北理工團(tuán)隊(duì)在熱管理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期:2025-12-16 供稿:空天科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 攝影:空天科學(xué)與技術(shù)學(xué)院
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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(jí)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。

圖1 《ACS Energy Letters》封面論文(Supplementary Cover)
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(chǔ)放熱特性,在應(yīng)對(duì)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(chǔ)放熱功能,有望在同一材料體系中同步實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)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(jí)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(duì)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?!保跃酆衔铩罢辰Y(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(chǔ)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(chǔ)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。
論文詳情:Biao Wen⊥, Lei Zuo⊥, Nannan Jian, Xiaoqiang Song, Boyuan Miao, Lijuan Zhao, Yunfeng Zhao*, and Kai Zhang*. Beehive-Inspired Aerogels with Self-Assembled Phase Change Walls for Thermal Regulation. ACS Energy Letters, 2025, 10, 6197?6206.
全文鏈接: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c02994
前期相關(guān)工作:
(1)Zhang, K.; Duan, H.; Karihaloo, B. L.; Wang, J. Hierarchical, Multilayered Cell Walls Reinforced by Recycled Silk Cocoons Enhance the Structural Integrity of Honeybee Combs. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.2010, 107 (21), 9502–9506. https://doi.org/10.1073/pnas.0912066107.
(2)Karihaloo, B. L.; Zhang, K.; Wang, J. Honeybee Combs: How the Circular Cells Transform into Rounded Hexagons. J. R. Soc. Interface.2013, 10 (86), 20130299. https://doi.org/10.1098/rsif.2013.0299.
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