佟 玫， 張雅麗， 唐世君

(軍事科學院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010)

目前，軍隊在極寒地區(qū)的防寒服裝主要是皮大衣、皮褲、皮帽和毛皮鞋、外套靴，官兵在-30～45 ℃的環(huán)境下，執(zhí)行巡邏、潛伏等任務(wù)時，人體與環(huán)境的溫差可達70 ℃，單靠傳統(tǒng)防寒服裝難以滿足保暖要求，需要研制一款能夠主動制熱的服裝，有效合理利用體外的能量(如電能、太陽能、化學能等)在服裝內(nèi)轉(zhuǎn)換成熱能，以達到對身體加熱保暖的目的。此加熱服可減少官兵在極冷環(huán)境條件下著裝的厚度和質(zhì)量，提高人體著裝的舒適度和靈活性[1]。

根據(jù)外接熱源的不同，加熱服主要分為電加熱服、化學加熱服、相變材料加熱服、流體加熱服和太陽能加熱服[2-3]5種。其中，化學加熱防寒服溫度不可控，易發(fā)生化學泄露；相變材料受相變溫度的影響使用范圍受限，在極端情況下無法達到加熱保暖效果[4]；流體加熱裝置較復雜且限制人體活動；太陽能加熱成本較高，且受太陽光強度的制約無法持續(xù)為人體供熱[5]。電加熱防寒服因其發(fā)熱速度快，散熱均勻性好、效率高[6]等特性成為學者研究的熱點。文中采用電熱技術(shù)研制一款面向邊防部隊的電加熱服，主要研究其發(fā)熱載體的舒適性、電池使用的實效性(耐低溫、充放電時間)、著裝后的舒適性和紅外偽裝效果。

1 電加熱服的研制

電熱服是利用電能驅(qū)動衣服內(nèi)電熱元件工作的一類服裝的總稱，一般由電源、發(fā)熱元件、控溫裝置和安全保護裝置等構(gòu)成，相互之間通過導線連接[7-9]。根據(jù)電加熱服的結(jié)構(gòu)特點和部隊的勤務(wù)需求，擬研制的加熱服裝主要由3部分組成，即背心、發(fā)熱載體和電池及其配套電子產(chǎn)品，重點開展了服裝結(jié)構(gòu)、發(fā)熱載體和高分子鋰電池的研究[10]。

1.1 服裝結(jié)構(gòu)

加熱服采用西服背心款式，前身2個挖袋，袋口用尼龍搭扣結(jié)合，用于攜帶電池，左胸部設(shè)一假挖袋。加熱服是公用物資，采用這種款式不僅方便貼身穿著，提高保暖效率，而且可以與冬作訓服、冬常服配套穿用，提高應(yīng)用率。背心腋下兩側(cè)采用5 cm寬的羅紋布，使每一型號的衣服胸圍有一定的調(diào)節(jié)量，盡可能滿足不同胖瘦人群穿用。

背心面料采用毛滌嗶嘰，里子采用防靜電滌絲綢里子布。里子后背中間處橫向設(shè)一隱形拉鏈，以此為界，上下分別設(shè)有一個口袋，用于安裝加熱載體，袋口用尼龍搭扣系合。背心前身腹部左右分別設(shè)有一個暗袋，大小與腹部加熱片一致。背心外形及安裝示意如圖1所示。

圖1 背心外形及安裝示意 Fig.1 Outline and installation diagram of vest

由于加熱背心屬于公用物資，號型設(shè)置不能過多，因此設(shè)計了3個號型，分別為165～170，175，180～185，胸圍分別對應(yīng)92～96,96～100,100～104 cm。

1.2 發(fā)熱載體

發(fā)熱載體是電熱服最重要的元件之一，要符合人體穿著需要，具備柔軟透氣、無異物感，發(fā)熱效率高，便于拆裝等特性。

1.2.1發(fā)熱材料的選擇 現(xiàn)有發(fā)熱材料主要有3類：金屬發(fā)熱材料(金屬絲或金屬片)、電熱膜(碳基油墨或涂層)和碳纖維發(fā)熱材料[11]。金屬發(fā)熱材料一般質(zhì)地較硬，不易彎曲，不能同人體很好地貼合，不適用于紡織服裝產(chǎn)品。電熱膜容易加工、成本較低，但手感太硬，透氣性差易使人產(chǎn)生悶熱感，一般應(yīng)用于發(fā)熱地板等[12]。目前應(yīng)用較普遍的是碳纖維及石墨烯纖維材料，碳纖維發(fā)熱元件靈活、質(zhì)輕、耐用、可洗且具有較好的電能轉(zhuǎn)換率，便于嵌入服裝中使用[13-14]。

1.2.2發(fā)熱載體的設(shè)置 發(fā)熱元件通常布置在前胸、前腹、后腰、后背、關(guān)節(jié)等人體熱敏感部位[1]，本款加熱服在后背和前腹部設(shè)置發(fā)熱元件。其中背部加熱片內(nèi)置3塊發(fā)熱元件，由導線并聯(lián)；2個腹部加熱片各內(nèi)置1塊發(fā)熱元件。加熱載體的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 加熱載體結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of heating carrier

1.2.3發(fā)熱載體發(fā)熱效果測試 電源一般采用12 V以下人體安全直流電壓，電熱服裝正常工作電壓設(shè)置為7.4 V，每個發(fā)熱元件的電阻為28 Ω，背部、腹部發(fā)熱片的發(fā)熱功率分別為5.8，2.0 W，整個發(fā)熱載體的最大發(fā)熱功率為9.8 W。在25 ℃模擬環(huán)境下，施加7.4 V直流電壓，測試發(fā)熱載體的溫度變化。發(fā)熱載體的溫度變化曲線如圖3所示。結(jié)果表明發(fā)熱載體升溫速度快且能穩(wěn)定在72 ℃左右。采用紅外熱像儀觀察發(fā)熱載體的溫度均勻性[15]，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，發(fā)熱載體升溫比較均勻，無局部熱島現(xiàn)象，避免了連接結(jié)點局部過熱而燒壞服裝或者燙傷人體的問題。

圖3 發(fā)熱載體的溫度變化曲線 Fig.3 Temperature curve of heating carrier

圖4 紅外熱像儀實測過程Fig.4 Measurement process of infrared thermal imager

1.3 高分子鋰電池

鋰離子以其高能量密度、高工作電壓、長循環(huán)壽命、環(huán)保安全等優(yōu)點，在便攜式電子產(chǎn)品中得到普遍使用。目前市場上傳統(tǒng)的電池材料和電壓平臺，對電池的能量密度提升比較緩慢，因此有必要研發(fā)一種耐低溫高分子鋰電池。

1.3.1技術(shù)需求 根據(jù)7.4 V，4 A電池使用特點，確定該系列電池應(yīng)該具備如下要求：具有較高的質(zhì)量比能，良好的-40 ℃低溫放電能力和循環(huán)充電次數(shù)。因此，規(guī)定了組成該電池的單電芯技術(shù)指標，具體見表1。

表1 單電芯技術(shù)指標要求

1.3.2提高電池性能的技術(shù) 采用獨有的負極技術(shù)，結(jié)合創(chuàng)新的極片制作工藝，從而提高電池能量密度；采用第4代電解液，能更好地匹配高壓實高能量負極材料，提升倍率性能和循環(huán)壽命。

根據(jù)-40 ℃低溫放電的要求，在配方設(shè)計上提高了導電劑的含量，改善活性物質(zhì)的導電性；選用較大比表面積的正極顆粒材料，提高電子和離子導電能力；采用黏結(jié)性較好的黏結(jié)劑，減小顆粒之間的絕緣性；采用超低溫型電解液、軟包裝疊片設(shè)計，減小電池內(nèi)阻，增加電池的比能量。改進后的電池，低溫放電性能由-20 ℃放電70%提高至-40 ℃放電80%。

根據(jù)軍人執(zhí)勤時長和服裝使用時間計算，電池充電時間需不超過1.5 h，循環(huán)壽命應(yīng)達800次以上，因此電池必須同時具有更高的倍率性能和長壽命性能。這些與材料選擇、混料方式、電極配方、隔膜、電解液等有關(guān)。選擇磷酸鐵鋰和負極材料制成電池后，可進行高倍率充放電，且具有較高的穩(wěn)定性。電極配方中，采用黏結(jié)性較好的黏結(jié)劑可降低其含量；采用較小粒徑的導電劑、同時增加導電劑的含量，可延緩活性物質(zhì)容量的衰減。經(jīng)實驗驗證，采用孔隙率高、強度大的某型號隔膜可明顯提高倍率放電性能和循環(huán)性能。電解液配方中添加了專用導電添加劑，有效提高了電解液的離子導電能力和高倍率充放電條件下的電池壽命。任選兩個高比能軟包電池測試其循環(huán)次數(shù)的實驗，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，高比能軟包電池性能相對穩(wěn)定。

圖5 兩個高比能軟包電池1 C 100%DOD充放電循環(huán)曲線 Fig.5 1C 100%DOD charge-discharge cycle diagram of two high specific energy soft batterys

除此之外，對電池的安全性能也進行了相關(guān)研究，包括電池過充電、過放電、短路、擠壓和跌落實驗5個方面，總體而言，該系列電池達到了安全、快充放、高比能量密度的技術(shù)要求，具體情況見表2。

表2 電池主要技術(shù)指標完成情況

2 部隊試穿實驗

部隊適應(yīng)性實驗是衡量科研成果綜合性能和質(zhì)量最直接、最真實、最有說服力的方法。因此，本項目在研究過程中，針對發(fā)熱材料性能、服裝尺寸結(jié)構(gòu)、電池性能和冬服配套性能等要求，組織進行了部隊適應(yīng)性實驗。

2.1 試穿實驗組織安排

試穿所處地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市境內(nèi)，該地區(qū)屬于寒溫帶大陸性氣候，冬季寒冷漫長，冬季最冷月在-18～ -30 ℃之間，試穿的第1個月最高氣溫為-18 ℃，最低氣溫為-41 ℃。發(fā)放加熱背心60件，安排3個單位共60名官兵承擔此次試穿任務(wù)。

實驗前，為參加試穿的官兵講解了加熱服裝的性能特點和使用方法，并對試穿提出了具體要求，提供了試穿實驗大綱。試穿部隊在營執(zhí)勤、邊防潛伏、邊防巡邏等不同作訓環(huán)境條件下進行試穿實驗。

2.2 現(xiàn)場人體測溫實驗

針對部隊穿著時的任務(wù)要求，進行野外條件下的服裝表面紅外測溫實驗。采用多點溫度測量儀和紅外熱像儀，測試加熱服裝在全套冬服配套穿著條件下各層服裝的表面溫度變化，研究加熱條件下對冬服紅外隱身的影響，分析官兵在潛伏、站崗等執(zhí)勤條件的紅外泄露情況。

2.2.1現(xiàn)場實驗方法

1)環(huán)境溫度： 實驗環(huán)境溫度設(shè)置為 -40 ～

-35 ℃。

2)實驗儀器：ZJ1064便攜式溫度采集儀，眾佳科技有限公司制造；Ti450紅外熱像儀，福祿克測試儀器(上海)有限公司制造。

3)服裝配套：參試人員分兩組，分別為實驗組、對比組。冬服穿著配套品種見表3。

表3 兩組受試者穿著配套品種

4)溫度傳感器安放位置： 在背部對應(yīng)加熱服的位置。分別于秋衣外側(cè)、絨衣外側(cè)和棉衣外側(cè)設(shè)置3個溫度傳感器，同時研究人員手工測試環(huán)境溫度。各測量位置對應(yīng)的傳感器編號見表4。

表4 各測量位置傳感器編號

5)主觀感覺心理量值測試： 人體的主觀冷暖感覺量值見表5。在現(xiàn)場對比實驗過程中，研究人員每30 min詢問一次被測試人員的主觀冷暖感受，并填寫在相應(yīng)表格上。

表5 人體主觀冷暖感受等級表

Tab.5 Grade table of human subjective cold and warm sensation

6)冬服配套各層溫度變化的測試： 實驗組和對比組按照表3的配套穿著服裝，在相應(yīng)位置安放好傳感器，在環(huán)境溫度低于-35 ℃的室外雪地中執(zhí)行站崗任務(wù)。溫度采集儀每10 s采集一組溫度數(shù)據(jù)，研究人員每10 min用紅外熱像儀測量一次服裝表面溫度(正反面)，同時每30 min填寫一次冷暖主觀感受值，實驗時間為1 h。鑒于文章篇幅有限及研究需要，只記錄11個不同時間段衣內(nèi)各點溫度數(shù)據(jù)，具體見表6。

7)不同勤務(wù)狀態(tài)下人體紅外泄露分布研究： 實驗組和對比組按表3配套穿著服裝，分別模擬雪地潛伏和雪地站崗兩種勤務(wù)狀態(tài)，研究人員用紅外熱像儀從不同角度檢測服裝表面的紅外熱圖像，以分析不同部位的熱泄露情況。

表6 不同時間段衣內(nèi)各點溫度

2.2.2實驗結(jié)果分析

1)衣內(nèi)溫度對人體冷暖感覺的影響。從表6數(shù)據(jù)可以看出，實驗開始后，穿著加熱服的實驗組衣內(nèi)溫度快速上升，在10 min時達到最高值，與對比組秋衣外側(cè)的溫度(1#和9#傳感器)相差16.1 ℃。隨著熱平衡的發(fā)展，衣內(nèi)溫度緩慢下降，到60 min時，實驗組溫度仍在43 ℃左右，比對比組溫度高12.6 ℃。在60 min時，對比組的人體感覺已經(jīng)達到寒冷的耐受極限，而實驗組還處在較為舒適的狀態(tài)，具體見表7。

表7 不同時間段人體的冷暖感覺

Tab.7 Cold and warm feeling of human body in different time periods

2 )加熱服對衣服表面溫度的影響。實驗開始與結(jié)束時的紅外熱像如圖6和圖7所示。從表6的數(shù)據(jù)可以看出，第60 min熱平衡時，3#與11#傳感器的溫差即棉衣外側(cè)溫度差為6 ℃;從紅外熱像圖6和圖7可以看出，在實驗開始和結(jié)束時，兩組之間最外層服裝表面溫度基本一致。因此，在冬服多層配套的穿著條件下，衣內(nèi)的熱量很難傳遞到外層服裝，對外層服裝表面溫度的影響極小。

圖6 實驗開始時的紅外分布Fig.6 Infrared distribution at the beginning of the experiment

圖7 實驗結(jié)束時的紅外分布Fig.7 Infrared distribution at the end of the experiment

3 ) 不同姿勢人體對紅外輻射量的影響。為研究不同勤務(wù)條件下人體姿勢對紅外輻射的影響，參試人員按照表3的配套穿著，分別以站姿、坐姿和潛伏狀態(tài)進行實驗。人體不同狀態(tài)下的紅外熱像如圖8所示。

(a)站姿

(b)坐姿

(c)潛伏時前部

(d)潛伏時后部圖8 人體不同狀態(tài)的紅外熱像Fig.8 Infrared thermal imaging of human body in different states

從圖7～圖8可以看出，人體各部位的散熱量明顯不同。站姿條件下，人體頸部、腋下、小腿和腳部散熱量明顯較大；坐姿條件下，人體頸部、腋下、腰部、腳部散熱量較大；潛伏條件下，從前面觀察，頸部和腳踝處散熱顯著，從后面觀察，腋下、腰部和腳部散熱明顯。說明這些部位保暖不夠，也證明這些部位的散熱對紅外偽裝影響巨大，遠遠超出加熱服裝對紅外偽裝的影響。

2.2.3實驗結(jié)論 由上述實驗過程及結(jié)果分析可以得出，加熱背心對寒冷條件下人體的輔助保暖效果明顯，可以大大延長官兵的野外執(zhí)勤時間。影響單兵中遠紅外偽裝的因素主要有溫度和材料的發(fā)射率，加熱服對厚型的冬服外表面溫度影響較小，不會顯著影響紅外偽裝效果；同時通過紅外熱像儀的觀察研究，現(xiàn)行冬服配套的局部保暖性能不平衡，需在今后加以改進。

3 結(jié) 語

電加熱服由發(fā)熱載體、服裝和電池等構(gòu)成，相互之間通過導線連接。發(fā)熱載體布置在后背、前腹部，可拆卸，可水洗。服裝是背心結(jié)構(gòu)，兩腋下側(cè)縫采用羅紋材料，適合不同體型人員穿用。電池具有溫度保護、電流控制功能及3檔電壓脈沖輸出，穿用者可以根據(jù)保暖需要調(diào)節(jié)發(fā)熱功率。經(jīng)過部隊試穿實驗，加熱背心在寒冷條件下對人體的輔助保暖效果明顯，全功率發(fā)熱時間大于2 h，衣內(nèi)表面溫度不低于 50 ℃，能夠有效滿足官兵需求；加熱服對厚型的冬服外表面溫度影響較小、不會顯著影響紅外偽裝效果；但現(xiàn)行冬服配套的局部保暖性能不平衡，需在今后加以改進。