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摘 要:新型材料及技术是提高与发展伪装技术的重要基础和支撑。本文介绍了相变伪装材料的环境温度自适应机理、国内外研究现状及未来应用前景。
关键词:相变;伪装;温度
引言
自适应伪装是指当环境参数(背景参数)变化时,伪装器材能及时自主调整伪装参数,以与环境相匹配。自适应伪装技术包括很多方面:光致变色、光致亮度调节、电致变色、压致变色、温致变色、相变自适应温控技术等。相变自适应温控材料及技术自研究开发初始,在短短的时间内取得迅速发展,在日常生活及军事领域表现出重大的军事经济价值和广阔的应用前景。
1 相变材料及其调温机理
相变材料(Phase Change Materials, PCM)是一种以潜热形式储存和释放能量的材料,精密定义的温度范围在1~20℃,其间,材料改变了相或状态(固体到液体,液体到固体等,固体到固体等)。相态变化时所吸收或放出的能量称为相变热,也叫相变潜热,相对于物质温度变化时的吸放热量来讲,相变热量要大得多。
由相变材料制成的物体能够根据外界环境温度的变化,伴随其中所包含相变物质发生的可逆变化,从环境中吸收热量储存于物体,或放出其中的热量,在物体周围形成温度基本恒定的微气候,从而实现温度调节功能。相变材料的这种吸热和放热过程是自动的、可逆的、无限次的。
例如应用十九烷(C19H40)以及其他中等链长的烃类作为PCM,通过其从固体到液体、或相反的物理变化、来调节服装及其周边微气候的温度。如若外界温度增加,提供了增强PCM分子运动的能量,直至达到PCM熔点(十九烷为32.1℃)之前,服装及其周边微气候逐步升温。但外界再行升温达到PCM熔点时,PCM逐步从固体变成液体,便会吸收外界热量、作为潜热贮存。这时服装及其周边微气候保持在熔点温度不变。潜热量较大,因此可维持在此恒定温度较长时间。一旦外界温度降低,PCM逐步固体化(十九烷结晶温度为26.4℃),便放出潜热,服装及周边微气候温度开始保持恒定。如外界继续冷却、直到潜热全部放完,于是服装及其周边微气候即行开始冷却。
迄今为止,已有超过500种天然和合成相变材料被掌握和了解。按照相变温度的范围,相变材料可分为三类:高温、中温、低温。按相变材料的组成成分将相变材料分为两类:有机类和无机类。按相变方式,将相变材料分为四类:固—固相变、固—液相变,固—气相变及液—气相变材料。由于后两种相变方式在相变过程中伴随大量气体的存在,使材料体积变化较大。因此,尽管它们相变焓较大,但在实际中很少应用。常用的就是固—固相变和固—液相变材料。
目前国内外研制的这类相变材料主要有:①无机类,无机类相变材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类等。其中最典型的是结晶水合盐类,它们有较大的熔解热和固定的熔点 (实际上是脱出结晶水的温度变化:脱出的结晶水使盐溶解而吸热,降温是其发生逆过程,吸收结晶水而放热 )。具有代表性的有:Na2SO4.10H2O,Mg2Cl2.6H2O等水合盐类。结晶水合盐类通常是中、低温相变储能材料中的重要一类,优点是:使用范围广、导热系数大 (与有机类相变材料相比 )、溶解热较大、密度大 (单位体积的储热密度大 )、一般成中性、价格较便宜。但是,这类材料通常存在两个问题:一是过冷现象,另一个问题是出现相分离。②有机类,这类相变材料常用的有高级脂肪烃类、醇类、高级烷烃类。其中典型的有CnH2n-+2、CnH2nO2等。有机类相变材料具有的优点有:在固体状态时成型性较好,一般不容易出现过冷现象和相分离。而缺点是:导热系数小,单位体积的储能能力较小,熔点较低,不适于高温场合中应用。③复合类,有时为了达到良好的温度范围需要混合使用两至三种以上的相变材料。
目前,国内外研究使用较多的相变材料为相变温度范围与人体感应温度接近的石蜡类烷烃、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇等外,主要用于纺织品和空调、暖气、建材等蓄热、蓄冷、温控等方面。
2 国内外研究现状
20世纪70年代末80年代初,美国航天局(NASA)空间研究所开发此项目。1983年,PCM在保护太空试验的精密仪器防止受到高温侵袭的应用中表现了优越的性能。1987年,下属NASA的Triangle技术公司验证了PCM与纺织纤维复合的可行性:选择一种适合温度范围的相变材料,利用其存储和释放潜热的性能,将相变材料包封入胶囊,采用各种方式加入纺织品中,制成的纺织品具有温度调节功能,随后注册了该项专利,并成了Gateway研究开发公司专门从事该种纤维及织物的研究,Outlast是他们注册的商品名,该纤维已在美国和欧洲市场销售。
近十几年来,各国研究人员先后采用多种工艺路线开发调节温度的纺织品,发表了许多这方面的专利和研究报告。
利用相变材料的蓄热特性使建筑增加自调温功能,相比于传统的隔热保温建筑材料主要以增加空气间隙、减小传导效率的隔热方式,相变材料能根据室内温度自动调节温度,降低建筑能耗的良好效果。从这个角度,相变蓄热材料具有实际发展前途,也是目前研究最多和最重要的蓄热方式。
美国Humphrey化学公司与Witco化学公司联合,用石油精炼产出的链状烷烃副产物中含4个以上碳的烷烃混合物,制得了低成本的新型线性晶体烷基烃相变材料,其熔点和凝固点在25℃左右,适用于建筑物采暖及空调制冷。Dayton大学的salyer等人研究开发出一系列用于混凝土、石膏墙体的线性晶体烷基烃相变材料,按一定比例混合后的相变材料相变温度在0～80℃,相变潜热达到200～240 J/g。P.Kaurannen等人制备出羧酸混合物,其熔化温度可按气候的特定要求来调整。
20世纪末,在相变材料的开发应用方面,取得了突破性进展。
国内相变材料的研究起步较晚。功能纤维及纺织品方面,天津工业大学、东华大学等有关院所作了许多工作。对烷烃、聚乙二醇等相变材料和相变材料添加到纺织品上的方式方法进行了多方位研究,在制备一定调温功能的相变材料、相变微胶囊、相变纤维及织物方面具有相当技术基础。
国内在建筑用相变材料领域也有涉及,主要研究了正十六烷、正十八烷等线性晶体烷其烃作为相变材料在建筑中的应用。对脂肪酸、多元醇类也有不少研究报导。
但相变材料在伪装甚至军事领域中的应用,国外刚刚起步,正在研制单兵伪装服并准备应用于轻装备,国内还相当空白。
目标的红外暴露征候是伪装工作的重点和难点,而红外暴露征候与目标的辐射温度息息相关。红外伪装问题的关键就是解决目标的辐射温度与其所在背景的适应性和匹配性,温度适宜的相变材料可以很好地做到这一点。
3 相变伪装材料的应用前景
由红外伪装的要求可知,要得到良好环境自适应性的相变材料,目标背景的温度范围是研制的依据,可以根据红外自适应伪装的温度范围选择其中的一种或几种烷烃形成的蜡作为相变材料,也可根据具体需求研制特定相变温度范围的材料,如,聚乙二醇(PEG)。然后对材料进行适当处理,使之满足多方面使用需求。
1) 伪装服
如上所述,相变纤维及蓄热调温纺织品是近些年研究的热点,国外已经利用Outlast技术生产出一系列先进纺织品,可根据室内外的温度变化调节穿者的体温,现在推向市场的自调温产品包括夹克、手套、靴子等。
如果将相变材料与纤维复合,用于制作迷彩服,那么这种包含相变材料的迷彩服不仅具有光学伪装性能,还具有红外环境自适应性,即红外伪装性能。
2)伪装涂料
红外伪装降温涂料也是近几年研究的热点,对于解决重要目标的温度控制、红外伪装等具有积极意义。现有红外伪装降温涂料的缺陷是对温度变化敏感的目标降温效果不明显,涂层的热惯量小。
将包含相变材料的微胶囊混入现有伪装涂料中并控制含量,所形成的涂层具有良好的控温性,达到良好的降温效果,并且对敌方的热红外观察可以起到有效地屏蔽作用。由资料报道,将含有相变微胶囊的一块布料覆盖在一根加热的棒上,用前视红外雷达未能探测到该棒。
3) 红外伪装遮障
用自调温纺织品或者含有相变材料的塑料等作为红外伪装遮障的基材,可以大大提高遮障的红外伪装性能。
4) 红外伪装降温电子元件
很多目标红外暴露征候只体现在局部部位,需要对特殊元件进行局部伪装降温。将相变材料作为元件的组成材料,与其他材料进行相容性混合,可以达到较好的效果。
4 结束语
相变材料是利用相变潜能储存和释放热量的。因此,在自适应相变伪装材料的研制中,选择一种合适的相变材料至关重要。不论开发何种相变材料,理想的、具有实用价值的相变材料,必须具有以下性质:① 具有大的贮能容量。也就是说必须有高的相变潜热,而且还要求以单位质量和单位体积计算的相变潜热都足够大。② 选取的相变材料必须适合具体应用的要求。如作为温度调节服用的在 2 5～2 9℃之间。而用于电子元件散热降温的相变材料在 40～80℃之间等。③ 化学和物理稳定性:相变材料必须无毒、无腐蚀性、无危险性 ,成本低、制造方便。④ 相转变过程必须完全可逆。过冷或过热现象小,而且正过程和逆过程的方向仅仅以温度决定。⑤ 适宜的热传导系数,以便较快地吸收和释放热量。⑥体积变化小。过大的相变体积是许多材料没有实用价值的主要原因。
然而在实际研制中,要找到满足这些条件的相变材料非常难,并且要考虑相变材料与所附材料的相容性、对基材物化性能的影响、与其他伪装波段的兼容性等问题,需要做大量工作。
自适应相变伪装材料的研制是一个很有研究价值和应用意义,并且前景广阔的课题。
参考文献:
[1]姜勇.丁恩勇.黎国康.相变储能材料的研究进展.广州化学.1999.(3):48-54
[2]张萍丽.刘静伟.相变材料在纺织服装中的应用.北京纺织.2002.8:50-54
[3]王伟玲.于伟东.相变纤维与伪相变纤维.纺织导报.2004.(1):31-34
关键词:相变;伪装;温度
引言
自适应伪装是指当环境参数(背景参数)变化时,伪装器材能及时自主调整伪装参数,以与环境相匹配。自适应伪装技术包括很多方面:光致变色、光致亮度调节、电致变色、压致变色、温致变色、相变自适应温控技术等。相变自适应温控材料及技术自研究开发初始,在短短的时间内取得迅速发展,在日常生活及军事领域表现出重大的军事经济价值和广阔的应用前景。
1 相变材料及其调温机理
相变材料(Phase Change Materials, PCM)是一种以潜热形式储存和释放能量的材料,精密定义的温度范围在1~20℃,其间,材料改变了相或状态(固体到液体,液体到固体等,固体到固体等)。相态变化时所吸收或放出的能量称为相变热,也叫相变潜热,相对于物质温度变化时的吸放热量来讲,相变热量要大得多。
由相变材料制成的物体能够根据外界环境温度的变化,伴随其中所包含相变物质发生的可逆变化,从环境中吸收热量储存于物体,或放出其中的热量,在物体周围形成温度基本恒定的微气候,从而实现温度调节功能。相变材料的这种吸热和放热过程是自动的、可逆的、无限次的。
例如应用十九烷(C19H40)以及其他中等链长的烃类作为PCM,通过其从固体到液体、或相反的物理变化、来调节服装及其周边微气候的温度。如若外界温度增加,提供了增强PCM分子运动的能量,直至达到PCM熔点(十九烷为32.1℃)之前,服装及其周边微气候逐步升温。但外界再行升温达到PCM熔点时,PCM逐步从固体变成液体,便会吸收外界热量、作为潜热贮存。这时服装及其周边微气候保持在熔点温度不变。潜热量较大,因此可维持在此恒定温度较长时间。一旦外界温度降低,PCM逐步固体化(十九烷结晶温度为26.4℃),便放出潜热,服装及周边微气候温度开始保持恒定。如外界继续冷却、直到潜热全部放完,于是服装及其周边微气候即行开始冷却。
迄今为止,已有超过500种天然和合成相变材料被掌握和了解。按照相变温度的范围,相变材料可分为三类:高温、中温、低温。按相变材料的组成成分将相变材料分为两类:有机类和无机类。按相变方式,将相变材料分为四类:固—固相变、固—液相变,固—气相变及液—气相变材料。由于后两种相变方式在相变过程中伴随大量气体的存在,使材料体积变化较大。因此,尽管它们相变焓较大,但在实际中很少应用。常用的就是固—固相变和固—液相变材料。
目前国内外研制的这类相变材料主要有:①无机类,无机类相变材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类等。其中最典型的是结晶水合盐类,它们有较大的熔解热和固定的熔点 (实际上是脱出结晶水的温度变化:脱出的结晶水使盐溶解而吸热,降温是其发生逆过程,吸收结晶水而放热 )。具有代表性的有:Na2SO4.10H2O,Mg2Cl2.6H2O等水合盐类。结晶水合盐类通常是中、低温相变储能材料中的重要一类,优点是:使用范围广、导热系数大 (与有机类相变材料相比 )、溶解热较大、密度大 (单位体积的储热密度大 )、一般成中性、价格较便宜。但是,这类材料通常存在两个问题:一是过冷现象,另一个问题是出现相分离。②有机类,这类相变材料常用的有高级脂肪烃类、醇类、高级烷烃类。其中典型的有CnH2n-+2、CnH2nO2等。有机类相变材料具有的优点有:在固体状态时成型性较好,一般不容易出现过冷现象和相分离。而缺点是:导热系数小,单位体积的储能能力较小,熔点较低,不适于高温场合中应用。③复合类,有时为了达到良好的温度范围需要混合使用两至三种以上的相变材料。
目前,国内外研究使用较多的相变材料为相变温度范围与人体感应温度接近的石蜡类烷烃、聚乙二醇、聚乙烯乙二醇等外,主要用于纺织品和空调、暖气、建材等蓄热、蓄冷、温控等方面。
2 国内外研究现状
20世纪70年代末80年代初,美国航天局(NASA)空间研究所开发此项目。1983年,PCM在保护太空试验的精密仪器防止受到高温侵袭的应用中表现了优越的性能。1987年,下属NASA的Triangle技术公司验证了PCM与纺织纤维复合的可行性:选择一种适合温度范围的相变材料,利用其存储和释放潜热的性能,将相变材料包封入胶囊,采用各种方式加入纺织品中,制成的纺织品具有温度调节功能,随后注册了该项专利,并成了Gateway研究开发公司专门从事该种纤维及织物的研究,Outlast是他们注册的商品名,该纤维已在美国和欧洲市场销售。
近十几年来,各国研究人员先后采用多种工艺路线开发调节温度的纺织品,发表了许多这方面的专利和研究报告。
利用相变材料的蓄热特性使建筑增加自调温功能,相比于传统的隔热保温建筑材料主要以增加空气间隙、减小传导效率的隔热方式,相变材料能根据室内温度自动调节温度,降低建筑能耗的良好效果。从这个角度,相变蓄热材料具有实际发展前途,也是目前研究最多和最重要的蓄热方式。
美国Humphrey化学公司与Witco化学公司联合,用石油精炼产出的链状烷烃副产物中含4个以上碳的烷烃混合物,制得了低成本的新型线性晶体烷基烃相变材料,其熔点和凝固点在25℃左右,适用于建筑物采暖及空调制冷。Dayton大学的salyer等人研究开发出一系列用于混凝土、石膏墙体的线性晶体烷基烃相变材料,按一定比例混合后的相变材料相变温度在0～80℃,相变潜热达到200～240 J/g。P.Kaurannen等人制备出羧酸混合物,其熔化温度可按气候的特定要求来调整。
20世纪末,在相变材料的开发应用方面,取得了突破性进展。
国内相变材料的研究起步较晚。功能纤维及纺织品方面,天津工业大学、东华大学等有关院所作了许多工作。对烷烃、聚乙二醇等相变材料和相变材料添加到纺织品上的方式方法进行了多方位研究,在制备一定调温功能的相变材料、相变微胶囊、相变纤维及织物方面具有相当技术基础。
国内在建筑用相变材料领域也有涉及,主要研究了正十六烷、正十八烷等线性晶体烷其烃作为相变材料在建筑中的应用。对脂肪酸、多元醇类也有不少研究报导。
但相变材料在伪装甚至军事领域中的应用,国外刚刚起步,正在研制单兵伪装服并准备应用于轻装备,国内还相当空白。
目标的红外暴露征候是伪装工作的重点和难点,而红外暴露征候与目标的辐射温度息息相关。红外伪装问题的关键就是解决目标的辐射温度与其所在背景的适应性和匹配性,温度适宜的相变材料可以很好地做到这一点。
3 相变伪装材料的应用前景
由红外伪装的要求可知,要得到良好环境自适应性的相变材料,目标背景的温度范围是研制的依据,可以根据红外自适应伪装的温度范围选择其中的一种或几种烷烃形成的蜡作为相变材料,也可根据具体需求研制特定相变温度范围的材料,如,聚乙二醇(PEG)。然后对材料进行适当处理,使之满足多方面使用需求。
1) 伪装服
如上所述,相变纤维及蓄热调温纺织品是近些年研究的热点,国外已经利用Outlast技术生产出一系列先进纺织品,可根据室内外的温度变化调节穿者的体温,现在推向市场的自调温产品包括夹克、手套、靴子等。
如果将相变材料与纤维复合,用于制作迷彩服,那么这种包含相变材料的迷彩服不仅具有光学伪装性能,还具有红外环境自适应性,即红外伪装性能。
2)伪装涂料
红外伪装降温涂料也是近几年研究的热点,对于解决重要目标的温度控制、红外伪装等具有积极意义。现有红外伪装降温涂料的缺陷是对温度变化敏感的目标降温效果不明显,涂层的热惯量小。
将包含相变材料的微胶囊混入现有伪装涂料中并控制含量,所形成的涂层具有良好的控温性,达到良好的降温效果,并且对敌方的热红外观察可以起到有效地屏蔽作用。由资料报道,将含有相变微胶囊的一块布料覆盖在一根加热的棒上,用前视红外雷达未能探测到该棒。
3) 红外伪装遮障
用自调温纺织品或者含有相变材料的塑料等作为红外伪装遮障的基材,可以大大提高遮障的红外伪装性能。
4) 红外伪装降温电子元件
很多目标红外暴露征候只体现在局部部位,需要对特殊元件进行局部伪装降温。将相变材料作为元件的组成材料,与其他材料进行相容性混合,可以达到较好的效果。
4 结束语
相变材料是利用相变潜能储存和释放热量的。因此,在自适应相变伪装材料的研制中,选择一种合适的相变材料至关重要。不论开发何种相变材料,理想的、具有实用价值的相变材料,必须具有以下性质:① 具有大的贮能容量。也就是说必须有高的相变潜热,而且还要求以单位质量和单位体积计算的相变潜热都足够大。② 选取的相变材料必须适合具体应用的要求。如作为温度调节服用的在 2 5～2 9℃之间。而用于电子元件散热降温的相变材料在 40～80℃之间等。③ 化学和物理稳定性:相变材料必须无毒、无腐蚀性、无危险性 ,成本低、制造方便。④ 相转变过程必须完全可逆。过冷或过热现象小,而且正过程和逆过程的方向仅仅以温度决定。⑤ 适宜的热传导系数,以便较快地吸收和释放热量。⑥体积变化小。过大的相变体积是许多材料没有实用价值的主要原因。
然而在实际研制中,要找到满足这些条件的相变材料非常难,并且要考虑相变材料与所附材料的相容性、对基材物化性能的影响、与其他伪装波段的兼容性等问题,需要做大量工作。
自适应相变伪装材料的研制是一个很有研究价值和应用意义,并且前景广阔的课题。
参考文献:
[1]姜勇.丁恩勇.黎国康.相变储能材料的研究进展.广州化学.1999.(3):48-54
[2]张萍丽.刘静伟.相变材料在纺织服装中的应用.北京纺织.2002.8:50-54
[3]王伟玲.于伟东.相变纤维与伪相变纤维.纺织导报.2004.(1):31-34