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神奇材料在哪里——探秘柔性熱管理材料

文章來源：中國化工報更新時間：2024-11-29 11:56:11

讓衣物既能在冬日里保暖又能在酷暑時降溫，讓房屋不用空調(diào)就可以加熱或者制冷……滿足這些神奇現(xiàn)象的新材料也許在將來就可以出現(xiàn)。憧憬這些的是南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院馬儒軍教授，他憑借柔性主被動固態(tài)熱管理、多功能柔性熱電材料和器件的研究成果，于11月17日獲得第十八屆中國青年科技獎。在獲得這項由錢學(xué)森等老一輩科學(xué)家提議設(shè)立的獎項后，馬儒軍接受了《中國化工報》記者的獨家采訪。

　　藏在衣物里：柔性主動固態(tài)熱管理材料

　　“主動制冷的概念很簡單，比如我們夏天使用的空調(diào)、保存食物的冰箱都是主動制冷技術(shù)。”馬儒軍介紹說。柔性主動電卡效應(yīng)固態(tài)熱管理材料是馬儒軍及其團(tuán)隊的最新研究成果，它是由含氟的三元共聚物材料組成。

　　馬儒軍和合作者共同將這種材料與柔性太陽能器件組合，制成個人體溫調(diào)節(jié)衣物系統(tǒng)，能將人體熱舒適區(qū)擴(kuò)大3倍，即從22℃~28℃擴(kuò)展到12.5℃~37.6℃。這項研究成果也成功登上了國際頂級期刊《科學(xué)》。

　　“熱舒適區(qū)擴(kuò)大的意義很重要。在晝夜溫差極大或生存環(huán)境惡劣的地區(qū)，比如南北極或者月球上，如何僅利用衣物就讓人體的體溫保持在舒適的溫度區(qū)間，這是我們一直在尋求的答案。試想用這種材料制成超薄的宇航服，航天員在離開地球表面后只需要太陽照射就可以自如地在外太空行走，是件多么美妙的事情。”馬儒軍補充說。

　　馬儒軍進(jìn)一步解釋了該系統(tǒng)的工作原理，它能夠根據(jù)環(huán)境溫度變化快速響應(yīng)，其中柔性太陽能器件吸收太陽光能量后，驅(qū)動高效的電卡熱管理器件，使柔性主動固態(tài)熱管理材料雙向調(diào)節(jié)溫度，在太陽光下降溫，在黑暗中保暖。此外，該系統(tǒng)的能耗低、效率高，只需12小時的太陽光能量輸入，便可實現(xiàn)24小時的雙模式體溫調(diào)節(jié)。

　　這一高效且具有主動性的雙向人體柔性熱管理系統(tǒng)，在體溫調(diào)節(jié)領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景，但仍有許多重要的技術(shù)問題有待解決，比如如何進(jìn)一步提升熱管理效果、制成更大尺寸的服裝，需要研發(fā)新的更高效率的太陽能材料器件與電卡材料器件等。

　　貼在房屋外墻上：柔性被動固態(tài)熱管理材料

　　“穿著厚羽絨服、戴棉帽子的行為可以理解為被動熱管理，房屋的內(nèi)外墻保溫也是一種被動熱管理。我們研發(fā)的被動熱管理固態(tài)材料就是設(shè)想能夠用于房屋的外墻和屋頂上，實現(xiàn)建筑物保溫技術(shù)的綠色可持續(xù)。”馬儒軍在介紹被動熱管理時說。

　　馬儒軍團(tuán)隊利用光譜選擇性，開發(fā)了由形狀記憶高分子材料與輻射熱管理材料結(jié)合制成的柔性被動固態(tài)熱管理材料，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了智能自切換零能耗雙模式輻射熱管理器件，在加熱和制冷模式下的特征光譜都與理想光譜相近，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的輻射熱管理。它利用自然中的熱源太陽與冷源外太空，其中一層材料可以全反射太陽光，并從大氣層窗口向外發(fā)射熱量，實現(xiàn)輻射制冷；另一層材料則可以全吸收太陽光，并轉(zhuǎn)換為熱能，實現(xiàn)太陽制熱。

　　器件中添加的溫敏驅(qū)動結(jié)構(gòu)，可使其自發(fā)感知溫度變化，智能實現(xiàn)熱管理模式的可逆切換。“在感知到外界溫度變化時，兩層材料可以實現(xiàn)智能切換，比如，溫度降低時，上層的輻射制冷材料自動卷曲到一側(cè)，讓下層的太陽制熱材料充分暴露在太陽的照射下來吸收熱量。”馬儒軍解釋說，這也是一種零能耗的溫度控制技術(shù)，從熱管理到模式切換，整個過程中無需額外的能量消耗，實現(xiàn)了全過程零能耗工作的設(shè)計目標(biāo)。

　　在展望這類技術(shù)的應(yīng)用前景時，馬儒軍侃侃而談：“如果將這種材料鋪設(shè)在房屋的外墻和屋頂上，就可以發(fā)揮空調(diào)的作用，還是可根據(jù)外界氣溫進(jìn)行智能調(diào)控的空調(diào)。當(dāng)然這也是我們的一個設(shè)想，目前材料的價格還非常昂貴，距離進(jìn)入實際應(yīng)用還有很長的路要走，但這種充分利用熱源和冷源的熱管理技術(shù)還是非?？尚械?。”

　　縫在鞋墊里：多功能柔性熱電材料

　　“除了來自大自然的熱能，我們也在研究人體散發(fā)的熱量、電子設(shè)備產(chǎn)生的熱能等，并開發(fā)了系列的高性能柔性熱電材料，用于設(shè)計自供電的可穿戴電子設(shè)備等。”馬儒軍介紹說。

　　馬儒軍團(tuán)隊開發(fā)了一種用于收集人體熱能的超彈性石墨烯基熱電海綿。這種材料縫制在鞋墊中，可以利用人體熱能產(chǎn)生的熱電信號，在管理電路的輔助下驅(qū)動血壓計、血氧儀等小功率醫(yī)療設(shè)備，實現(xiàn)生理信號監(jiān)測。實驗數(shù)據(jù)顯示，超彈性石墨烯基熱電海綿在30%的應(yīng)變下循環(huán)壓縮1萬次，仍表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和熱電穩(wěn)定性；在-170℃~300℃的溫度跨越下，仍具有較高的熱電性能及穩(wěn)定性。

　　這種材料還可以用于手機(jī)、平板電腦等電子設(shè)備的散熱，將熱電器件置于正常工作的CPU表面，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，同時能夠降低CPU的溫度，提高計算機(jī)的運行速度和穩(wěn)定性。

　　“未來，我們將繼續(xù)開發(fā)更多高效環(huán)保的柔性熱管理材料，為高性能熱管理器件結(jié)構(gòu)設(shè)計更多的應(yīng)用場景，并期待更多的產(chǎn)品可以走出實驗室，進(jìn)入到人們的生活里，為節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，助力實現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)添磚加瓦。”談及未來，馬儒軍滿懷憧憬。

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