双相变材料集成帽在极端高温下的热防护性能数值评估及其应用研究

为解决极端高温环境下穿戴式头部防护装备热调节不足的问题，研究人员通过数值模拟研究了集成RT-27和Capric Acid双相变材料(PCM)的帽子设计。结果表明，该设计在40°C和50°C环境下可维持内层温度低于环境6–14°C，RT-27提供快速冷却(155分钟/108分钟熔化)，Capric Acid延长保护时间(230分钟/133分钟)，结合羊毛-棉绝缘层显著延缓热传递。这项研究为无源可穿戴冷却系统在高温作业、军事及运动领域的应用提供了新思路。

　　

随着全球极端高温事件频发，户外工作者、运动员和军事人员面临严峻的热应激风险。传统头部防护装备如头盔存在重量大、透气性差等问题，而普通纺织帽子缺乏持续热调节能力。相变材料(PCM)因其在相变过程中吸收/释放潜热的特性，成为可穿戴热管理的研究热点。然而，现有研究多集中于刚性头盔的PCM应用，对轻量化纺织基头戴设备的探索不足，且缺乏对多PCM协同作用机制的系统分析。

针对这一技术空白，研究人员通过数值模拟方法，创新性地设计了集成两种PCM（Rubitherm RT-27和Capric Acid）的三层结构帽子。研究采用基于焓-孔隙率法的三维瞬态模型，通过ANSYS Fluent 2024R1软件求解控制方程，设置40°C和50°C两种环境温度条件，对比分析了两种PCM的熔化行为、温度调控能力和能量存储特性。

物理模型设计
帽子采用直径18cm的球形结构，包含三层：外层和底层为0.5mm厚羊毛-棉混纺面料，中间层为3mm厚的PCM层。这种结构既保证穿戴舒适性，又通过外层材料延缓外部热量传递。

数学建模方法
研究采用焓-孔隙率法捕捉固液相变界面，通过液体分数γ（0-1）表征相变过程。控制方程包括连续性方程、动量方程（含Boussinesq近似）和能量方程，并引入熔融糊状区参数A_mush处理固液混合区流动阻力。总能量存储通过包含显热和潜热的焓方程计算：H = h + ∫C_pdT + γL_h。

关键研究发现

1. 相变动力学差异
   RT-27在40°C下155分钟完全熔化（50°C时108分钟），其快速相变归因于较低熔点（27°C）和179kJ/kg的潜热；而Capric Acid因更高熔点（32°C）和152.7kJ/kg潜热，熔化时间延长至230分钟（40°C）和133分钟（50°C）。这种时间差形成互补效应——RT-27提供即时冷却，Capric Acid维持长效防护。

2. 温度调控性能
   在40°C环境中，双PCM系统使帽子内层温度稳定在26-32°C区间长达230分钟。其中RT-27熔化阶段温度平台出现在27-29°C，Capric Acid则维持在31-32°C。当环境升至50°C时，内层温度仍能控制在28-36°C，显著低于常规纺织帽。

3. 能量存储特性
   RT-27在40°C吸收130kJ/kg能量后达到饱和，而Capric Acid可存储139kJ/kg，其额外9kJ/kg的容量对应更长的冷却持续时间。羊毛-棉绝缘层将热流密度降低至2.88W/m²K，进一步延长PCM有效工作时间。

4. 与传统方案的对比优势
   相较于Nagaraju等研究的PCM头盔（150-175分钟冷却），本设计的纺织基帽子将保护时间延长30%；与Ghani报道的强制对流PCM系统相比，被动设计实现相近的10°C温降但无需额外能耗。

研究意义与展望
该工作首次系统评估了纺织基头戴设备中双PCM的协同作用机制，证实通过材料选择和结构设计可实现4小时级别的被动热防护。轻量化（总重<200g）和柔性特征使其特别适合运动、军事等动态场景。未来研究可结合纳米增强PCM（如NPG+CuO）和主动通风，进一步提升极端条件下的性能。

这项发表于《Results in Engineering》的研究，为开发下一代智能热防护穿戴设备提供了重要理论基础和设计范式，对预防热射病、提高高温作业效率具有显著应用价值。