相变材料应用于红外热成像假目标的初步研究

第２１卷第３期　２００６年６月　光电技术应用　

ＥＬＥＣＴＲ０—０ＰＴＩＣ　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　ＡＰＰＬＩＣＡＴ１０Ｎ　ＶＯＩ　２１．ＮＯ．３　

Ｊｕｎｅ　２００６　

文章编号：１６７３—１２５５（２００６）０３—００３５—０３　相变材料应用于红外热成像假目标的初步研究　吴晓森，张学骜，刘长利，吴文健　（国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙４１００７３）　摘要：红外热成像假目标因其独特的军事价值，受到了广泛的重视．测试了不同厚度、不同环境温度，不同用量　条件下的熔化过程中，不同种类相变材料在相变温度附近的维持时间，分析了相变材料应用于红外热成像假目标的　技术途径，初步验证了其可行性．　关键词：相变材料；红外；热成像；假目标　中图分类号：ＴＮ９７２　．３１　文献标识码：Ａ　

Ｐｒｉｍａｒｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ａｐｐｌｙｉｎｇ　Ｐｈａｓｅ　Ｃｈａｎｇｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｉｎｔｏ　ＩＲ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｉｍａｇｅ　Ｄｅｃｏｙ　ＷＵ　Ｘｉａｏ—ｓｅｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｕｅ—ａｏ，ＬＩＵ　ＣＨａｎｇ—ｌｉ，ＷＵ　Ｗｅｎ—ｊｉａｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅ＆Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｄｅｆｅｎｓｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４　１００７３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩＲ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅ　ｄｅｃｏｙ　ａｒｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ　ｂｙ　ｍａｎｙ　ａｒｍｉｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ　ｆｏｒ　ｉｔｓ　ｕｎｉｑｕｅ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｖａｌｕｅ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｎｖｉ—　ｒｏｎｍｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｏｓａｇｅ，ｔｈｅ　ｌａｓｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｎｅａｒ　ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗａｓ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎ　ＩＲ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇ—　ｉｎｇ　ｄｅｃｏｙ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｗａｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ；ＩＲ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅ；ｄｅｃｏｙ　

相变材料（Ｐｈａｓｅ　Ｃｈａｎｇｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌ，ＰＣＭ）是　一种以潜热（１ａｔｅｎｔ　ｈｅａｔ）形式储存和释放能量的　材料，其间材料改变了相或状态．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，　按照相变方式可分为固一固、固一液、固一气和　液一气相变材料，其中最常用的是固一液相变材　料　Ｊ．图１固一液相变材料的相变过程示意　图，表明ＰＣＭ在相变过程的热容较大，可以较　长时间地保持在相变温度附近，依据本文提出相　变材料这种蓄热、放热作用，利用固一液ＰＣＭ　来模拟真目标的热成像特征，达到迷惑敌红外侦　察倒导的战术效果　Ｊ．　

相变　温度　

热量————　图１固一液ＰＣＭ的潜热释放过程　

１　坦克红外热成像特征分析　在野战条件下，气象条件、目标状态、环境背　景、观测时段、测试距离和角度变化都能影响坦　

收稿日期：２００６—０１—１３　作者简介：吴晓森（１９８１一），男．福建泉州人，硕士，研究方向为伪装技术　

▲●●隧赠　维普资讯 http://www.cqvip.com ３６　光电技术应用　第２１卷　克的红外热成像特征．图２是不同观察距离下的　坦克红外热成像图，经验观察表明：一般地，在无　雨、雪、雾等不良气候条件下，１００　ｉｎ以内可以得　到坦克完整的图像轮廓；３００　ｍ距离上，红外图　像只能得到排烟口、炮塔、炮管等特征部位的轮　廓，而履带等细节则变得十分模糊；８００　ｍ以上　只能得到坦克代表性部位的图像，如排烟口等．　实战环境中，即便战场抵近侦察，测试距离也有　几百米，再加上气候、测试角度、遮挡物等因素的　影响，事实上难以得到坦克履带和轮子等细节特　征，而只能获得坦克的红外热辐射基本特征及分　布．坦克的红外热图像，主要是以炮塔（５５～　６０℃）、炮身（３５～４０℃）、炮筒（４５～５０℃）和发动　机排气口（８０～９０℃）的温度分布较为明显，在红　外热成像图上也是显示的主要部位，假目标应能　模拟出坦克不同区域的热特征分布．　

图２不同观察距离下的红外热成像图　本文讨论的是坦克假目标二维俯视图形，对　应坦克的不同发热部位，假目标采用具有相应相　变温度的ＰＣＭ，模拟真坦克的红外热成像俯视　图如图３．　

图３　拼接式二维俯视红外成像假目标示意图　２　ＰＣＭ的不同性能测试　选用的相变材料应具有以下特点：高的相变　潜热，符合特定应用温度的相变温度，大于５０００　次相变循环，无毒无腐蚀，价格低廉、故经过挑选，　以相变潜热较高的石蜡（相变温度５８～６０℃，潜　热２００－－２４０　Ｊ／ｇ）和十八醇（相变温度５７．１℃，潜　热２４２、８　Ｊ／ｇ）作为基础物质进行模拟研究．　２．１　ＰＯＭ的融化曲线测试　分别将３００　ｇ石蜡和十八醇封装于铝盒，加　热使其完全融化后在室温中自然冷却，测试其温　度随时间的变化曲线，如图４所示（左图石蜡，右　图十八醇）．表明ＰＣＭ融化时可以在相变温度　附近维持较长时间，完全可以用来模拟坦克相应　部位的红外特征．　２．２维持时间与质量、厚度、环境的关系　在冷却过程中，ＰＣＭ的用量、表面积和环境　

温度会影响其冷却速度以及在相变点的维持时　间，相应地就会影响其对红外特征的模拟时间，　所以有必要对这些影响因素进行测定．　表１是不同环境温度下，石蜡和十八醇在相　变温度的维持时间，表明持续时间随着温度的升　高而延长，所以在实际使用中要考虑战场的环境　温度、表２是３００　ｇ石蜡不同包装厚度下，在相　变温度的维持时间，包装厚度不同，相应地表面　积就不一样，结果表明表面积越大，ＰＣＭ模块的　散热速度相应增加，因为与空气接触的面积增大　了．表３是２５℃下，不同质量的石蜡在相变温度　的维持时间，结果表明增大ＰＣＭ的用量可以延　长维持时间．　表１　ＰＯＭ在不同环境温度下的维持时间　ｍｉｎ　

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图４石蜡和十八醇的融化曲线　表２不同厚度在不同环境温度下的维持时间ｍｉｎ　

表３不同质量石蜡在２５℃的持续时间　２．３红外示假性能测试　将３００　ｇ石蜡包覆于２０　ｃｍＸ　３０　ｃｒｎＸ３０　ＣｌＴＩ的铝　盒中制成热模块，利用低压电加热板加热使其融化，　取出置于空地上，采用、，ＡＲＳＣＡＮ３０２１一ｓＴ高分辨　率红外热成像仪（工作波段：８～１２／ｚｍ，视场角：　３０。Ｘ　２０。，温度分辨率０．０３℃）测试热模块的红　外热特征随时间的变化情况，从而考察利用　ＰＣＭ制成拼接式二维俯视假目标的可行性．　热模块融化后的起始温度为７０℃左右（环　境温度为２５℃），用红外热成像仪观察其红外热　特征随时间的变化，如图５所示．４　ｒａｉｎ时，模块　的表观温度降至６０℃，此后在５５～６０℃维持至　２４　ｍｉｎ，在第３５　ｍｉｎ时，温度降至３５℃以下，红　外热成像仪已近乎观察不到热模块的热特征．由　于模块中起蓄热作用的是石蜡，在石蜡熔点附近　（５５～６０℃）的持续时间长达２０　ｍｉｎ．由此可见，　以ＰＣＭ制成的热模块完全可以模拟坦克相应发　热部位的热红外特征，要想取得更好的红外示假　效果，必须提高ＰＣＭ的相变潜热以使假目标的　热红外特征模拟能够维持较长的时间．　

时间／ｍｉｎ　一一　一一　图５　ＰＣＭ的红外热成像示假性能　３　结束．语　通过对相变潜热较高的石蜡和十八醇的融　化衄线测试分析表明，一些相变材料可在相对温　度附近维持一定的时间，可较好的模拟某些红外　目标的辐射特性，为其在坦克二维俯视假目标的　应用提供了可能．　

参　考　文　献　［１］陶小涤，丁庆庚．现代假目标［Ｊ］．工兵装备研究，　１９９０，（１）：８０—９１．　［２］ＵＳ　５，９６９，３６９（１９９９）．　［３］　戴或，唐黎明．相变储热材料研究进展［Ｊ］．化学世　界，２００１，（１２）：６６３—６６４　［４］　张正国，林恰辉，王世平．复合相变储热材料的研究　与发展［Ｊ］．化工进展，２００３，（４）：４６２，　［５］王春莹．调温微胶囊的研制［Ｊ］．印染，２００２，（６）：　ｌ３．　［６］李晓霞．新型热红外伪装体系［Ｊ］．红外技术，２００１，　（６）：４２．　

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