添加相变材料的混凝土路面红外伪装应用研究

贾其，吕绪良，荣先辉，何超，汤雪峰

(1.解放军理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京210007;2.解放军理工大学 科研部，江苏 南京210007)

0 引言

混凝土路面的独特红外特征是目标被侦察设备发现、识别和定位的明显暴露征候，尚没有行之有效的伪装手段。由于相变材料能够在相变温度范围内储存或释放大量的潜热，具有蓄能密度大、温升小的特点。利用相变材料改变混凝土的热特性、控制其温度升高是热红外伪装的有效手段之一。目前的情况是，对相变材料用于建筑墙体的应用已进行了大量研究［1-9］，而利用相变材料控制混凝土红外暴露征候的研究偏少。国内外对相变材料模拟金属板用于假目标进行了一些探索和实验研究［10-13］，但采用相变混凝土对混凝土路面进行温控的研究尚未见报道。

相变材料的种类很多，主要分为有机和无机两类。必须从相变材料的应用场合出发，选择合适的相变材料。本文选择了两种相变材料进行了研究。由于相变材料是作为填料应用于红外伪装，为消除材料混合对相变特性的影响，需要对相变材料进行封装，微胶囊技术是一种有效的封装手段。

1 理论模型

相变混凝土的传热可以简化为一维传热问题，模型的示意图如图1所示。假设相变微胶囊在混凝土中均匀分布，如图2所示。上表面吸收太阳辐射，与环境的热交换途径主要是对流和辐射，底部与地表的热交换主要是热传导。由此可得热模型控制方程为

图1 热物理模型示意图Fig.1 Sketch of thermo-physical model

图2 相变胶囊单元模型示意图Fig.2 Sketch of PCM capsule cell model

边界及初始条件为

式中:下标s 表示土壤;p 表示相变混凝土;m 表示低吸收材料涂层;c 表示迷彩涂层;cond 表示导热;sun 表示太阳;rad 表示辐射;conv 表示对流;Hp表示相变混凝土的焓;T 表示温度;t 表示时间。相变混凝土的焓T0为初始温度，T1为相变开始温度，T2为相变结束温度。用分离变量法建立的岩土温度场模型［14］表明，当岩土深度达到一定深度(这里取10 m)时，岩土全年温度趋于稳定。太阳的辐照度计算采用任意朝向倾斜表面上的辐照度模型［15］进行计算，地点在南京(E 118°46'，N 32°03')，时间为5月2日。

为了有效降低混凝土表面的温度，对混凝土的导热性能进行改进。考虑在混凝土中添加石墨和铝粉增大其导热系数。根据导热系数的串并联模型计算混凝土的导热系数［15］，这里取其平均值。

串联模型的有效导热系数为

并联模型的有效导热系数为

式中:λe为有效导热系数;λf为填料导热系数;λp为基体导热系数;为填料的体积分数。

2 材料制备及测试

由于相变混凝土要实现混凝土路面温度与植被背景的一致，对其相变温度和焓提出了较高的要求。根据南方混凝土路面和植被的年温度变化，这里选择相变温度在15～50 ℃之间的相变材料，且该材料必须具备较大的相变潜热，相变过程完全可逆，热循环次数比较大。基于以上考虑，所选择的相变材料和壁材如表1所示。

表1 相变材料的选择Tab.1 Selection of PCMs

采用原位聚合法制备微胶囊相变材料。制备的相变微胶囊材料的光学显微镜照片如图3所示，图中显示相变材料包裹较好。用差示扫描量热仪(DSC)测定微胶囊的吸热峰，图4为制备的微胶囊DSC 曲线图。

图3 十二醇微胶囊的光学显微镜照片Fig.3 Optical photomicrograph of lauryl alcohol microcapsule

高反射率涂层表面颜色深浅不一，其反射率在0.4～0.9 范围内可控，测试的最高热反射率达到0.9，本文中所使用的高反射率涂层的反射率为0.8。实验表明［16-17］:在室外太 阳 辐 射强度约1 000 W/m2、且基本处于无风状态时，反射率为0.05 的黑色保温材料表面的温度高于环境温度约有50 ℃左右;而对于反射率为0.9 的高反射材料表面，其表面温度高于环境温度约有10 ℃左右。

图4 不同微胶囊的DSC 曲线Fig.4 DSC curves of different microcapsules

3 计算结果及分析

3.1 导热系数的影响

根据导热系数的串并联模型，取λe=(λes+λep)/2。计算得出混凝土中掺杂石墨和铝粉体积百分比对其导热系数的影响，如图5所示。

从图5可以看出，掺杂石墨和铝粉大大增加了混凝土的导热系数，石墨含量在10%、15%时混凝土导热系数达到1.59 W/m·K、1.92 W/m·K，铝粉含量在10%、15%时混凝土导热系数达到1.60 W/m·K、1.97 W/m·K。

基于理论模型，计算所得的混凝土表面最高温度与混凝土导热系数的关系曲线如图6所示。计算结果显示，在混凝土路面最高温度随着导热系数的增加缓慢降低，在导热系数为2 W/m·K 以下时，降低的速率较快;在导热系数大于2 W/m·K 时，混凝土路面的温度变化不大。

3.2 相变材料的影响

基于所选择的两种相变材料，在体积分数为15%时，混凝土路面的温度变化情况的计算结果如图7所示。结果表明，相变混凝土可以大大降低路面的温度，在相变温度处吸收较多热量，可将混凝土路面升至最高温度的时间延缓1～2 h。正十八烷相变混凝土的最高温度41.6 ℃，相比素混凝土，降低了5.6 ℃;十二醇相变混凝土的最高温度42.7 ℃，相比素混凝土，降低了4.5 ℃。

图5 掺杂对混凝土导热系数的影响Fig.5 Influence of adding on thermal conductivity of concrete

图6 导热系数与混凝土路面最高温度的关系曲线Fig.6 Relation curve for thermal conductivity and the maximum temperature of concrete pavement

图7 混凝土路面温度日变化Fig.7 The changing curve of temperature of concrete pavement with time in a day

通过改变相变材料的量，所得的混凝土路面的最高温度的变化如图8所示。随着相变材料量的增加，混凝土路面的最高温度逐渐降低，体积分数在30%之前的降低速率要明显大于体积分数在30%以后的降低速率。同时，由于混凝土道路的使用强度要求，相变材料的体积百分比不能无限制地增大。

图8 混凝土路面最高温度随相变材料体积分数的变化Fig.8 Influence of volume fraction of PCMs on the maximum temperature of concrete pavement

4 实验

根据计算模型优化的结果，考虑到混凝土路面温度的年变化，分别使用的石墨、正十八烷相变微胶囊、十二醇相变微胶囊的体积分数分别为15%、20%、10%，组织了相应的实验。为了达到有效分割目标热图的目的，在实际施工中，相变材料并没有均匀混杂于混凝土砂浆中。

图9 混凝土路面红外热图Fig.9 Infrared thermal image of concrete pavement

数据采集的时间为5月2日，利用热像仪获得的目标热图如图9所示，图中可以看出混凝土路面形成了多个灰度等级，形成的热斑点能够有效歪曲、变形目标的外形轮廓，显著降低了目标与背景的红外特征差别。太阳辐照度的计算值和实测值的对比如图10所示，可以看出，太阳辐照度的计算值与实测值非常接近，误差较小。素混凝土路面和相变混凝土路面及植被的日温度变化如图11所示。图中表明，相变混凝土可以有效地降低混凝土路面的温度，相变混凝土温度的计算值和实测值比较接近，误差在2 ℃左右;相变混凝土的温度和周围植被的温度日变化趋势一致，最高温度差在3 ℃左右。

图10 辐照度计算结果与试验结果的对比Fig.10 Comparison between the calculated and experimental results of solar radiation in a day

图11 目标温度日变化Fig.11 The changing curves of temperature with time in a day

5 结论

本文通过建立热传递模型，采用涂覆高反射率涂层降低太阳能的吸收、添加石墨和铝粉增强混凝土的导热性能和使用相变微胶囊改进混凝土的热特性，大大降低了混凝土路面的温度，有效地减弱了混凝土路面的暴露征候，模型与实验结果吻合较好。初步得出以下结论:

1)通过添加导热性能好的材料，可以有效增大混凝土的导热系数，但是，对于混凝土温度的降低效果有限;

2)高反射率涂层和相变微胶囊可以大大改进混凝土的热特性，有效降低混凝土路面的温度，较好实现混凝土路面红外暴露特征的削弱;

3)使用反射率为0.8 的涂层，掺杂石墨、正十八烷相变微胶囊、十二醇相变微胶囊的体积分数分别为15%、20%、10%的相变混凝土路面可以使路面温度变化与植被背景较为一致。

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