自適應相變偽裝材料研制前景

1、自適應相變偽裝材料研制前景引言自適應偽裝是指當環(huán)境參數(shù)(背景參數(shù))變化時,偽裝器材能及時自主調整偽裝參數(shù),以與環(huán)境相匹配。自適應偽裝技術包括很多方面:光致變色、光致亮度調節(jié)、電致變色、壓致變色、溫致變色、相變自適應溫控技術等。相變自適應溫控材料及技術自研究開發(fā)初始,在短短的時間內取得迅速發(fā)展,在日常生活及軍事領域表現(xiàn)出重大的軍事經(jīng)濟價值和廣闊的應用前景。1 相變材料及其調溫機理相變材料(PhaseChangeMaterials,PCM)是一種以潛熱形式儲存和釋放能量的材料,精密定義的溫度范圍在120,其間,材料改變了相或狀態(tài)(固體到液體,液體到固體等,固體到固體等)。相態(tài)變化時所吸收或放出的能

2、量稱為相變熱,也叫相變潛熱,相對于物質溫度變化時的吸放熱量來講,相變熱量要大得多。由相變材料制成的物體能夠根據(jù)外界環(huán)境溫度的變化,伴隨其中所包含相變物質發(fā)生的可逆變化,從環(huán)境中吸收熱量儲存于物體,或放出其中的熱量,在物體周圍形成溫度基本恒定的微氣候,從而實現(xiàn)溫度調節(jié)功能。相變材料的這種吸熱和放熱過程是自動的、可逆的、無限次的。例如應用十九烷(C19H40)以及其他中等鏈長的烴類作為PCM,通過其從固體到液體、或相反的物理變化、來調節(jié)服裝及其周邊微氣候的溫度。如若外界溫度增加,提供了增強PC淞子運動的能量，直至達到PCM點（十九烷為32.1C）之前，服裝及其周邊微氣候逐步升溫。但外界再行升溫達到

3、PC略點時，PCM逐步從固體變成液體,便會吸收外界熱量、作為潛熱貯存。這時服裝及其周邊微氣候保持在熔點溫度不變。潛熱量較大,因此可維持在此恒定溫度較長時間。一旦外界溫度降低，PCM逐步固體化（十九烷結晶溫度為26.4）,便放出潛熱,服裝及周邊微氣候溫度開始保持恒定。如外界繼續(xù)冷卻、直到潛熱全部放完,于是服裝及其周邊微氣候即行開始冷卻。迄今為止,已有超過500種天然和合成相變材料被掌握和了解。按照相變溫度的范圍,相變材料可分為三類:高溫、中溫、低溫。按相變材料的組成成分將相變材料分為兩類:有機類和無機類。按相變方式,將相變材料分為四類:固固相變、固液相變,固氣相變及液氣相變材料。由于后兩種相變方

4、式在相變過程中伴隨大量氣體的存在,使材料體積變化較大。因此,盡管它們相變焰較大，但在實際中很少應用。常用的就是固一固相變和固一液相變材料。目前國內外研制的這類相變材料主要有:無機類,無機類相變材料主要有結晶水合鹽類、熔融鹽類等。其中最典型的是結晶水合鹽類,它們有較大的熔解熱和固定的熔點（實際上是脫出結晶水的溫度變化:脫出的結晶水使鹽溶解而吸熱,降溫是其發(fā)生逆過程,吸收結晶水而放熱）。具有代表性的有:Na2SO4.10H2O,Mg2Cl2.6H22水合鹽類。結晶水合鹽類通常是中、低溫相變儲能材料中的重要一類,優(yōu)點是:使用范圍廣、導熱系數(shù)大（與有機類相變材料相比）、溶解熱較大、密度大（單位體積的儲

5、熱密度大）、一般成中性、價格較便宜。但是,這類材料通常存在兩個問題:一是過冷現(xiàn)象,另一個問題是出現(xiàn)相分離。有機類，這類相變材料常用的有高級脂肪燒類、醇類、高級烷燒類。其中典型的有CnH2n-+2、CnH2nO鴛。有機類相變材料具有的優(yōu)點有:在固體狀態(tài)時成型性較好,一般不容易出現(xiàn)過冷現(xiàn)象和相分離。而缺點是:導熱系數(shù)小,單位體積的儲能能力較小，熔點較低,不適于高溫場合中應用。復合類,有時為了達到良好的溫度范圍需要混合使用兩至三種以上的相變材料。目前,國內外研究使用較多的相變材料為相變溫度范圍與人體感應溫度接近的石蠟類烷烴、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇等外,主要用于紡織品和空調、暖氣、建材等蓄熱、蓄冷、溫

6、控等方面。2 國內外研究現(xiàn)狀20世紀70年代末80年代初,美國航天局（NASA痊間研究所開發(fā)此項目。1983年,PCM在保護太空試驗的精密儀器防止受到高溫侵襲的應用中表現(xiàn)了優(yōu)越的性能。1987年，下屬NASA勺Triangle技術公司驗證了PCMT紡織纖維復合的可行性:選擇一種適合溫度范圍的相變材料,利用其存儲和釋放潛熱的性能,將相變材料包封入膠囊,采用各種方式加入紡織品中,制成的紡織品具有溫度調節(jié)功能,隨后注冊了該項專利,并成了Gateway研究開發(fā)公司專門從事該種纖維及織物的研究,Outlast是他們注冊的商品名,該纖維已在美國和歐洲市場銷售。近十幾年來,各國研究人員先后采用多種工藝路線開

7、發(fā)調節(jié)溫度的紡織品,發(fā)表了許多這方面的專利和研究報告。利用相變材料的蓄熱特性使建筑增加自調溫功能,相比于傳統(tǒng)的隔熱保溫建筑材料主要以增加空氣間隙、減小傳導效率的隔熱方式,相變材料能根據(jù)室內溫度自動調節(jié)溫度,降低建筑能耗的良好效果。從這個角度,相變蓄熱材料具有實際發(fā)展前途,也是目前研究最多和最重要的蓄熱方式。美國Humphrey化學公司與Witco化學公司聯(lián)合，用石油精煉產(chǎn)出的鏈狀烷烴副產(chǎn)物中含4個以上碳的烷烴混合物,制得了低成本的新型線性晶體烷基烴相變材料,其熔點和凝固點在25左右,適用于建筑物采暖及空調制冷。Dayton大學的salyer等人研究開發(fā)出一系列用于混凝土、石膏墻體的線性晶體烷基

8、烴相變材料，按一定比例混合后的相變材料相變溫度在080C,相變潛熱達到200240J/g。P.Kaurannen等人制備出竣酸混合物，其熔化溫度可按氣候的特定要求來調整。20世紀末,在相變材料的開發(fā)應用方面,取得了突破性進展。國內相變材料的研究起步較晚。功能纖維及紡織品方面,天津工業(yè)大學、東華大學等有關院所作了許多工作。對烷烴、聚乙二醇等相變材料和相變材料添加到紡織品上的方式方法進行了多方位研究,在制備一定調溫功能的相變材料、相變微膠囊、相變纖維及織物方面具有相當技術基礎。國內在建筑用相變材料領域也有涉及,主要研究了正十六烷、正十八烷等線性晶體烷其烴作為相變材料在建筑中的應用。對脂肪酸、多元醇

9、類也有不少研究報導。但相變材料在偽裝甚至軍事領域中的應用,國外剛剛起步,正在研制單兵偽裝服并準備應用于輕裝備,國內還相當空白。目標的紅外暴露征候是偽裝工作的重點和難點,而紅外暴露征候與目標的輻射溫度息息相關。紅外偽裝問題的關鍵就是解決目標的輻射溫度與其所在背景的適應性和匹配性,溫度適宜的相變材料可以很好地做到這一點。3 相變偽裝材料的應用前景由紅外偽裝的要求可知,要得到良好環(huán)境自適應性的相變材料,目標背景的溫度范圍是研制的依據(jù),可以根據(jù)紅外自適應偽裝的溫度范圍選擇其中的一種或幾種烷烴形成的蠟作為相變材料,也可根據(jù)具體需求研制特定相變溫度范圍的材料,如,聚乙二醇(PEG)。然后對材料進行適當處理

10、,使之滿足多方面使用需求。1) 偽裝服如上所述,相變纖維及蓄熱調溫紡織品是近些年研究的熱點國外已經(jīng)利用Outlast技術生產(chǎn)出一系列先進紡織品,可根據(jù)室內外的溫度變化調節(jié)穿者的體溫,現(xiàn)在推向市場的自調溫產(chǎn)品包括夾克、手套、靴子等。如果將相變材料與纖維復合,用于制作迷彩服,那么這種包含相變材料的迷彩服不僅具有光學偽裝性能,還具有紅外環(huán)境自適應性,即紅外偽裝性能。2) 偽裝涂料紅外偽裝降溫涂料也是近幾年研究的熱點,對于解決重要目標的溫度控制、紅外偽裝等具有積極意義?，F(xiàn)有紅外偽裝降溫涂料的缺陷是對溫度變化敏感的目標降溫效果不明顯,涂層的熱慣量小。將包含相變材料的微膠囊混入現(xiàn)有偽裝涂料中并控制含量,所

11、形成的涂層具有良好的控溫性,達到良好的降溫效果,并且對敵方的熱紅外觀察可以起到有效地屏蔽作用。由資料報道,將含有相變微膠囊的一塊布料覆蓋在一根加熱的棒上,用前視紅外雷達未能探測到該棒。3) 紅外偽裝遮障用自調溫紡織品或者含有相變材料的塑料等作為紅外偽裝遮障的基材,可以大大提高遮障的紅外偽裝性能。4) 紅外偽裝降溫電子元件很多目標紅外暴露征候只體現(xiàn)在局部部位,需要對特殊元件進行局部偽裝降溫。將相變材料作為元件的組成材料,與其他材料進行相容性混合,可以達到較好的效果。5) 結束語相變材料是利用相變潛能儲存和釋放熱量的。因此,在自適應相變偽裝材料的研制中,選擇一種合適的相變材料至關重要。不論開發(fā)何種相變材料,理想的、具有實用價值的相變材料,必須具有以下性質:具有大的貯能容量。也就是說必須有高的相變潛熱,而且還要求以單位質量和單位體積計算的相變潛熱都足夠大。選取的相變材料必須適合具體應用的要求。如作為溫度調節(jié)服用的在2529c之間。而用于電子元件散熱降溫的相變材料在4080c之間等?；瘜W和物理穩(wěn)定性：相變材料必須無毒、無腐蝕性、無危險性,成本低、制造方便。相轉變過程必須完全可逆。過冷或過熱現(xiàn)象小,而且正過