鄢冬茂
（沈阳化工研究院有限公司，沈阳 110021）
摘要：总结了微胶囊相变储能材料在热红外伪装领域的涂覆式、集成式和掺杂式三种应用方式，总结和评价了基于微胶囊相变材料的热红外伪装技术在大型军事装备、红外伪装服和红外示假三各个领域的应用研究进展情况，探讨了应用过程中需要解决的问题，提出未来应该重点开展的研究方向，并展望了其应用前景。
关键词：微胶囊相变储能材料；热红外伪装；潜热；
0 引言
军事目标在行动过程中热源特征非常明显，容易被红外探测设备识别、跟踪、制导和攻击。热红外伪装技术是指采用措施降低目标的热红外辐射特征的方法，其中通过控制军事目标表面温度是最为重要的一种。目前，国内外主要采使用隔热材料覆盖于军事装备表面来降低目标的表面温度，阻隔热传导来降低红外辐射强度。隔热材料主要包括泡沫塑料、空心微珠颗粒、隔热毡等大热容量、低热导率的材料。传统隔热材料构成的热红外隐身伪装遮障材料一般比较厚，对于静止的高温目标隐身效果较好，但是不易固定在移动的军事装备上。
相变储能材料在相变温度发生相变时伴随吸热和放热效应而本身温度可保持不变，这种特性可以用于更好的实现军事目标的热红外伪装，采用涂覆、集成和掺杂等的应用方式，将相变储能材料与军事目标表面材料结合制成新型热红外伪装材料，相变材料吸收或释放热量可以减少军事目标与环境间的温度差，降低其热红外辐射强度，从而的实现红外隐身伪装，可以有效控制移动军事装备表面的温度要求且不影响其机动性能，近年来相关的应用研究进展备受瞩目。
微胶囊相变材料（MPCMs）是在固液相变材料微粒的表面通过聚合的方式形成稳定的聚合物树脂，从而构成具有核壳结构的相变储能材料，结构如图1所示。在相变过程中，MPCMs在内核发生固-液相转变，而其外层的聚合物膜始终保持结构稳定，使得材料整体在宏观上表现为固态微粒，解决了固-液相变材料在使用过程中容易泄露的缺陷。本文重点综述MPCMs在军事目标热红外伪装的应用研究进展。
MPCMs在伪装中的应用方式主要有涂覆式、集成式和掺杂式3种，在目标表面上形成相变复合材料覆盖层，从而实现伪装的目的。
将MPCMs引入涂料体系，制备具有相变功能的涂料。涂料在目标物表面涂覆成膜，发挥热红外辐射吸收层的作用，从而实现红外伪装的目的。
涂覆式伪装材料制备简单、施工方便、适形性好，但是由于涂层的厚度的限制，使得目标表面的相变材料的含量有限，储能容量小，导致伪装持续时间较短。
将MPCMs加入到液态聚合物中，经发泡形成泡沫塑料。通过两种材料的有机集成，相变材料吸收环境热量，可以及时的将材料的热量传导到外部环境，使相变材料的伪装效果能够持续较长时间。
集成式伪装材料伪装时间长，相变材料的伪装温度范围广，但集成系统往往比较复杂，技术成本较高。
采用物理共混的方式，将MPCMs与基体材料(聚合物、混凝土等)混合制备复合相变材料，相变材料随基体材料附在目标物表面，相变吸热实现红外伪装。
掺杂式必须保证相变材料与基体材料混合均匀，形成近似连续的相变层。同时，共混的相变材料的耐腐蚀、耐磨损性能要好。掺杂式成本低，相变材料的加入量大，材料相变焓值高，可增加目标的红外伪装时间。
将MPCMs加入到树脂中，挤压、固化成丝、编织成形，或者将其加入到可以固化的树脂中，然后涂敷在纤维或其他物质上或者将MPCMs加入到可发泡材料中，然后在纤维织物表面发泡成型等手段也可实现MPCMs在热红外伪装领域的应用。
对于拥有大功率动力源的军事装备，运动时不同部位的温度差异显著，热特征明显，需要根据各部位温度的差异选用不同相变温度的相变材料，才能有效的实现红外伪装；对于温度范围变化较小的军事装备，使用单一相变温度的相变材料对装备进行全覆盖就能实现红外隐身。
2.1.1 对军事装备各部位分别进行红外伪装
Mckinney等根据坦克不同发热部位的温度不同，在可见光迷彩涂料中引入不同相变温度的MPCMs，把具有相变功能的涂料涂刷在各个发热的部位，从坦克红外热像图上看，红外颜色特征杂乱而无规律，与真实成像差异较大，采用相变涂料实现坦克的红外伪装。
孙文艳等以聚酰胺为囊壁材料，分别以不同相变温度的正十四烷、正十八烷、石蜡为囊芯，制备了3种微胶囊相变材料，在卡车模型的高温区、中温区、低温区分别涂覆，明显增强了卡车的红外隐身性能。
2.1.2对军事装备的全覆盖以实现红外伪装
谢卫红等研制出一种陶瓷纤维夹一层石蜡胶囊中间层组成的新型隔热毯，将隔热毯实物装配于机场保障装备的表面，使机场保障装备车头部分与环境的温差能控制在低于4℃，实现了很好的红外伪装。
对于户外军事装备的红外伪装，由于相变材料的储热能力有限，当环境辐射的能量超过相变材料的最大储热容量后，相变材料温度将升，这时采用的是显热存储能量，将导致红外伪装失败。因此，延长相变材料的伪装持续时间是当前相变材料在伪装领域应用的主要难题。另一方面，微胶囊相变储能材料所选用的芯材价格昂贵，实用性有限，且品种单一，不能满足较大温度变化范围内的热红外隐身要求，也制约了微胶囊相变储能材料在该领域的应用。
世界各国高度重视战场人员及其携带的装备的红外伪装防护。将MPCMs植入红外伪装服上，通过可逆的吸收或释放大量潜热, 使得服装表面温度始终保持与环境温度一致, 从而实现对红外探测的伪装效果。应用关键技术是如何将MPCMs加入到服装中去，根据MPCMs与服装相结合的技术，可分为涂层整理、填充式两种：
2.2.1涂层整理
涂层整理技术是将MPCMs与织物整理液结合，再对织物进行整理。
邓春涛等将MPCMs添入涂料制备可相变吸收红外的涂料，并对织物进行涂层整理。将红外伪装的织物盖在一根加热的棒上，前视红外雷达（FLIR）对此不能成像。
2.2.2填充式
将相变材料填充到涤纶中空纤维中，纺织成丝后加工成红外伪装服。
李发学等制备了三羟甲基乙烷/新戊二醇MPCMs体系，选取具有合适相变温度MPCMs填充涤纶中空纤维，进而制成纺织品。将制备纺织品与普通纤维制品分别覆盖在胳膊上用热像仪拍摄不同时刻胳膊的热图，结果表明自制纺织品有明显的红外伪装效果，伪装时间达到100min。
MPCMs如何更加均匀的与红外伪装服相结合，寻找更加合适的应用形式或者改进现有的应用形式，提高相变材料的含量，实现更长的伪装时间，是MPCMs在此领域应用的关键问题。
目前，国内外在红外示假领域的研究主要集中在以下两个方面：1）红外假目标的制备，2）红外假目标的理论模型设计。
2.3.1红外假目标的制备
红外假目标的制备原理是根据相变材料相变过程吸热/放热温度保持基本恒定的特点，筛选不同相变温度的材料，用于模拟军事目标不同部位的热源特征，使假目标的热红外特征与真目标非常接近，或者更明显。
吴文健等将不同相变温度的MPCMs涂在有低压直流电热涂层的织物上，然后将织物盖在坦克模型上。对涂覆有电热涂料的MPCMs进行供电加热，模拟了真实坦克的红外热成像图。
王执乾等研究了MPCMs在红外示假上的应用，将MPCMs加入可控加热的金属板，热红外成像仪结果显示，与对照的金属板相比，加入MPCMs的金属板表面红外亮度变暗。加入MPCMs的金属板有示假的作用。
孙浩等在石蜡外层包覆脲醛树脂制备MPCMs，并进行了热红外伪装性能测试。结果表明MPCMs可有效模拟坦克相应发热部位的的热红外特征。
郭志强等选取相变温度适合、相变潜热较大的高、中、低温相变材料NH4Al（SO）4·12H2O、CH3COONa·3H2O、Na2HPO4·12H2O来模拟坦克假目标的热红外特征部位。并对三个相变材料进行改性，其中利用成核剂消除过冷现象，增稠剂消除相分层，基本克服了材料的缺点。测试结果表明改性后的无机相变材料的热红外示假性能比有机相变材料提高了28%。
由于MPCMs储能能力的限制，在红外隐身中很容易达到其饱和热容量，失去伪装效果，使目标暴露。而红外示假模拟温度与环境或本体的绝对温度并不要求做到完全相同，只要目标物的不同部分温度差满足要求即可，因而相变材料更加适用于红外示假。
2.3.2红外假目标的理论模型设计
相变材料伪装应用往往需要先采用理论设计的方法，根据实际的使用环境，推测相变材料的红外特性，筛选出相变材料的有合适相变温度、相变焓值、导热系数等物性参数，为相变材料的应用于红外假目标提供依据。
高波等通过建模法模拟厚金属板与相变材料复合板的一维热物理模型，对相变材料性能参数进行优化并进行性能预测；然后在薄金属板中封装相变材料制作假车轮，与真车轮在室外通过对比试验，验证了理论模型的正确性。
吕舒眉等借助热力学原理，简化模型建立一维无限大平板模型，理论设计了红外隐真和示假应用的相变潜热、导热系数等相变材料性能参数。
叶宏等以石蜡为研究对象，分析含相变材料模拟板的热行为，建立一维热物理模型，并对模型进行验证。结果表明实测气候条件下的试验结果与计算结果有较好的吻合。
如何更深入的实现理论模型设计、参数优化与假目标制备相结合，是红外示假领域的主要研究方向。而提高材料的相变潜热，将示假时间进一步延长，真正把相变热红外示假技术应用在产品中，是该应用领域需要解决的核心问题。
相变储能材料在发生相变时吸热和放热效应而本身温度可保持不变的特性，使其在军事装备、服装和目标示假的热红外伪装具有广泛的应用前景，随着世界各国更加重视武器装备的安全，相变储能材料在热红外伪装领域的研究将更加深入，未来将重点从以下3个方面对相变材料的应用进行研究：
1）提高复合相变储能材料的焓值，研究制备相变温度的材料，延长其应用的持续时间。
2）拓展相变材料与隔热材料、导热材料等材料的相互配合使用，使红外伪装效果更好。
3）开展相变储能材料应用的理论模型设计研究，促进在红外伪装和红外示假领域的快速发展。
（详情见《现代涂料与涂装》2017-9期）
