冬奥来啦 | 保暖服里的材料硬科技

中国电子报|2021-11-23 20:13:06
作者:张依依 来源:中国电子报、电子信息产业网

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穿着保暖衣服观看冰雪比赛,以往在零下二十几度室外冰雪运动场馆中被冻得瑟瑟发抖的观众们,此刻却再也不用置身于“寒风料峭”中了,而是尽情沉浸于周围的一片暖意,尽享冰雪运动带来的无穷魅力。如此温暖的观赛体验是由复合材料带来的。作为“赛道环境营造及观赛环境保障技术研究”的重要成果之一,将柔性石墨烯、气凝胶[CB1] 、叠加态等材料复合使用的新技术,能为冰雪运动提供热舒适保障,可以有效消除观众在寒冷环境下的不适感,创造出更良好的观赛体验。

提供这项保暖“黑科技”的幕后功臣,正是清华大学建筑学院副教授曹彬及其团队。曹彬在接受采访时向《中国电子报》记者表示,自己带领团队的研究课题是“赛道环境营造及观赛环境保障技术研究”。根据曹彬的介绍,课题研究以人体的热调节作为理论基础,使用暖体假人模拟真人的产热和散热过程,将暖体假人置身于不同的气象条件下,通过分析假人各个部位的表面温度和导出指标,判断人的热舒适状况。

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基于人体的热调节理论,研究团队充分考虑了观赛区的实际场景和观众的观赛行为,对热舒适保障措施的形式进行了有针对性的创新设计。曹彬向《中国电子报》记者指出,无论是哪种观赛场景,复合材料的应用都能在冰雪运动场馆的热舒适保障过程中扮演重要角色。“我们采用的复合材料中主要包括柔性石墨烯发热材料、气凝胶材料和叠加态材料。”据曹彬介绍,柔性石墨烯发热材料起效迅速,加热状态下表面温度可稳定在40摄氏度以上,温度分布均匀;气凝胶材料在同等隔热性能下,厚度约为传统隔热材料的1/3至1/5,且具备防火疏水性;标准规格的叠加态材料单位面积重量48g/m2,在相同保暖效果下,厚度相当于羽绒服的1/5。

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将加热功能与观众席进行一体化设计就是团队研发成果的一种实现场景,在这个场景中,研发人员要考虑到发热、隔热和避免能源损耗这三个方面。发热方面,曹彬向记者谈道,针对新建的冰雪运动场馆观众席,可在坐席台阶表面铺设一层具有封装外壳的坐板,外壳内装有石墨烯片,通过实时通电来发挥石墨烯的发热功能,使座板表面温度迅速提升。

在外部环境寒冷的情况下,如果要确保热量充分向人体传导,就要同时保证坐板非加热侧的隔热性能。基于这一考虑,曹彬团队在设计坐板时将气凝胶材料与石墨烯片结合使用,发挥气凝胶的隔热作用,减少热量向环境的散失。

当坐席没有观众或是观众稀少时,避免对坐席无谓加热造成能源浪费就显得十分关键。曹彬对记者表示,加热坐席会设置传感器,通过传感器可以判断是否有人坐在座位上。“只给有观众坐的座位加热,以避免热量损失和能源浪费。”曹彬说。

对于未安装固定加热坐板的场馆,依赖复合材料的热舒适保障措施要更加“可移动化”。曹彬表示,这种情况下就需要移动加热坐垫和加热衣服来为观众“保温”。其中,考虑到室外观众席可能存在化雪情况,移动加热坐垫内部又存在电子元件,所以会更注重外层材料的防水性,采用疏水材料来封装石墨烯片。对于加热衣服,使用了轻薄的叠加态材料发挥保温性能,在人体腹部和腰部等部位通过石墨烯片进行加热,同时配有微信小程序,蓝牙连接后,观众可以在手机上实时查看服装各部位的温度,并通过输入温度值,对加热效果进行快速精准调控。

基于复合材料的个体加热技术能为冰雪运动提供热舒适保障,让冰雪运动更具温度,但在曹彬看来,这些材料和技术实现的加热保温功能并不仅仅局限于冰雪运动。曹彬向记者表示,未来,复合材料和个体加热技术会更具普惠性,逐渐走向量产的加热保暖衣服等新技术产品有望为极端环境下作业的工作人员带来更多温暖与关怀。

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