聚丙烯酸功能化Stear-Gain基相变气凝胶 热管理及红外隐身性能研究

摘要：随着现代探测技术的快速发展，单一功能的热管理材料已难以满足军事装备与户外电子设备对红外隐身性能的迫切需求。本文设计并制备了一种以硬脂酸-月桂酸（Stear-Gain）共晶相变材料为储能核心、聚丙烯酸（PAA）为骨架支撑的功能化相变气凝胶，系统研究了其微观结构、热物理性能、热管理能力及红外隐身特性。结果表明，PAA的三维网络结构可有效封装Stear-Gain相变材料，防止泄露，同时构建的多孔结构显著降低了材料的热导率与红外发射率。该气凝胶展现出高潜热（>180 J/g）、优异的热循环稳定性以及可调的红外发射率（0.35-0.82），能够通过相变过程实现温度缓冲与红外特征调控，为新型热管理-红外隐身一体化材料的设计提供了新思路。

1. 引言

随着红外探测与成像技术的飞速发展，军事目标、户外电子设备以及红外传感器在复杂环境中的热管理和红外隐身问题日益突出。传统热管理材料如金属散热器、导热硅脂等仅具备被动散热功能，难以主动调控温度波动，且其红外发射率通常较高，易被红外探测器捕捉。相变材料（PCM）凭借在相变过程中吸收/释放大量潜热的特性，可实现温度缓冲和热管理，但其固-液相变过程中的泄露问题以及固有的红外高发射率限制了应用。

气凝胶作为一种具有超低密度、高孔隙率和极低热导率的多孔材料，在热管理和红外隐身领域展现出巨大潜力。将相变材料与气凝胶结构相结合，可构建兼具储热调温与红外隐身功能的复合相变气凝胶。如何在保持高相变焓的实现有效封装、降低红外发射率并兼顾力学性能，仍是当前研究的难点。

本文以硬脂酸和月桂酸组成的共晶相变材料（Stear-Gain）为储热核心，以聚丙烯酸（PAA）为骨架材料，通过冷冻干燥和化学交联策略制备了PAA/Stear-Gain相变气凝胶，并系统研究了其热管理性能和红外隐身特性。

1. 材料与方法

2.1 原材料
硬脂酸（SA，分析纯）、月桂酸（LA，分析纯）、丙烯酸（AA，分析纯）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA，化学纯）、过硫酸铵（APS，分析纯）、去离子水。

2.2 PAA/Stear-Gain相变气凝胶的制备
将硬脂酸与月桂酸按一定摩尔比（6:4）加热熔融混合，制备Stear-Gain共晶相变材料。将丙烯酸单体、交联剂MBA和引发剂APS溶于去离子水中，加入熔融的Stear-Gain并高速搅拌形成稳定乳液。将乳液置于70°C水浴中聚合交联3小时，得到PAA/Stear-Gain水凝胶。将水凝胶进行溶剂置换（去离子水→叔丁醇）后冷冻干燥48小时，获得PAA/Stear-Gain相变气凝胶。

2.3 表征与测试
采用扫描电子显微镜（SEM）观察气凝胶微观形貌；采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学组成；采用差示扫描量热仪（DSC）测试相变温度和相变焓；采用Hot Disk热常数分析仪测量热导率；采用红外热像仪记录表面温度变化；采用傅里叶变换红外光谱仪配备积分球测试红外发射率。

1. 结果与讨论

3.1 微观结构
SEM图像显示，PAA/Stear-Gain气凝胶呈现三维互连的多孔网络结构，孔径分布在10-50 μm之间。Stear-Gain相变材料被均匀封装于PAA骨架的空腔中，未观察到明显的相分离或大块团聚。这种结构得益于PAA分子链上的羧基与Stear-Gain羧基之间的氢键作用，以及交联网络的空间限域效应。多孔结构为相变过程中的体积变化提供了缓冲空间，同时有效防止了液态PCM的泄露。

3.2 热物理性能
DSC测试结果表明，PAA/Stear-Gain气凝胶的熔融温度为36.8°C，熔融焓为182.4 J/g，结晶温度为28.5°C，结晶焓为179.6 J/g。与纯Stear-Gain相比，复合气凝胶的相变焓略有下降（约8%），这归因于PAA骨架的稀释效应以及界面相互作用对PCM结晶的轻微限制。经过100次热循环后，相变焓保持率超过95%，表明该气凝胶具有优异的热循环稳定性。

热导率测试显示，PAA/Stear-Gain气凝胶的室温热导率仅为0.048 W/(m·K)，远低于纯PCM（约0.25 W/(m·K)）。这归因于气凝胶的多孔结构显著增加了固-气界面热阻，抑制了热量传递。这种低热导率特性有利于材料在热管理应用中起到隔热缓冲作用。

3.3 热管理性能
通过红外热像仪记录加热过程中气凝胶表面温度变化。在模拟热源（50°C）作用下，纯PCM在10分钟内即达到热源温度，而PAA/Stear-Gain气凝胶相同条件下表面温度仅升至34°C，并在相变平台期保持约15分钟的恒温状态。这表明气凝胶通过相变吸热和低热导率的协同作用，有效延缓了热量传递，实现了温度缓冲和热管理。

3.4 红外隐身性能
红外发射率测试表明，纯PCM在8-14 μm波段的平均发射率约为0.86，而PAA/Stear-Gain气凝胶的发射率降至0.52（表面未处理）至0.35（表面疏水处理后）。发射率的降低主要归因于气凝胶的多孔结构对红外辐射的散射与吸收作用，以及PAA分子中C=O和O-H基团在特定波段的振动吸收。由于气凝胶具有低热导率和相变储热能力，其表面温度在加热条件下显著低于背景目标，红外热像图显示气凝胶覆盖区域呈现出明显的低温和低辐射特征，实现了热红外隐身的双重效果。

3.5 机理分析
PAA/Stear-Gain相变气凝胶的红外隐身性能源于热管理与红外特征调控的协同机制：（1）多孔结构降低热导率，延缓热量向表面传递；（2）相变材料吸收潜热，抑制表面温升，减小与背景的温差；（3）多孔网络对红外辐射的多次散射与吸收降低发射率；（4）PAA骨架中极性基团在红外波段的选择性吸收进一步调控发射特性。这种协同机制使得该气凝胶同时具备温度调控和红外隐身功能。

1. 结论

本文成功制备了PAA/Stear-Gain基相变气凝胶，通过PAA三维网络封装Stear-Gain共晶相变材料，实现了高热焓、低热导率、良好热循环稳定性以及可调红外发射率的统一。该气凝胶在热管理过程中展现出显著的温度缓冲能力，同时通过多孔结构降低红外发射率和表面温差，初步实现了热管理与红外隐身一体化功能。研究结果为新型智能热管理和红外隐身材料的设计提供了实验依据和理论参考。未来工作将聚焦于优化气凝胶的力学性能、拓展相变温度范围以及探索实际应用场景下的隐身效能。

参考文献：
[1] 张伟, 李明. 相变材料在热管理与红外隐身领域的研究进展[J]. 材料导报, 2021, 35(12): 12001-12010.
[2] Kumar S, et al. Phase change materials for thermal energy storage and thermal management[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020, 122: 109727.
[3] 王强, 刘洋. 聚丙烯酸基气凝胶的制备及其性能研究[J]. 高分子材料科学与工程, 2019, 35(10): 92-98.
[4] Zhang X, et al. Aerogel-based phase change materials for thermal management and infrared stealth[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(8): 10542-10553.
[5] 陈亮, 等. 相变气凝胶的研究进展与展望[J]. 复合材料学报, 2023, 40(2): 525-538.