光致变色材料在军事领域的应用

第17卷第1期2007年3月
陕西国防工业职业技术学院学报
Shaanxi Guofang Institute of T echnolog y
Vol 17No 1M ar .2007
收稿日期:2006-12-28
作者简介:孙宾宾(1977-),男,硕士,陕西周至人,助教。

主要研究方向:精细化学。

在国内外期刊发表论文7篇,被SCI 收录
1篇。

光致变色材料在军事领域的应用
孙宾宾1,傅正生2,陈 洁2
(1.陕西国防工业职业技术学院热能化工系,陕西西安710300;2.西北师范大学甘肃省高分子材料重点实验室,甘肃兰州730070)
摘 要:介绍了光致变色现象,综述了光致变色材料在军事领域作为光信息存储材料、军用伪装材料等方面的潜在应用价值。

对此领域的研究提出了自己的几点看法。

关键词:光致变色;军事领域;应用
中图分类号:T Q034 文献标识码:A 文章编号:9490-(2007)01-0038-03
一、光致变色现象简介
光致变色现象是指一个化合物在受到一定波长的光的照射下,可进行特定的化学反应,获得产物。

由于结构的改变导致其吸收光谱发生明显的变化,而在另一波长的光的作用下,又能恢复到原来的形式[1]。

光致变色是一种化学物理现象,包含有机、无机、生物、聚合物等的光诱导化学和物理反应。

1867年,Fischer 观察到黄色的并四苯在空气和光的作用下的褪色现象,所生成的物质受热后重新生成并四苯。

1899年,Markw ald 研究了1,4-二氢-2,3,4,4-四氯萘-1-酮在光作用下发生的可逆的颜色变化的行为,认为这是一种新的现象,并称之为phototropy 。

20世纪50年代,Hirshberg 报道了关于螺吡喃类化合物的光致变色行为,并把上述现象称为 photochromism 也就是光致变色现象。

1955年后,军事用途及商业兴趣促使了人们对光致变色现象的研究[2]。

相对于为数不多的无机光致变色化合物而言,目前,对光致变色的研究大都集中于浮精酸酐、二芳基乙烯、螺吡喃、螺嗪以及
相关的有机杂环化合物上,同时也在继续探索和发
现新的光致变色体系。

作为一种应用广泛的特种材料,光致变色材料
在军事领域有着潜在的应用价值。

二、光致变色材料在军事领域的应用(一)光信息存储材料
自美国军方在二战中投资研制的世界上第一台计算机EN IAC 在1946年诞生到今天,以计算机为代表的信息技术便以前所未有的速度迅猛发展。

十年前,计算机中的一个文本文件(*.txt)尺寸约为KB 数量级;今天,一副精美的图片(*.bmp 文件)尺寸可达到MB 数量级,而一张DVD 容量则高达GB 数量级。

M icrosoft 总裁比尔!盖茨称:10年之内DVD 将被淘汰(见∀参考消息#2004年7月15日第四版)。

随着时间推移,开发新型高性能海量光信息存储材料成为当前的重要任务。

美国国防部制定的关键技术计划中在 光子学 领域的光子学器件中,规划了用于军事目的的光盘发展计划[3]。

对可擦光盘而言,目前的主导存储介质仍然是无机磁光和相变材料。

Hirshberg 指出光致变色反应的光成色和光漂白循环构成化学记忆模型,认为光致变色材料有望用于光信息存储。

光致变色过程可表示为 A !B 。

首先用波长 1的光(擦除光)照射,存储介质由A 转为B 。

记录时,
用波长 2的光(写入光)作二进制编码的信息写入,使 2的光照射到的那一部分由状态B转为A而记录了二进制编码的 1;未被 2光照的另一部分仍为状态B,对应于二进制编码的 0。

通过读出透射率或折射率的变化,而读出信息。

当波长为 2的光照射到编码为 0处(即B)时,因吸收大而透射率小;当 2的光照射到编码为 1处(即A)时,因无吸收而透射率大。

因此根据透射率的大小能够测量已记录的信息。

由于吸收光谱的变化必然会产生折射率的变化,故用波长不在两个吸收谱中的光照射,测量其折射率的变化亦可读出信息。

光致变色化合物作为光信息存储材料,面临的主要问题是成色体的热稳定性不高[4]和光致变色化合物抗疲劳性达不到商品化要求。

开发新型光致变色存储介质材料有赖于微电子学、激光技术、有机化学等相关学科的发展。

(二)光致变色伪装材料
光电技术在军事领域的应用日益深入,使现代化武器装备性能大大提高,军事目标 被发现就会被击中,被击中就会被摧毁的时代,对现代防御手段提出了更高的要求,隐身技术就是在这一形势下出现的[5]。

对于飞机、军舰、坦克、装甲车等,用涂敷或掺杂光致变色材料的方法,使其表面具有光致变色功能。

在光照下变色,与环境匹配,达到被掩护的目的。

美国National Cach Register公司对如何使装备、人员与环境颜色相匹配而达到伪装的目的进行了大量研究,其将光致变色材料涂在各种军械上作为伪装[6]。

目前,光致变色伪装已成为视觉隐身的主要途径。

光致变色纤维是指能在太阳光或紫外光的照射下颜色会发生可逆变化的纤维。

早在1970年的越南战争中,光致变色化合物就被美国军方应用于衣料,以达到军事伪装的目的[7]。

美国Solar Active国际公司生产的纱线在紫外线照射下有橙、紫、篮、洋红、黄、红和绿等多种颜色。

近年来,美国Clemson 大学和Georgia理工学院等正在探索在光纤中掺入变色染料和改变光纤的表面涂层材料,使纤维的颜色能够实现自动控制。

美国军方研究人员认为,采用光导纤维与变色染料相结合,可以最终实现服装颜色的自动变化[8]。

国外(如日本、美国等)的光致变色服装早已在市场销售,但目前国内未见该类产品。

孙宾宾[9]等将螺嗪类光致变色染料单体通过化学键合引入羧甲基甲壳素大分子得到了具有水溶性的衍生物,基本具备了作为光致变色纤维的条件。

但与国内外研究一致,仍然存在着明显的疲劳现象,改进工作目前正在进行。

(三)光致变色材料在军事领域的其它用途
随着激光武器的不断发展,未来战场将充满着光电对抗。

激光可用来对参战人员等的眼睛进行强烈杀伤。

在1982年的马岛战争中,英军使用激光致盲武器导致阿根廷飞行员因惊慌失措和致盲而坠机或偏离航向。

光吸收度在8.5~9.0,响应时间小于毫微秒级的光致变色材料能有效的防护激光对眼睛的损伤[6]。

这种材料具有对激光的光开关特性,当激光照射时,材料分子的结构迅速发生转化而变得对光不透明;当激光脉冲消失时,材料又恢复到透明状态。

光致变色材料还可用于强闪光防护、宇宙线的防护、辐射计量计等方面。

三、结束语
光致变色现象发现到今天已有一百多年的历史,由于潜在的军事价值和巨大的商业效益,在国内外引起了很大的研究兴趣。

我国学者在该领域的研究开展较早,某些研究已处于国际领先水平[2]。

但由于经费投入不足和研究条件限制,很多方面还无法和发达国家的学者平等竞争,特别是在变色机理、物质结构和变色动力学等方面的研究还和发达国家有很大差距。

对于光致变色材料的研究,笔者认为以下两点应该引起注意:(1)光致变色材料成色体的热稳定性差并不都是劣势。

作为光信息存储材料等,热稳定性差将导致信息丢失,这当然不行。

但作为光敏材料,比如强光防护材料,成色体的热稳定性差意味着材料灵敏度高,这显然是优势。

(2)光致变色材料商品化的真正制约因素是疲劳现象。

尽管此方面的研究络绎不绝,但未见哪种途径可以从根本上消除光致变色材料在工作过程中的疲劳现象。

光致变色材料的疲劳直接导致光致变色商品的使用寿命缩短,商品性价比降低,从而失去市场竞争力。

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孙宾宾,傅正生,陈洁:光致变色材料在军事领域的应用
由于国内的研究条件限制,最先在国内面市的可能是一些对光致变色反应要求较低的光致变色商品,如光致变色染料、光致变色涂料、光致变色纤维、光致变色玻璃等。

但相信随着综合国力的不断增强,国内的研究也会慢慢跟上发达国家的步伐。

笔者期望有朝一日,光致变色材料能够在我国的军事领域扮演重要的角色,为我国国防事业的发展做出贡献。

参 考 文 献
[1] 孙宾宾,傅正生,周怡婷等.丙烯酰氧基螺嗪衍生物
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The Application of Photochromic Material in Military Field
S UN Bin bin1,FU Zheng sheng2,CH EN Jie2
(1.Department o f Chemical Eng ineering,Shaanxi Guofang Institute of T echnology,Xi∃an710300Shaanx i China;
2.G ansu Key L aboratory of Poly mer M aterial,Nor thw est Normal U niversit y,L anzhou730070Gansu China) Abstract:The photochrom ism and the application of photochrom ic m aterial in military field as optical information storage materials and camouflage material etc.has been introduced.Tw o viewpoints about the research of pho tochromism w ere g iven by the authors.
Key Words:photochromism;military field;application
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陕西国防工业职业技术学院学报。