【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，北京理工大學(xué)軟物質(zhì)力學(xué)團(tuán)隊(duì)在熱管理領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)成果以 “Beehive-Inspired Aerogels with Self-Assembled Phase Change Walls for Thermal Regulation”為題發(fā)表在國際頂級期刊《ACS Energy Letters》，并入選當(dāng)期封面論文 (Supplementary Cover)。北京理工大學(xué)空天科學(xué)與技術(shù)學(xué)院助理教授左磊與北京理工大學(xué)唐山研究院—天津理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生溫彪為共同第一作者，北京理工大學(xué)空天科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張凱教授、天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙云峰教授為共同通訊作者。

 

　　氣凝膠是一種超輕、多孔且隔熱性能優(yōu)異的熱管理材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑節(jié)能、電子設(shè)備散熱以及新能源電池?zé)岱雷o(hù)等眾多領(lǐng)域。其傳統(tǒng)設(shè)計(jì)僅聚焦于隔熱功能而未整合儲放熱特性，在應(yīng)對溫度交替變化的外部環(huán)境時(shí)，限制了其空間恒溫調(diào)控能力。通過引入相變材料可有效集成儲放熱功能，有望在同一材料體系中同步實(shí)現(xiàn)高儲能密度、強(qiáng)力學(xué)性能與優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的協(xié)同。當(dāng)前，相變氣凝膠(PCAs)的主流設(shè)計(jì)策略主要分為嵌入式與均質(zhì)化兩類：嵌入式方法需將負(fù)載微膠囊化或?qū)㈩w粒狀相變材料混合到氣凝膠基質(zhì)，但高負(fù)載條件下界面粘附力不足易導(dǎo)致力學(xué)性能降低；均質(zhì)化方法則在分子級尺度將相變材料與支撐性聚合物交聯(lián)，卻因結(jié)晶度降低限制了潛熱值。因此，如何構(gòu)建兼具穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、高潛熱與低導(dǎo)熱特性的相變氣凝膠網(wǎng)絡(luò)，已成為該領(lǐng)域亟待突破的問題。
 

　　在自然界中，蜜蜂筑巢的過程蘊(yùn)含著精妙的智慧。蜜蜂將分泌的蜂蠟放入嘴中進(jìn)行咀嚼，然后將表面混有唾液的蜂蠟顆粒堆積到蜂巢壁上，最后用腹部壓實(shí)蜂窩壁，賦予蜂巢穩(wěn)固的形態(tài)。而且，蜂蠟還能被回收再利用以再造新巢，實(shí)現(xiàn)資源的閉環(huán)循環(huán)。張凱教授在攻讀博士學(xué)位期間對蜂窩力學(xué)及構(gòu)型演化機(jī)制進(jìn)行了深入研究，前期工作也發(fā)表在了國際知名期刊PNAS1以及Journal of The Royal Society Interface2等。
 

　　基于研究團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ)，受天然蜂窩啟發(fā)，提出一種新型仿生相變氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法及制備技術(shù)。該方法，利用相變材料模擬“蜂蠟顆粒”，以聚合物“粘結(jié)劑”模擬經(jīng)咀嚼后在蜂蠟表面附著的“天然黏合劑”，以冰模板法模擬蜜蜂用腹部壓實(shí)蜂窩壁的過程，最終基于自組裝方式構(gòu)筑了相變氣凝膠(圖2 a-b)。所制備材料兼具高潛熱和低熱導(dǎo)率，并表現(xiàn)出優(yōu)異的抗壓性能，解決了相變氣凝膠力學(xué)性能與儲能之間難以協(xié)同的難題。(圖2 c-e)。
 

圖2 仿生相變氣凝膠的設(shè)計(jì)原理、實(shí)現(xiàn)方法及力-熱性能
 

　　本研究模擬驗(yàn)證了建筑物中該新型相變氣凝膠的恒溫調(diào)控能力(圖3)。研究發(fā)現(xiàn)，基于“隔熱+儲熱”一體化機(jī)制的相變氣凝膠，實(shí)現(xiàn)了長達(dá)24小時(shí)的接近恒溫調(diào)控，效果顯著優(yōu)于商業(yè)氣凝膠。此外，該相變氣凝膠具有與蜂窩類似的可循環(huán)利用特性，為其在建筑等領(lǐng)域、航天熱防護(hù)、冷鏈物流等領(lǐng)域可持續(xù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
 

圖3 仿生相變氣凝膠(PCA)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用
 

　　該研究得到了國家自然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目以及天津市自然科學(xué)基金的經(jīng)費(fèi)支持。