添加相變材料的混凝土路面紅外偽裝應(yīng)用研究

賈其，呂緒良，榮先輝，何超，湯雪峰

(1.解放軍理工大學(xué) 工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京210007;2.解放軍理工大學(xué) 科研部，江蘇 南京210007)

0 引言

混凝土路面的獨特紅外特征是目標(biāo)被偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)、識別和定位的明顯暴露征候，尚沒有行之有效的偽裝手段。由于相變材料能夠在相變溫度范圍內(nèi)儲存或釋放大量的潛熱，具有蓄能密度大、溫升小的特點。利用相變材料改變混凝土的熱特性、控制其溫度升高是熱紅外偽裝的有效手段之一。目前的情況是，對相變材料用于建筑墻體的應(yīng)用已進(jìn)行了大量研究［1-9］，而利用相變材料控制混凝土紅外暴露征候的研究偏少。國內(nèi)外對相變材料模擬金屬板用于假目標(biāo)進(jìn)行了一些探索和實驗研究［10-13］，但采用相變混凝土對混凝土路面進(jìn)行溫控的研究尚未見報道。

相變材料的種類很多，主要分為有機和無機兩類。必須從相變材料的應(yīng)用場合出發(fā)，選擇合適的相變材料。本文選擇了兩種相變材料進(jìn)行了研究。由于相變材料是作為填料應(yīng)用于紅外偽裝，為消除材料混合對相變特性的影響，需要對相變材料進(jìn)行封裝，微膠囊技術(shù)是一種有效的封裝手段。

1 理論模型

相變混凝土的傳熱可以簡化為一維傳熱問題，模型的示意圖如圖1所示。假設(shè)相變微膠囊在混凝土中均勻分布，如圖2所示。上表面吸收太陽輻射，與環(huán)境的熱交換途徑主要是對流和輻射，底部與地表的熱交換主要是熱傳導(dǎo)。由此可得熱模型控制方程為

圖1 熱物理模型示意圖Fig.1 Sketch of thermo-physical model

圖2 相變膠囊單元模型示意圖Fig.2 Sketch of PCM capsule cell model

邊界及初始條件為

式中:下標(biāo)s 表示土壤;p 表示相變混凝土;m 表示低吸收材料涂層;c 表示迷彩涂層;cond 表示導(dǎo)熱;sun 表示太陽;rad 表示輻射;conv 表示對流;Hp表示相變混凝土的焓;T 表示溫度;t 表示時間。相變混凝土的焓T0為初始溫度，T1為相變開始溫度，T2為相變結(jié)束溫度。用分離變量法建立的巖土溫度場模型［14］表明，當(dāng)巖土深度達(dá)到一定深度(這里取10 m)時，巖土全年溫度趨于穩(wěn)定。太陽的輻照度計算采用任意朝向傾斜表面上的輻照度模型［15］進(jìn)行計算，地點在南京(E 118°46'，N 32°03')，時間為5月2日。

為了有效降低混凝土表面的溫度，對混凝土的導(dǎo)熱性能進(jìn)行改進(jìn)?？紤]在混凝土中添加石墨和鋁粉增大其導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的串并聯(lián)模型計算混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)［15］，這里取其平均值。

串聯(lián)模型的有效導(dǎo)熱系數(shù)為

并聯(lián)模型的有效導(dǎo)熱系數(shù)為

式中:λe為有效導(dǎo)熱系數(shù);λf為填料導(dǎo)熱系數(shù);λp為基體導(dǎo)熱系數(shù);為填料的體積分?jǐn)?shù)。

2 材料制備及測試

由于相變混凝土要實現(xiàn)混凝土路面溫度與植被背景的一致，對其相變溫度和焓提出了較高的要求。根據(jù)南方混凝土路面和植被的年溫度變化，這里選擇相變溫度在15～50 ℃之間的相變材料，且該材料必須具備較大的相變潛熱，相變過程完全可逆，熱循環(huán)次數(shù)比較大?；谝陨峡紤]，所選擇的相變材料和壁材如表1所示。

表1 相變材料的選擇Tab.1 Selection of PCMs

采用原位聚合法制備微膠囊相變材料。制備的相變微膠囊材料的光學(xué)顯微鏡照片如圖3所示，圖中顯示相變材料包裹較好。用差示掃描量熱儀(DSC)測定微膠囊的吸熱峰，圖4為制備的微膠囊DSC 曲線圖。

圖3 十二醇微膠囊的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Optical photomicrograph of lauryl alcohol microcapsule

高反射率涂層表面顏色深淺不一，其反射率在0.4～0.9 范圍內(nèi)可控，測試的最高熱反射率達(dá)到0.9，本文中所使用的高反射率涂層的反射率為0.8。實驗表明［16-17］:在室外太 陽 輻 射強度約1 000 W/m2、且基本處于無風(fēng)狀態(tài)時，反射率為0.05 的黑色保溫材料表面的溫度高于環(huán)境溫度約有50 ℃左右;而對于反射率為0.9 的高反射材料表面，其表面溫度高于環(huán)境溫度約有10 ℃左右。

圖4 不同微膠囊的DSC 曲線Fig.4 DSC curves of different microcapsules

3 計算結(jié)果及分析

3.1 導(dǎo)熱系數(shù)的影響

根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的串并聯(lián)模型，取λe=(λes+λep)/2。計算得出混凝土中摻雜石墨和鋁粉體積百分比對其導(dǎo)熱系數(shù)的影響，如圖5所示。

從圖5可以看出，摻雜石墨和鋁粉大大增加了混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，石墨含量在10%、15%時混凝土導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.59 W/m·K、1.92 W/m·K，鋁粉含量在10%、15%時混凝土導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.60 W/m·K、1.97 W/m·K。

基于理論模型，計算所得的混凝土表面最高溫度與混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線如圖6所示。計算結(jié)果顯示，在混凝土路面最高溫度隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加緩慢降低，在導(dǎo)熱系數(shù)為2 W/m·K 以下時，降低的速率較快;在導(dǎo)熱系數(shù)大于2 W/m·K 時，混凝土路面的溫度變化不大。

3.2 相變材料的影響

基于所選擇的兩種相變材料，在體積分?jǐn)?shù)為15%時，混凝土路面的溫度變化情況的計算結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，相變混凝土可以大大降低路面的溫度，在相變溫度處吸收較多熱量，可將混凝土路面升至最高溫度的時間延緩1～2 h。正十八烷相變混凝土的最高溫度41.6 ℃，相比素混凝土，降低了5.6 ℃;十二醇相變混凝土的最高溫度42.7 ℃，相比素混凝土，降低了4.5 ℃。

圖5 摻雜對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.5 Influence of adding on thermal conductivity of concrete

圖6 導(dǎo)熱系數(shù)與混凝土路面最高溫度的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve for thermal conductivity and the maximum temperature of concrete pavement

圖7 混凝土路面溫度日變化Fig.7 The changing curve of temperature of concrete pavement with time in a day

通過改變相變材料的量，所得的混凝土路面的最高溫度的變化如圖8所示。隨著相變材料量的增加，混凝土路面的最高溫度逐漸降低，體積分?jǐn)?shù)在30%之前的降低速率要明顯大于體積分?jǐn)?shù)在30%以后的降低速率。同時，由于混凝土道路的使用強度要求，相變材料的體積百分比不能無限制地增大。

圖8 混凝土路面最高溫度隨相變材料體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.8 Influence of volume fraction of PCMs on the maximum temperature of concrete pavement

4 實驗

根據(jù)計算模型優(yōu)化的結(jié)果，考慮到混凝土路面溫度的年變化，分別使用的石墨、正十八烷相變微膠囊、十二醇相變微膠囊的體積分?jǐn)?shù)分別為15%、20%、10%，組織了相應(yīng)的實驗。為了達(dá)到有效分割目標(biāo)熱圖的目的，在實際施工中，相變材料并沒有均勻混雜于混凝土砂漿中。

圖9 混凝土路面紅外熱圖Fig.9 Infrared thermal image of concrete pavement

數(shù)據(jù)采集的時間為5月2日，利用熱像儀獲得的目標(biāo)熱圖如圖9所示，圖中可以看出混凝土路面形成了多個灰度等級，形成的熱斑點能夠有效歪曲、變形目標(biāo)的外形輪廓，顯著降低了目標(biāo)與背景的紅外特征差別。太陽輻照度的計算值和實測值的對比如圖10所示，可以看出，太陽輻照度的計算值與實測值非常接近，誤差較小。素混凝土路面和相變混凝土路面及植被的日溫度變化如圖11所示。圖中表明，相變混凝土可以有效地降低混凝土路面的溫度，相變混凝土溫度的計算值和實測值比較接近，誤差在2 ℃左右;相變混凝土的溫度和周圍植被的溫度日變化趨勢一致，最高溫度差在3 ℃左右。

圖10 輻照度計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比Fig.10 Comparison between the calculated and experimental results of solar radiation in a day

圖11 目標(biāo)溫度日變化Fig.11 The changing curves of temperature with time in a day

5 結(jié)論

本文通過建立熱傳遞模型，采用涂覆高反射率涂層降低太陽能的吸收、添加石墨和鋁粉增強混凝土的導(dǎo)熱性能和使用相變微膠囊改進(jìn)混凝土的熱特性，大大降低了混凝土路面的溫度，有效地減弱了混凝土路面的暴露征候，模型與實驗結(jié)果吻合較好。初步得出以下結(jié)論:

1)通過添加導(dǎo)熱性能好的材料，可以有效增大混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，但是，對于混凝土溫度的降低效果有限;

2)高反射率涂層和相變微膠囊可以大大改進(jìn)混凝土的熱特性，有效降低混凝土路面的溫度，較好實現(xiàn)混凝土路面紅外暴露特征的削弱;

3)使用反射率為0.8 的涂層，摻雜石墨、正十八烷相變微膠囊、十二醇相變微膠囊的體積分?jǐn)?shù)分別為15%、20%、10%的相變混凝土路面可以使路面溫度變化與植被背景較為一致。

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