孟 醒 李 俊 徐林楠 张学军 方 涛

（北京航天试验技术研究所，北京100176）

氢气是无污染清洁能源，具有燃烧热值高，来源广泛，可再生等优点，广泛应用于石油化工、电子、医疗、医药、航空等领域。但氢的爆炸极限宽泛，为4%-75%，遇明火即可发生强烈爆炸。同时，氢分子很小，在生产、运输和储存过程中极易发生泄漏[1]。因此，在氢的储存和运输中，需要密切关注氢泄漏的发生和防范[2]。

目前广泛使用的氢泄露检测技术是氢气体浓度传感器，且集中于半导体型、电热型、光学型、电化学型[1]。但这些传感器对泄漏点的具体位置定位能力有限，只能提供一个大概的范围，想要对泄漏位置进行定位，需要检测人员对整个系统进行排查，耗时耗力，不适用于大范围氢泄露检测和中大型氢系统的维护工作[3]。

因此，发展和应用具有原位实时监测和泄漏点定位能力，同时灵敏度高、价格低廉、制作工艺简单的氢泄漏检测手段，是能填补国内技术空白，满足氢资源安全利用以及氢能产业发展与推广的迫切需要，具有广阔的应用前景。

1 TRIZ 理论

前苏联科学家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）及一批研究人员，在研究分析250 万件技术专利的基础上，提出了一种创新问题解决系统化方法TRIZ[4]。TRIZ 理论是一种综合创新体系，着重于解决发明中产生的种种矛盾冲突，从而找到优化解，问题解决路线如图1 所示[5]。在TRIZ 理论中，通常将创新设计中的问题抽象为矛盾问题并解决，主要研究的对象是技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾即为系统中某参数得到改善的同时其他的参数恶化；物理矛盾即对同一项参数的两种不同需求。在解决这两种矛盾时，可采用由40 条发明原理以及39 个技术参数构成的矛盾矩阵表来解决技术矛盾；用4 个分离原则和11 个分离方法来解决物理矛盾[6]。

图1 TRIZ 理论解决问题的一般过程

2 基于TRIZ 的氢敏变色活性材料设计方案

2.1 问题描述

本项目目标为设计开发一种基于氢敏变色的氢泄漏原位检测产品，运用化学物质气致变色的原理，实现对氢泄漏位置的快速可视化定位。其原理为具有氢敏变色活性的材料在与氢气发生接触时，材料自身的化学组成发生变化而引起材料颜色发生变化，由介于黄色和米色之间的颜色变为蓝色，且随着与氢接触时间的延长，蓝色会愈发变深。同时本材料具有“可逆”的特点，变色后可在无氢环境下与空气中的氧气反应，慢慢恢复至原有颜色。

但在研发初期存在材料变色后在空气中褪色过快的问题，大约3-4 分钟即褪色完全，可能无法被工作人员及时发现，存在泄漏点遗漏的风险。而预期目标是变色效果可以保留至少24个小时，让工作人员在一个工作日中任何时间均可观测到材料变色。

2.2 问题分析

结合TRIZ 理论，对褪色过快问题进行分析。

首先对氢泄露监测系统进行功能分析，明确系统中存在的主要部件和相互作用，有助于对问题的剖析和解决。由图2 可见，监测系统由氢敏变色活性物质及其与氢反应产物、管路接口、可能存在的泄漏点、氢气、外部空气，以及工作人员组成。外部空气对活性物质与氢反应产物的有害作用是导致变色效果褪色过快的核心作用。

图2 氢敏变色活性材料氢泄露监测系统功能分析图

对核心问题：材料变色后褪色过快，进行因果分析，如图3所示。经分析可知材料变色后褪色过快会导致泄露点被遗漏的结果。由功能分析可知，应考虑外部空气的有害作用对根原因进行剖析，最终得到三个根原因：反应产物还原性强，核心元素原子半径大,失电子能力强；环境中氧气充足，材料与氧气接触充分；活性物质粒度小,比表面积大。

图3 核心问题因果分析图

2.3 设计方案

对因果分析得到的三条根原因分别进行了技术矛盾、物理矛盾及物场分析，参考创新原理及标准解，提出了多项创新技术方案。

根原因1：反应产物还原性强，核心元素原子半径大,失电子能力强

针对根原因1 存在技术矛盾，目前材料可以与氢气迅速反应并变色，但与此同时，材料与氧气反应也十分迅速，褪色过快，大约3 到4 分钟即可褪色完成。因此，改善的通用工程参数是速度，恶化的通用工程参数有信息损失和可靠性。如表1，查阅矛盾矩阵，可以参考的创新原理有反向作用原理、复制原理、事先防范原理等。

表1 矛盾矩阵简表

于是，参考其中三项创新原理提出了三项创新方案，分别是：

方案1（参考复制原理）：在材料附近安装摄像头，实时记录下氢敏材料的颜色状态，定期派工作人员核查监控录像，观测是否有变色情况发生；

方案2（参考机械系统替代原理）：在材料附近安装光敏传感器，观测到氢敏材料发生变色即开启警报；

方案3（参考物理或化学参数改变原理）：用还原性更弱的化合物替换现有活性物质化合物，削弱变色产物与氧气的反应能力。

根原因2：环境中氧气充足，材料与氧气接触充分

针对根原因2，系统中存在物理矛盾，对于材料与氢反应后的变色效果，既希望它可以保留，供工作人员检查，修复泄漏点，也希望它可以褪去，实现材料的反复利用，经济环保。

经过分析，针对材料变色效果的两种需求可以以时间节点划分，分别是工作人员发现前希望效果保留，工作人员发现后希望效果褪去。因此选择时间分离原理解决问题，可以参考的创新原理有：预先反作用原理、预先作用原理、事先防范原理等。参考其中三项创新原理提出了三项创新方案，分别是：

方案4（参考预先作用原理）：添加抗氧化剂，从而延缓变色产物与氧气反应的速率；

方案5（参考事先防范原理）：在变色材料外粘贴透明胶带,隔绝变色材料与空气接触，从而隔绝了变色产物与氧气反应的可能性；

方案6（参考减少有害作用时间原理）：提高工作人员检查频率，避免发生在材料褪色后才开始检查。

接下来，从微观角度对系统进行物场分析，其中相互作用的元素分别是氧气、活性物质与氢反应后的产物。他们之间既存在有效作用，又存在有害作用。针对这种模型参考标准解1.2.1引入外部物质，如图4 所示，又提出了一条创新方案：

方案7：在管路周围创造惰性无氧环境，避免变色产物与氧气接触，从而使变色效果保留。

图4 针对根原因3 的物场矛分析

根原因3：活性物质粒度小,比表面积大

针对根原因3，系统中存在物理矛盾，对于活性物质的粒度尺寸，既希望粒度小一些，比表面积大，可以迅速与氢气反应；同时也希望粒度大一些，比表面积小，与氧气反应慢一些。这两种需求可以根据条件进行分离，即是否已与氢气发生反应。因此选择了条件分离原理，从推荐的创新原理中选择了局部质量原理，提出了一条创新方案：

方案8：将粒度小和粒度大的活性物质混合，均加入橡胶基底中，小尺寸颗粒具有较大的比表面积，可以迅速与氢反应，因此可以保证材料遇氢后可迅速反应变色；大尺寸颗粒具有较小的比表面积，理论上与氢气或氧气反应都慢于小尺寸颗粒，因此可以延长材料与氧气反应的褪色过程，使变色效果保留时间延长。

2.4 创新方案评估与遴选

参考创新原理及标准解，共提出了八项创新技术方案。对创新方案分别从综合成本、可实施性、使用效果和创新性四个角度进行评估，将分案划分为三个等级：好、一般和暂不使用。具体方案及评估见下表：

表2 创新方案汇总与评估

（1）方案1：在材料附近安装摄像头，实时记录下变色过程。

（2）方案2：在材料附近安装光敏传感器，发生变色即开启警报。

方案1 和方案2 运行成本高，需要在粘贴氢敏材料的管路接口附近都安装摄像头或光敏传感器，数量庞大；且接口位置大多形状复杂，摄像头很难全方位记录下氢敏材料的变色情况。因此评价为暂不使用。

（3）方案3：用还原性更弱的化合物替换现有活性物质化合物。因此采用变色化合物核心元素同族上一周期的元素做新型变色化合物，其氧化性比原化合物更强，即与氢气反应能力更强，同时还原性减弱，即与氧气反应能力减弱。试验后发现由新型化合物制作的变色材料仍可在遇氢一分钟内迅速反应变色，但褪色时间明显延长，由改进前的三分半延长至两天褪色完全。

（4）方案4：添加抗氧化剂。此方案经实验证明，效果不明显。空气中含有大量的氧气，抗氧化剂的存在并不能减缓氧气与变色产物的反应。因此此方案评价为暂不使用。

（5）方案5：在变色材料外粘贴透明胶带，隔绝与空气接触。此方案经实验证明，通过隔绝材料与空气的接触，确实可以延缓材料变色效果的褪色时间。但操作过程复杂，并不是最优选择，可作为备选方案。

（6）方案6：提高工作人员检查频率。当前材料变色效果在无氢环境中大约3-4 分钟即褪色完全，通过提高工作人员检查频率来确保观测到所有变色情况难以实现，因此此方案评价为暂不使用。

（7）方案7：在管路周围创造惰性气体环境，避免材料与氧气反应。此方案实现难度较大，且成本较高。大部分氢气传输管道及储存设备均在露天环境中使用，因此不具备在管路周围创造惰性气体环境的条件。因此此方案评价为暂不使用。

（8）方案8：将粒度大和粒度小的活性物质混合加入橡胶基底。此方案经实验证明，效果不明显，没有延缓材料变色效果的褪色时间。因此此方案评价为暂不使用。

2.5 最优方案实施效果

第三条创新方案：用还原性更弱的化合物替换现有活性物质化合物，成功解决了氢敏变色材料褪色过快的问题。改进前后材料变色效果及褪色时长如下图5 所示，改进前后材料均可在遇氢一分钟内迅速反应并变色，但改进后的材料褪色时间明显延长，由改进前的三分半延长到两天褪色完全。

图5 改进前后材料变色效果及褪色时长展示

如图6 所示，氢敏变色材料包裹在通有氢气的管子上，且管子上有一个泄漏点。氢敏变色材料仅在泄漏点一个位置发生颜色变化，且颜色对比明显，由此可见本材料确实可以指示泄漏点具体位置。如图7 所示，材料具有良好的韧性和粘性，可以紧密的包裹在管路接口处，对氢气的泄露情况进行监测。

图6 氢敏变色材料泄漏点指示能力

图7 氢敏变色材料使用效果展示

3 结论

氢敏变色活性材料是一种直观的可视化氢辨识手段，开拓了一种新型氢泄漏检测方法，成功弥补了国内市场上其他传统氢泄漏检测产品的缺陷，实现了泄露位置的迅速发现和精确定位，大大降低了后期寻找泄漏点时间、人力成本。目前氢敏变色活性材料的开发工作已完成，材料性能参数方面技术难题已一一攻破，进入产业化阶段，处于成长期前期。接下来将参考TRIZ理论中的产品进化法则，继续利用氢敏变色的原理开发一系列新型产品。本项目研发过程中借助TRIZ 工具解决了重要的技术难题，成功改善了氢敏变色材料的监测效果，研发出符合预期要求的产品，表明TRIZ 创新理论和方法对创新问题的解决有着很大的指导意义。