蘇州納米所王錦等在自適應(yīng)熱管理方面取得系列進(jìn)展
無源自適應(yīng)熱管理技術(shù)(Passive self-adaptive thermal management)是一種無需外界能源驅(qū)動(dòng)、通過材料自身理化性能調(diào)控和設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)熱管理行為的技術(shù),包括自適應(yīng)降溫和保溫等,在極端環(huán)境人體熱管理(Personal thermal management, PTM)、建筑無源調(diào)溫系統(tǒng)以及碳減排方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。為此,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦等通過凝膠、氣凝膠及其復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了系列耐極端環(huán)境復(fù)合材料的制備、氣凝膠溫度開關(guān)、跨介質(zhì)熱管理(Cross media thermal management, CMTM)、按需熱管理(On-demand)、高低溫雙向調(diào)控等(Adv. Mater. 2023, 35, 2207638; Adv. Funct. Mater. 2023, 2300441; Macromol. Rapid Commun. 2023, 44, 2200948; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 46569; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 44849; Adv. Sci. 2022, 9, 2201190; ACS Nano 2021, 15, 19771),撰寫了基于環(huán)糊精分子的高分子設(shè)計(jì)合成策略及其在多孔材料氣凝膠構(gòu)筑方面獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的綜述文章(Prog. Polym. Sci. 2021, 118, 101408)。
集超低密度和極低熱導(dǎo)率于一體的氣凝膠在熱管理調(diào)控材料中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),然而,超細(xì)單分散氧化硅氣凝膠微球的常壓干燥制備一直是本領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,通過傳統(tǒng)的表面活性劑和乳液聚合等方面都面臨球形度低、粒徑大、粒徑分布寬等問題。為此,通過前驅(qū)體的水解度調(diào)控和復(fù)合溶劑的策略,成功實(shí)現(xiàn)了超細(xì)單分散氧化硅氣凝膠微球的一步法常壓干燥,得到的氣凝膠微球的粒徑分布主要分布在1~3 μm,可以有效地散射太陽(yáng)光,減少太陽(yáng)輻射加熱(圖1)。
圖1. 氣凝膠微球的制備示意圖、形貌表征以及與商用氣凝膠的光學(xué)性能對(duì)比
進(jìn)一步通過調(diào)控氣凝膠微球的粒徑大小及其分布、顏色,以及采用不同紅外發(fā)射率的聚合物薄膜對(duì)氣凝膠進(jìn)行封裝,成功實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的保溫或降溫,通過模擬計(jì)算使用該氧化硅氣凝膠前后用于建筑供暖和冷卻排放的CO2的當(dāng)量,可以發(fā)現(xiàn)在全球大部分氣候下,氧化硅氣凝膠微球的使用可以顯著降低CO2的排放(圖2),對(duì)助力碳減排具有一定的貢獻(xiàn)。該工作近期以Ultrafine silica aerogels microspheres for adaptive thermal management in large-temperature-fluctuation environment為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所輕量化實(shí)驗(yàn)室博士生劉玲,通訊作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦項(xiàng)目研究員和李清文研究員。
圖2. 氣凝膠微球用于建筑熱管理領(lǐng)域可以節(jié)省的二氧化碳排放量對(duì)比
此外,氣凝膠通常被認(rèn)為具有優(yōu)異的隔熱保溫性能,然而本研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),由于氧化硅氣凝膠在8-13微米波段具有高的選擇性發(fā)射率,因此其在戶外環(huán)境表現(xiàn)出強(qiáng)勁的被動(dòng)無源輻射降溫(Passive radiative cooling, PRC)現(xiàn)象。那么,輻射降溫是氣凝膠的普適現(xiàn)象嗎?為了回答這一問題,研究者合成了具有不同化學(xué)組分(氧化硅、氮化硼、石墨烯、凱夫拉、PBO、聚酰亞胺)的氣凝膠,以及具有不同微觀形貌(包括納米顆粒網(wǎng)絡(luò)、納米纖維網(wǎng)絡(luò)、納米片網(wǎng)絡(luò)和納米帶狀網(wǎng)絡(luò)等)。結(jié)果一致發(fā)現(xiàn),所有的氣凝膠在晴朗的夜間都表現(xiàn)出顯著的輻射降溫性能。該結(jié)果表明,如果氣凝膠用于人體熱管理,在戶外活動(dòng)時(shí),必須考慮輻射降溫對(duì)氣凝膠隔熱保溫的影響,否則達(dá)不到理想的熱管理目標(biāo)(圖3)。該工作近期以Universal passive radiative cooling behavior of aerogels為題發(fā)表在Journal Materials Chemistry A,并入選了Journal of Materials Chemistry A HOT Papers。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所輕量化實(shí)驗(yàn)室碩士生馬冰潔,通訊作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦項(xiàng)目研究員。

圖3. 用于輻射降溫的氣凝膠及其人體熱管理調(diào)控示意圖
對(duì)于嚴(yán)寒環(huán)境下的人體保暖,如何實(shí)現(xiàn)輕薄化是人們不斷追求的良好愿望。雖然采用優(yōu)質(zhì)的羽絨可以實(shí)現(xiàn)保暖服的輕質(zhì)化,然而通常面臨蓬松臃腫、易燃燒等問題。為此,采用具有耐1300℃高溫的柔性氧化鋁陶瓷織物為基底,通過原位聚合聚吡咯制備核-殼的功能織物,不但具有優(yōu)異的阻燃和耐極端高溫性能,還能在不同氣候狀態(tài)下,將太陽(yáng)光快速轉(zhuǎn)化成熱量,實(shí)現(xiàn)人體的被動(dòng)太陽(yáng)光供暖(passive solar heating)(圖4)。由于聚吡咯具有導(dǎo)電性,該織物又表現(xiàn)出優(yōu)異的電加熱性能(active joule heating),在3V電壓的驅(qū)動(dòng)下溫度能在數(shù)秒內(nèi)升高至32℃,通過電壓的調(diào)節(jié),其具有穩(wěn)定的梯度溫度調(diào)節(jié)能力。該雙功能主被動(dòng)供暖織物,為實(shí)現(xiàn)極寒環(huán)境下人體熱防護(hù)的輕薄化提供重要支撐。該工作近期以Conformal Structured Ceramic Textiles with Passive and Active Heating Functionality為題發(fā)表在ACS Applied Engineering Materials。論文第一作者為南京理工大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士生商苗苗和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所博士生劉玲,通訊作者為南京理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院張軒教授和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王錦項(xiàng)目研究員。

圖4. 阻熱主被動(dòng)供暖織物應(yīng)用原理示意圖、合成路線示意圖及其實(shí)物照片
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