[发明专利]一种具有低热红外特性仿生叶片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有低热红外特性仿生叶片及其制备方法。该仿生叶片由三层结构组成，分别为近红外高反层、复合吸附层、纤毛对流层。近红外高反层由元素掺杂铬绿与亲水高分子聚乙烯醇(PVA)复合而成，模拟天然植物叶片光谱；复合吸附层选用活性炭纤维布为基体，并通过浸渍法吸附金属氯化盐；利用磁场诱导磁性粒子运动，促使表面纤毛定向生长，以此制备纤毛对流层。采用有机胶黏剂将近红外高反层、复合吸附层、纤毛对流层组装得到该仿生叶片，其具有优异的低热红外特性。

技术领域

本发明属于仿生工程领域，具体涉及一种具有低热红外特性的仿生叶片及其制备方法。

背景技术

天然植物叶片在外界环境中拥有较低的表面温度和热红外特性。其原有在于以下三点：(1)叶绿素存在明显的“红边”与“近红外高原”现象，可以反射太阳光中的近红外波段部分；(2)叶片中含有大量的水，可以通过表面气孔的水蒸腾耗散累积的热量，且失去的水分还可以通过根部进行补充；(3)某些植物叶片通过特殊的表面结构降低太阳辐照面积，或通过绒毛强化表面热对流，以降低叶片表面温度。天然植物叶片独特的光谱特征与热管理能力使其成为仿生研究领域的重要模仿对象之一。

传统人造叶片随着具有多种颜色和形状，但在叶片特点上仅仅采用颜填料构筑了与天然叶片类似的颜色，在太阳光照射下生热效果明显，不能体现低的热红外特性。

人们首先使用与绿色叶片具有相似光谱特性的染料制备了染色织物[17]。虽然该类材料在300-1300nm波长范围内具有和植物叶片相似的特征，但在1300nm之后不能表现植物叶片的水吸收带特征。有研究者在绿色涂料中添加了叶绿素，使得300-1300nm波段范围内的反射谱与绿色植被更加接近。但由于叶绿素并不稳定，限制了其应用范围。

刘志明等人基于典型被子植物叶片的组配成分(色素和水)和疏松多孔结构设计了一种可模拟其反射光谱特征的仿生材料原理模型。该模型由透光膜、疏松多孔结构、仿叶绿体色素微胶囊和仿液泡吸水颗粒构成。为验证模型的可行性，作者以包裹叶绿素的聚氨酯发泡材料作为原理样品，测试了其吸水后的反射率，与梧桐叶片的光谱特征较为相似。Yang等人对上述原理模型进行了改进，并研制了一种四层结构的复合仿生材料。最上层为防水的透明聚氯乙烯膜；第二层为包裹叶绿素的PVA膜，可使仿生材料呈现与植物叶片相似的绿色；第三层为封装水的聚偏二氯乙烯塑料袋，可保证复合材料反射谱能够呈现植物叶片的水吸收带特征；最下层为纸张，用于模拟植叶片疏松多孔结构特征。由Qin等人研制的一种包覆叶绿素和水的尿素甲醛聚合物微胶囊也实现了对植物叶片光谱反射特征的模拟。郭利等人采用聚氨酯为涂料基体，叶绿素、氧化铬绿和水为填料研制了一种与植物叶片具有相似光谱特征的仿生涂层。作者分析了含水量对仿生涂层反射谱的影响，发现含水量为60wt％的涂层与植物叶片反射谱的相似度达0.99，其反射谱符合美国光谱通道要求。这些工作只关注仿生叶片的光谱是否与天然叶片光谱相似，并未对天然叶片的热管理行为进行仿生研究。

常规红外伪装技术未考虑植物叶片的生理活动对其热特征的影响，因此难以实现与植被背景全天时融合。蒸腾作用是植物叶片最基本的生理活动之一，即水分以水蒸气的形式从叶片表面散失的过程，其蒸发潜热给植物叶片带来了冷却效果，使其呈现与无生命物体差异显著的红外热特征。考虑植物叶片蒸腾作用对其红外热特征的重要影响，Yuan等人提出了一种可模拟植物叶片蒸腾生理活动的四层结构仿生叶片原理模型。该原理模型的最上层为与植物叶片具有相似光谱特性的绿色涂层，第二层为内部储存大量水的保水层，第三层为随环境温湿度变化而发生吸湿/脱水的吸脱附层，最下层为可模拟植物叶片气孔的吸脱附速率控制层。然而该仿生叶片在经历多个吸脱附周期后会出现分层甚至解体现象，机械性能有待改进。高颖等人研制了一种以PVA为主体，以氯化锂(LiCl)和氧化铬绿为添加剂的仿生材料。PVA和LiCl使仿生材料在夜间高湿度条件下吸附空气中的水蒸气，在日间低湿度条件下脱水，脱水过程可模拟植物叶片的蒸腾作用，进而模拟其热特征；吸湿材料具有保水性，其内部储存的水与绿色颜料有助于仿生材料模拟植物叶片太阳光谱反射特征。虽然这些工作试图将绿色涂层与含水层结合起来，但其单层复合方式不利于仿生叶片的表面稳定。