神奇材料在哪里——探秘柔性熱管理材料
文章來(lái)源：中國(guó)化工報(bào) 更新時(shí)間：2024-11-29 11:56:11
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讓衣物既能在冬日里保暖又能在酷暑時(shí)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(lái)就可以出現(xiàn)。憧憬這些的是南開(kāi)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(dòng)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(guó)青年科技獎(jiǎng)。在獲得這項(xiàng)由錢學(xué)森等老一輩科學(xué)家提議設(shè)立的獎(jiǎng)項(xiàng)后，馬儒軍接受了《中國(guó)化工報(bào)》記者的獨(dú)家采訪。
藏在衣物里：柔性主動(dòng)固態(tài)熱管理材料
“主動(dòng)制冷的概念很簡(jiǎn)單，比如我們夏天使用的空調(diào)、保存食物的冰箱都是主動(dòng)制冷技術(shù)。”馬儒軍介紹說(shuō)。柔性主動(dòng)電卡效應(yīng)固態(tài)熱管理材料是馬儒軍及其團(tuán)隊(duì)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(yáng)能器件組合，制成個(gè)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(xiàng)研究成果也成功登上了國(guó)際頂級(jí)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(kāi)地球表面后只需要太陽(yáng)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(bǔ)充說(shuō)。
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(yáng)能器件吸收太陽(yáng)光能量后，驅(qū)動(dòng)高效的電卡熱管理器件，使柔性主動(dòng)固態(tài)熱管理材料雙向調(diào)節(jié)溫度，在太陽(yáng)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(shí)的太陽(yáng)光能量輸入，便可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的雙模式體溫調(diào)節(jié)。
這一高效且具有主動(dòng)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(wèn)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(yáng)能材料器件與電卡材料器件等。
貼在房屋外墻上：柔性被動(dòng)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(dòng)熱管理，房屋的內(nèi)外墻保溫也是一種被動(dòng)熱管理。我們研發(fā)的被動(dòng)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(shí)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(dòng)熱管理時(shí)說(shuō)。
馬儒軍團(tuán)隊(duì)利用光譜選擇性，開(kāi)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(dòng)固態(tài)熱管理材料，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(yáng)與冷源外太空，其中一層材料可以全反射太陽(yáng)光，并從大氣層窗口向外發(fā)射熱量，實(shí)現(xiàn)輻射制冷；另一層材料則可以全吸收太陽(yáng)光，并轉(zhuǎn)換為熱能，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)制熱。
器件中添加的溫敏驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可使其自發(fā)感知溫度變化，智能實(shí)現(xiàn)熱管理模式的可逆切換。“在感知到外界溫度變化時(shí)，兩層材料可以實(shí)現(xiàn)智能切換，比如，溫度降低時(shí)，上層的輻射制冷材料自動(dòng)卷曲到一側(cè)，讓下層的太陽(yáng)制熱材料充分暴露在太陽(yáng)的照射下來(lái)吸收熱量。”馬儒軍解釋說(shuō)，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(gè)過(guò)程中無(wú)需額外的能量消耗，實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程零能耗工作的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
在展望這類技術(shù)的應(yīng)用前景時(shí)，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(gè)設(shè)想，目前材料的價(jià)格還非常昂貴，距離進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但這種充分利用熱源和冷源的熱管理技術(shù)還是非常可行的。”
縫在鞋墊里：多功能柔性熱電材料
“除了來(lái)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(kāi)發(fā)了系列的高性能柔性熱電材料，用于設(shè)計(jì)自供電的可穿戴電子設(shè)備等。”馬儒軍介紹說(shuō)。
馬儒軍團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(hào)，在管理電路的輔助下驅(qū)動(dòng)血壓計(jì)、血氧儀等小功率醫(yī)療設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)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(wàn)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(shí)能夠降低CPU的溫度，提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性。
“未來(lái)，我們將繼續(xù)開(kāi)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(jì)更多的應(yīng)用場(chǎng)景，并期待更多的產(chǎn)品可以走出實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)添磚加瓦。”談及未來(lái)，馬儒軍滿懷憧憬。
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