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中國(guó)科大龔興龍教授課題組《Nano Lett.》：Janus傳熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料的超持久和隱蔽式熱管理
2024-10-29  來源：高分子科技

  熱管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的熱供應(yīng)和按需的溫度調(diào)節(jié)，對(duì)于人們的日常活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用。然而傳統(tǒng)的電熱器件在進(jìn)行熱供應(yīng)時(shí)，往往產(chǎn)生過強(qiáng)的熱量，這些熱量不僅會(huì)對(duì)受熱對(duì)象造成嚴(yán)重的熱損傷，且在斷電后將迅速耗散，從而造成不必要的能量損失。尤其在面臨戶外極寒天氣時(shí)，這些器件由于不具備持續(xù)的供熱效果而需要外部能源的不間斷供應(yīng)。因此，如何設(shè)計(jì)一種可穿戴器件，以實(shí)現(xiàn)一套舒適供熱并長(zhǎng)期保溫的熱管理系統(tǒng)，對(duì)人們的生活、醫(yī)療以及極端環(huán)境下的作業(yè)都有重要意義。


圖1. 非對(duì)稱導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料的制備過程和熱管理機(jī)制


  日前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍教授團(tuán)隊(duì)基于Janus結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱式柔性導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料（圖1d-e），該復(fù)合材料以高強(qiáng)度高熱穩(wěn)定的芳綸纖維氣凝膠作為基體，正面通過真空抽濾嵌合了一層高導(dǎo)電銀納米線電子皮膚，反面灌注了聚乙二醇相變材料（圖1a）。基于該Janus結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料在通電時(shí)，焦耳熱可由正面的電子皮膚源源不斷地傳輸至背面。在熱傳導(dǎo)過程中，聚乙二醇通過熔融過程可吸收部分熱量，從而在斷電后持續(xù)地釋放到皮膚（圖1b-c）。這種自適應(yīng)熱管理能力不僅減少了能量的損耗，更能夠長(zhǎng)期地保證人體的熱舒適。該工作已發(fā)表在《Nano Letters》期刊上，題為“Asymmetric aramid aerogel composite with durable and covert thermal management via Janus heat transfer structure。”


圖2. 導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料的形貌表征、熱學(xué)性能和電學(xué)性能


  顯微形貌表征可以看到導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料表面具有一層致密的銀納米線導(dǎo)電層，即電子皮膚，在電子皮膚表面，銀納米線互相堆疊形成高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（圖2a-b），其電導(dǎo)率最高可達(dá)960 S m-1（圖2e）。此外，該復(fù)合材料具有舒適的相變?nèi)廴跍囟龋?/span>57 ℃）和高的相變焓值142 J g-1（圖2c），以及優(yōu)異的柔韌性（圖2e）。


圖3. 導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料的電加熱和被動(dòng)保溫性能


  高的相變焓值和電導(dǎo)率賦予了導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料出色的焦耳熱效應(yīng)和相變儲(chǔ)熱能力。電加熱測(cè)試表明，該材料能夠在僅1.2 V的供電電壓下產(chǎn)生84 ℃的表面（背面）溫度。在斷電后，憑借相變?nèi)廴谛?yīng)，溫度可繼續(xù)維持在34~35 ℃，長(zhǎng)達(dá)301 s（圖3a）。此外，在超過13小時(shí)的循環(huán)電加熱/冷卻過程中，復(fù)合材料依舊維持了原有的焦耳熱強(qiáng)度和被動(dòng)保溫效果（圖3d）。相對(duì)于先前報(bào)道的相變熱管理材料，該導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料具有了更高的電導(dǎo)率、更強(qiáng)的焦耳熱、和更持久的保溫能力（圖3b）。


圖4. 導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料的持久熱供應(yīng)演示


  基于出色的熱管理能力，導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料可以穿戴在人體的膝蓋部位，為關(guān)節(jié)提供長(zhǎng)達(dá)8.5分鐘的38 ℃舒適熱療（圖3d）。得益于相變效應(yīng)，熱療時(shí)的溫升和溫降相對(duì)于無相變能力的電熱器件更為緩慢溫和，從而避免了對(duì)皮膚造成熱損傷（圖3c）。此外，該復(fù)合材料還可以直接嵌入到衣物中為背部和腰關(guān)節(jié)提供大面積的熱治療（圖3g-i）。相對(duì)于傳統(tǒng)的電熱片，由導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料組裝而成的電熱片所需的充電時(shí)間更短，被動(dòng)保溫時(shí)間更長(zhǎng)（圖3g-i），且材料成本不到商用電熱片三分之一（$ 43.95/m2），因此將在未來的熱管理市場(chǎng)中獲得廣泛的青睞。


圖5. 導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料的紅外隱身和隱蔽式熱管理


  由于銀納米線電子皮膚在紅外波段具有較低的發(fā)射率（0.064~0.315）（圖5c），導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料的正面能夠?qū)θ梭w進(jìn)行紅外屏蔽（圖5d-e），且能夠在極寒和高溫環(huán)境中對(duì)軍用車輛進(jìn)行紅外隱身；陔娮悠つw的焦耳熱效應(yīng)，該復(fù)合材料還可以在電加熱情況下隱蔽自身的高溫信息（圖5h）。通過這種隱蔽式的熱管理，在信息戰(zhàn)中，士兵有望在得到熱治療的同時(shí)躲避敵方的熱偵查，從而保障個(gè)人安全。


  綜上所述，該工作通過設(shè)計(jì)Janus傳熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電芳綸復(fù)合材料的舒適和長(zhǎng)效的熱管理能力，有望在極寒環(huán)境中保證人體的正常熱供應(yīng)并減少熱損失。得益于電子皮膚的低紅外發(fā)射率，該復(fù)合材料還巧妙地實(shí)現(xiàn)了熱供應(yīng)和熱隱身的雙重效果，能夠?qū)?zhàn)時(shí)的人員提供隱蔽式的熱治療。


  論文的第一作者為中科大工程科學(xué)學(xué)院博士后吳建鵬，通訊作者為中科大工程科學(xué)學(xué)院龔興龍教授、宣守虎教授和南昆士蘭大學(xué)宋平安教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、火災(zāi)創(chuàng)新群體基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、以及中科大微納研究與制造中心的資助和支持。


  原文鏈接：Jianpeng Wu, Yu Wang, Pingan Song, Min Sang, Ziyang Fan, Yunqi Xu, Xinyi Wang, Shuai Liu, Zimu Li, Shouhu Xuan, Ken Cham-Fai Leung, and Xinglong Gong. Asymmetric Aramid Aerogel Composite with Durable and Covert Thermal Management via Janus Heat Transfer Structure. Nano Letters 2024.

  https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03652 

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