜡油。
本实施例提供的红外与可见光双波段伪装薄膜的制备方法，包括如下步骤：
1)利用化学刻蚀5cm×5cm×0.3cm的不锈钢板，得到深度30μm、宽度60μm的线型微流道凹陷。
2)将聚乙烯颗粒平铺在步骤1)所述不锈钢板上具有凹陷的一侧，利用热压机在温度150℃，压力10MPa下压制10分钟，利用塞尺控制薄膜厚度为40μm。冷却至室温后泄压得到具有凸起结构的聚乙烯薄膜。
3)将聚乙烯平板、一片具有凸起结构的聚乙烯薄膜从上到下对齐，利用热压机压制30分钟，其参数为温度125℃，压力0.1MPa。
4)将步骤3)中微流控薄膜取出，利用磁控溅射在其底面镀一层厚度约为200nm的银，其参数为偏压100V、功率100W、腔体内部气压1.4Pa。
5)接入引流管，封装微流体通道出入口。
6)在50mL低粘度石蜡油中加入5mg红色油溶性颜料，搅拌混色均匀，通满微通道。
通过控制微流体，本实施例中微流控薄膜的红外发射率有0.05、0.4两种，颜色有红色、白色两种颜色。微流控薄膜中未通入流体时，薄膜整体显示为银反射层的银白色，其红外发射率为0.05；当通满流体时，薄膜显示为红色，其红外发射率为0.4。
实施例7
本实施例和实施例4基本相同，其不同之处在于：通入微流控薄膜为乙烯气体，当微流控薄膜中未通入流体时，薄膜整体显示为银反射层的银白色，其红外发射率为0.05；当通入流体时，薄膜整体显示为银反射层的银白色，发射率在通满气体情况下是0.5。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜，其特征在于：所述微流控薄膜具有单层或多层微通道结构，微流控薄膜的背面为反射层，在微通道中通入微流体，通过每层微通道中的微流体控制微流控薄膜整体的可见颜色和红外发射率；所述微流体为可见光选择性吸收、红外半透明的液体或气体；所述微流体在可见波段选择性吸收，表现出相应颜色，在红外波段半透明，红外发射率随流体厚度的增加而增加。
2.根据权利要求1所述的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜，其特征在于：所述微流控薄膜为可见和红外波段均透明的柔性聚合物材料。
3.根据权利要求1所述的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜，其特征在于：所述微流控薄膜为聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜，其特征在于：所述液体为混合颜料的石蜡油、水、二甲基硅油、乙醇、松香水、丙酮中的至少一种。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备模板，得到具有所需流道形状的微槽道的模板；
（2）将聚合物平铺在所述步骤（1）制备的模板表面具有图案结构的一侧，进行热压，将聚合物融化填充模板的槽道，冷却后得到具有微槽道结构的聚合物薄膜；
（3）将所述步骤（2）得到的具有微槽道结构的聚合物薄膜与聚合物平板薄膜热压粘合，形成微流体通道，得到具有微流体通道的薄膜；
（4）在所述步骤（3）中得到的具有微流体通道的薄膜的底面沉积反射层；
（5）在所述步骤（4）得到的薄膜的微流通道中通入微流体并封装微流体通道出入口，即得到所述用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜。
6.根据权利要求5所述的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，制备模板的具体步骤为：采用激光切割或化学刻蚀模板，并在模板表面根据所需流道形状制备槽道。
7.根据权利要求5所述的用于可见与红外双波段伪装的微流控薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，当制备多层微流通道时，将多个聚合物薄膜依次叠放后再与聚合物平板薄膜热压粘合。
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| GR01 | Patent grant | ||
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