עתידו של גרפן בפיתוח טקסטיל חכם לשימוש צבאי וחירום

Graphene, שכבת אטום-תיק אחת של פחמן מסודרים בלחיצת דבש hexagonal, כבשה את דמיונו של חומרים מדענים מאז בידודו בשנת 2004. שילוב של כוח מכני יוצא דופן - חזק פי 200 מאשר פלדה - חשמל חיצוני ו מוליכות תרמית, וגמישות יוצאת דופן עושה אותו מועמד ראשוני לדור חדש של טקסטיל מתקדם.

כמו ארגוני ההגנה העולמיים וארגוני המשיבה הראשונים דוחפים להילוך שאינו רק מגן אלא גם אינטליגנטי - בעל יכולת ניטור של סימנים חיוניים, זיהוי סיכונים ותקשורת נתונים - גרף מופיע כחומר יסוד. מאמר זה חוקר כיצד גרפן נוהג את האבולוציה של טקסטיל חכם, התכונות ספציפיות שהופכות אותו לתאים ייחודיים לסביבות בעלות גבוהה, מצב המחקר והייצור הנוכחי, והגרפן חייב להיות להתגבר על גרף אחיד לפני שחייב להיות מתואם.

מה הם טקסטיל חכם?

טקסטיל חכם, הידוע גם כטקסטיליים או טקסטיל אלקטרוני, הם בדים המשלבים רכיבים אלקטרוניים או סיבים מוליכים לחוש, להגיב, או להסתגל לגירויים חיצוניים.

• (FLT:0) טקסטיל חכם עוברי 1 (FLT) - הם יכולים רק לחוש שינויים סביבתיים או פיזיולוגיים (למשל, טמפרטורה, לחץ, לחות) אבל לא להגיב דוגמאות כוללות בדים עם thermocouples או חיישני לחות.
• (FLT:0) טקסטיל חכם חכם חכם טקסטיל FLT:1 - שניהם חושים להגיב לגירויים, לעתים קרובות באמצעות חומרים משולבים או חומרים בצורת-זיכרון. a בד שמשנה צבע כאשר נחשפים לסוכן כימי או זה משחרר אנטידוטה על גילוי רעלן נופל לתוך קטגוריה זו.
• (FLT:0) טקסטיל חכם חכם חכם טקסטיל FLT:1ir - הקטגוריה המתקדמת ביותר, חומרים אלה יכולים ללמוד, להתאים התנהגות המבוססת על היסטוריה, לתקשר עם מערכות חיצוניות.הם לעתים קרובות משלבים מיקרו-בקרים, מודולים אלחוטיים ויכולות קצירת אנרגיה.

עבור אנשי צבא ותגובה חירום, טקסטיל חכם מציע את הפוטנציאל להפחית את משקל הציוד הנמשך, לספק ניטור בריאות מתמשך, ולשפר את המודעות למצבית.המאמצים המסחריים הנוכחיים הם בעיקר בתחום הכושר והבריאות, אבל ארגוני הביטחון והביטחון הציבוריים משקיעים בכבדות במחקר כדי להביא את היכולות הללו לצורות מחוספסות, מוכנות לתחום.

למה גרפן? נכסים ייחודיים וההתעמקות שלהם

Graphene מתואר לעתים קרובות כ"חומר מתועש" בשל שילוב נדיר של תכונותיו.כדי להבין את תפקידו בטקסטיל חכם, יש צורך לבחון כל נכס בהקשר של שימוש צבאי וחירום.

מוליכים חשמליים

מוליכות החשמל של Graphene היא פקודות של גודל גבוה יותר מאשר של נחושת, אבל זה חלק של המשקל. בטקסטיל חכם, זה אומר כי עקבות התנהגות, חיישנים, ואנטנות ניתן להדפיס או לזרוס ישירות לתוך הבד ללא חוטים גדולים. חוט גרף גרף יכול לשדר אותות עם התנגדות מינימלית, המאפשר נתונים בזמן אמת מחיישנים מוטבע כדי להיות מועבר אל מרכזי או מפרק מתכת, יתר על ידי מתכת, יתר על פני מתכת מתכת מתכת, הוא לא מתכת מופעלת מתכת, יותר, 000.

כוח מכני יוצא דופן וגמישות

Graphene הוא החומר החזק ביותר שנמדד אי פעם, אך הוא נשאר גמיש וניתן למתוח עד 25% מהאורך המקורי שלו ללא עיוות קבוע.כאשר משולב לתוך ממטריקס פולימר או מכוס על סיבים, גרפן מחזק את הבד נגד דמעות, אברות, וכוחות puncture יכולים גם להגביל את הביצועים ללא שינוי אחיד או כיבוי אש, כדי שחיילים פועלים בשטח גס או מזחלים דרך פסולת, גרפין-דפס יכול להבטיח את הביצועים ללא יכולת כביסה באופן משמעותי, גם כן, ללא יכולת מוגברת של הגוף.

ניהול ארס

Graphene הוא מנצח תרמי מעולה.בטקסט חכם, נכס זה ניתן למנף כדי להתחרח חום מהגוף במהלך פעילות אינטנסיבית או לספק חימום אחיד בסביבות קרות. חוקרים הוכיחו בדים המבוססים על גרפן שיכול לקרר באופן פסיבי את הישבן על ידי עד כמה מעלות צלזיוס בהשוואה לחומרים קונבנציונליים.

נכסים של גדר ההפרדה

שכבת יחיד של גרפן היא בלתי אפשרית לכל המולקולות - כולל גזים, נוזלים, ואפילו הליום. בעוד שכבה אחת היא עדינה מדי לשימוש ישיר, ציפויים גרפיים מרובים או קרוטן-חמצני יכול ליצור מחסומים יעילים נגד סוכנים כימיים וביולוגיים.זה הופך את הטקסטיל המוחזק על ידי גרפן מבטיח לחליפה הגנה כי מניעת חדירה של סוכנים עצביים, כימיקלים תעשייתיים או פתוגנים מסורתיים, בניגוד לשרירים כבדים, מזיקים, מזיקים, מזיקים, מזיקים, מזיקים, מזיקים לשרירים.

אנרגיה קצירת ואחסון

שטח פני השטח הגדול של Graphene וניידות נושא גבוה להפוך אותו אידיאלי עבור supercapacitors סוללות גמישים. טקסטיל יכול להיות מתוכנן לקצור אנרגיה מתנועה גוף (אפקטים חשמליים או ⁇ אלקטריים) או מן אור ממין ( photovoltaics מבוסס graphene) ולאחסן אותו ישירות בסיבים ממונעים.זה יפחית או לחסל את הצורך לחיילים לשאת כמויות גדולות עבור סוללות תקשורת שלהם, ויתרונות משמעותיים בתחום הלוגי.

יישומים צבאיים מרכזיים של גרפיפן-מעורפלי טקסטיל חכמים

בריאות בזמן אמת והערכה

(הפעילות הצבאית המודרנית דורשת פסגות פיזיות ונפשיות.חיישנים המבוססים על Graphene שזורקים לתוך מדית יכולים לפקח על קצב הלב, הנשימה, טמפרטורת הגוף, התנהגות העור, ואפילו ביומרקרים כמו לקטנט או רמות גלוקוז באמצעות ניתוח הזיעה. מעבד מוטבע יכול לשדר את הנתונים האלה אלחוטית לסימון שדה או פקודה פוסט.אם חייל נפצע, הבד יכול לזהות שינויים בלחץ או בקליטת דם ובאופן אוטומטי סימולציה של מערכת ניטור של DGFG.

זיהוי כימי וביולוגיה

חיישנים מבוססי Graphene רגישים במיוחד - הם יכולים לזהות כמויות של חומרים מסוכנים הודות לשינויים בהתנגדות חשמלית כאשר מולקולות מודעות על פני השטח גרפן אחיד יכול לשלב מערך של כרומוזום גרפין כי באופן קבוע דגימות האוויר עבור סוכנים עצביים, סוכני שלפוחית השתן, או רעלנים ביולוגיים.על זיהוי, הבד יכול לשנות באופן אוטונומי צבע אזהרה, חותם, או סוכן שחרור נייטרלי עבור אזורים מסוכנים במיוחד עבור זיהומים כימיים.

הגנה על הבליסטי והשבריריות

בעוד גרפן לבדו אינו תחליף ללוחות Kevlar או קרמיקה, זה יכול להיות משולב עם חומרים אחרים כדי לשפר את הביצועים הבליסטיים. Graphene nanoparticles מפוזרים במריצה פולימר יכול להגדיל את הקשיות של בדים ארוגים על ידי מעצר רמות סדקים. Composite שילוב חומרים גרפן הראו עד 20-30% שיפור באנרגיה תחת השפעה גבוהה.

תקשורת וחיבור

תכונות רדיו מצוינות של Graphene מאפשרות יצירת אנטנה גמישה, רחוצת ישירות לתוך הבד.אנטנות כאלה ניתן לכוון עבור להקות תדר מרובים, המאפשר לחיילים לשמור על תקשורת אמינה ללא השקיות אנטנות חיצוניות.הגביע Graphene דגלship הוכיח אנטנה משולבת לחלוטין עבור רשתות שטח טקסטיל אשר יכול לטפל Bluetooth ו- Wi-Fi להקות בשילוב עם אנרגיה משולבת עם צינורות אנרגיה, יכול להפוך רכזות תקשורת אחידה.

Thermal Camouflage and Signature Management

Graphene יכול לשמש גם לשלוט פליטות אינפרא אדום.על ידי יישום מתח על פני שכבת גרפן, את המולד שלה ניתן לכוון, המאפשר את הבד להתמזג עם החתימה הרקע אינפרא אדום.זה "סופלאזום" זה יגרום לחיילים בלתי נראים ללילה ציוד הדמיה תרמית.הטכנולוגיה עדיין במעבדה, אבל מסמכים ראשוניים מראים כי גלימה אינפרא אדום-אדום-אדום מבוסס גרפן הוא אפשרי.

דרישות חירום: אש, חומרים מסוכנים, חיפוש והצלה

Firefight Gear with Integrated Sensors

מכבי האש עומדים בפני חום קיצוני, עשן רעיל, והתמוטטות מבנית בלתי צפויה.טקסט חכם גרפין-ננדסד יכול לשלב חיישנים מרובים: חיישני טמפרטורה להזהיר מפני הבזק קרוב, חיישני גז עבור פחמן חד-חמצני ו- מימן cyanide, ו accelerometers כדי לזהות נפילות או חוסר פעילות ממושכת.

« « « ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מגיבים חירום העוסקים בשפך כימי או בסיכון ביולוגי דורשים חליפות כי הן בלתי ניתנות לנשימה. חליפות ההאזמט הנוכחיות הן כבדות, חמות והגבלת ניידות. Graphene-oxide membranes, שהן דקות מבחינה אטומית אך מאפשרות מים להתנדנדנדים לעבור בזמן חסימת מולקולות גדולות יותר, יכול להיות שכבת לתוך הבד כדי ליצור מחסום קל, נשימה יתר על כן, אותו גרף יכול לספק רשתות ממשיות על פני השטח יכול לספק חישה.

חיפוש והצלה: מיקום ו- Vital Sign Tracking

עובדי הצלה במבנים או סביבות המדבריות התמוטטו לעתים קרובות מאבדים תקשורת או להיות מופרדים. Graphene-enable טקסטיל חכם יכול להטביע מקלטי GPS, משדרי Bluetooth בעוצמה נמוכה, סוללות מתוחות כדי לשמור על המצליח המחובר לפוסט הפיקוד.נתוני סימן ויאלי יכולים לשמש כדי לפקח על עייפות או תשישות חום. במקרים קיצוניים, בגד שמזהה חוסר תנועה או השפעה חדה יכול לשלוח אוטומטית עם אותות GPS.

מחקר עדכני ו-Prototypes

מספר קבוצות מחקר וחברות עברו מעבר לתיאוריה כדי לבנות אבטיפוס פונקציונלי.

• (FLT:0) אוניברסיטת מנצ'סטרובFLT:1 (בית בידוד גרפן) פיתחה בד מבוסס גרפן שיכול לזהות סימולטורים גז עצבי עם זמן תגובה מתחת שנייה אחת.
• החוקרים יצרו "גרפן מושרה" (LIG) שניתן להתחבר לטקסטיל. LIG שימש כדי לייצר פסים supercapacitor שניתן לפרוב לתוך בגדים לאחסון אנרגיה שנאסף מתנועות גוף.
• המכון האיטלקי לטכנולוגיה (IIT)FIRLT:1 ופרויקט Graphene Flagship הוכיחו "גב חכם" שלם עם אלקטרודות גרפן ניטור מדויק של תנועות ידיים וכוח אחיזה, החל על שליטה רובוטית ו proאסתטיקה אבל גם משימות מוטוריות קנס עבור צוותי הפצצות.
• (FLT:0)Directa PlusveFLT:1, מפיק גרפן, שותף עם יצרני טקסטיל כדי ליצור בדים גרפיים-enhanced עבור ללבוש בחוץ מגן, המשווקים תחת המותג G+.

אתגרים: ממעבדה לשדה

למרות ההתרגשות, אימוץ נרחב של טקסטיל חכם גרפן מתמודד עם כמה מכשולים משמעותיים.

ייצור סקאלה ועלויות-Effective Manufacturing

גרף באיכות גבוהה בקנה מידה נשאר יקר ולא עקבי.בעוד שיטות רבות קיימות - זיהום כימי, פיזור נוזלי, צמצום תחמוצת גרפן - השיגו שילוב של עלות נמוכה, איכות גבוהה ובטיחות סביבתית הנדרשת למהירויות ייצור טקסטיל חד-מנועיות (מחל, סריגה, צבע) כדי לשלב גרפן ללא תכונות מתקדמות של דיוקים, כגון תהליכי הדפסה בקנה מידה גדול של 1V).

שקיפות ויציבות ארוכת טווח

ציוד צבאי וחירום חייב לעמוד על כביסה חוזרת, חשיפה לחות, אור UV, ו abrasion. Graphene oxide ציפויים ניתן לשטוף, ושכבות גרפן טהור יכול לפצח או להרוס לאחר מחזורים רבים של כביסה. שיטות ⁇ , כגון ציפוי הגרפן עם שכבת פולימר דק, יכול להגן על זה אבל עשוי לשנות גמישות או התנהגותיות.

שילוב של חשמל ואלקטרוניקה

גם עם תכונות יוצאות דופן של גרפן, טקסטיל חכם עדיין דורש microcontrollers, מודולים רדיו ומקורות כוח. מרכיבים אלה חייבים להיות מיניארו, גמיש, עמיד, בעוד supercapacitors וסוללות מבוסס גרפן משתפרים, הם עדיין לא יכולים להתאים את צפיפות האנרגיה של תאי ליתיום-יון.

קבלה ונוחות

כל חומר חדש חייב לא להתפשר על נוחות. Graphene עצמו הוא ביו-אי-יקר, אבל הכימיקלים המשמשים לעיבוד או ציפוי שלה עלול לגרום לגירוי בעור. לימודי ללבוש לטווח ארוך עדיין מוגבלים.בנוסף, חיילים ומטפלים ראשונים הם לעתים קרובות עמידים להילוך שמרגיש שונה או דורש הכשרה חדשה. המעבר ממרקמים קונבנציונליים לטקסטיל גרפין חכם חייב להיות הדרגתי ומגובה על ידי יתרונות ברורים.

אפשרויות לעתיד: מה העשור הבא מחזיק

ככל שטכניקות הייצור בוגרות, כמה כיוונים מרגשים מתעוררים שיכולים להאיץ את אימוץ הטקסטיל החכם של גרפן.

AI-Integrated Fitive Garments

שילוב חיישני גרפן עם מעבדי AI קצה יאפשר לבגדים ללמוד את הפיזיולוגיה הבסיסית של הפרט ולהתאים בזמן אמת.לדוגמה, אחיד יכול באופן אוטומטי להתאים את מוליכות תרמית שלה כדי לשמור על טמפרטורת הגוף אופטימלית בהתבסס על רמת פעילות ותנאים נוחים.זה יכול גם לאבחן סימנים מוקדמים של התייבשות, זיהום, או פציעה או ייעוץ או ניהול טיפולים טרום-מספקטיביים.

מרקים עצמיים

מרוכבים Graphene יכולים להיות נועדו לקיצוץ עצמי של חתכים קטנים וטיהור כאשר נחשפים לחום או לחות.זה ירחיב באופן דרמטי את תוחלת החיים של ציוד צבאי וחירום בתחום. פולימרים בעלי משקל עצמי מוקדם דורשים גורמים חיצוניים, אבל מוליכות חשמלית של גרפן יכולה לאפשר חימום עבור תיקון דרישה.

טקסטיל רב-תפקוד

המטרה הסופית היא טקסטיל יחיד אשר בו זמנית מספק הגנה בליסטית, מחסום כימי / ביולוגי, רגולציה תרמית, קציר אנרגיה, חישה ותקשורת - הכל ללא תוספת משקל משמעותי או רובה.ההההפך של Graphene הופך אותו המועמד המבטיח ביותר להשיג שילוב זה. חוקרים לדמיין "חליפה קרה 2.0" כי הוא דק כמו חלימה רטובה אבל מספק עכשיו דורש עשרות של ציוד נפרד.

ייצור בר קיימא סביבתי

ייצור Graphene עצמו יכול להיות רגיש באנרגיה.עם זאת, המאמצים לייצר גרפן מביומסה או לבזבז פחמן (באמצעות חימום פלאש ג'אול) יכול להוריד את טביעת הרגל הסביבתית.עבור רכש צבאי, קיימות הופכת לגורם, וגרפן המיוצר ממקורות מתחדשים יתאים עם מטרות סביבתיות רחבות יותר.

מסקנה

Graphene עומד על ההתכנסות של חומרים מדע, אלקטרוניקה, והנדסת טקסטיל, המציע ערכת כלים של תכונות מתאים ייחודי לדרישות של אנשי צבא וחירום.היכולת שלו לנהל חשמל, לחזק את הבדים, לנהל חום, לחסום סוכנים מסוכנים, ו לקצור אנרגיה - כל עוד נשאר קל וגמיש - במקום אותו בחזית של חדשנות טקסטיל חכמה.

עם זאת, הנתיב ממעבדה לתחום אינו פשוט.ייצור סקאלהלאלי, עמידות לחטיפת שתן, שילוב אלקטרוני וקבלת משתמשים נותרים מכשולים משמעותיים.התגברות על אלה ידרוש השקעה מתמשכת מממשלות, שיתוף פעולה בין מדענים חומריים למהנדסי טקסטיל, ונכונות של משתמשי קצה לבדוק ולאמץ טכנולוגיות חדשות.אם אתגרים אלה ניתן לפגוש, גרפים-en-enhanced חכמים חכמים יכול להפוך את האופן שבו חיילים וקודם מגיבים יותר, לסביבות בטוחות יותר, דורשות יותר, דורשות יותר, דורשות יותר יעילות יותר, ודרייקטכניעות על פני כדור הארץ.