仿生Janus復(fù)合相變材料：雙相變區(qū)間實(shí)現(xiàn)全季節(jié)熱舒適調(diào)控新策略

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Bio-inspired Janus composite with dual-phase change ranges for all-season thermal comfort

【字體： 大 中 小 】 時(shí)間：2025年12月05日 來(lái)源：Advanced Composites and Hybrid Materials 21.8

　　

隨著能源消耗問(wèn)題日益突出和"雙碳"目標(biāo)的推進(jìn)，通過(guò)綠色節(jié)能方式實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控已成為重要研究方向。在戶外環(huán)境中，熱舒適需求因季節(jié)更替和晝夜循環(huán)呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性：白天材料需根據(jù)環(huán)境溫度變化進(jìn)行升降溫調(diào)節(jié)，夜晚則面臨高溫散熱、舒適保溫、低溫補(bǔ)償三種典型場(chǎng)景的差異化需求。傳統(tǒng)被動(dòng)熱調(diào)控材料往往只能適應(yīng)單一溫度條件，難以滿足全季節(jié)、多場(chǎng)景的應(yīng)用要求。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳旭東團(tuán)隊(duì)受企鵝體溫調(diào)節(jié)策略啟發(fā)，在《Advanced Composites and Hybrid Materials》發(fā)表研究成果，開(kāi)發(fā)出一種具有Janus結(jié)構(gòu)的復(fù)合相變材料(PCPCM)。該材料創(chuàng)新性地整合了光熱吸收、輻射冷卻和雙相變過(guò)程，通過(guò)智能響應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)全天候熱舒適調(diào)控。

研究團(tuán)隊(duì)采用多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：以松木為原料通過(guò)碳化和硅化反應(yīng)制備具有天然孔隙結(jié)構(gòu)的β-SiC骨架；采用氟碳樹(shù)脂與BaSO₄/TiO₂顆粒復(fù)合制備輻射冷卻涂層；通過(guò)真空浸漬將正十七烷封裝于多孔骨架中形成復(fù)合相變材料。材料結(jié)構(gòu)表征顯示，松木經(jīng)碳化后表面無(wú)定形覆蓋層被有效去除，孔隙結(jié)構(gòu)完全暴露；硅化反應(yīng)后形成的SiC骨架繼承了碳模板的多孔特征，孔徑顯著大于太陽(yáng)輻射主導(dǎo)波長(zhǎng)，有利于光子多次散射。輻射冷卻涂層呈現(xiàn)菜花狀微觀結(jié)構(gòu)，氟碳樹(shù)脂基質(zhì)均勻包裹無(wú)機(jī)顆粒，形成致密無(wú)間隙的連續(xù)結(jié)構(gòu)。

熱輻射性能設(shè)計(jì)

研究通過(guò)Janus結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)熱輻射性能的智能調(diào)控。光熱吸收(PDRH)側(cè)在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)吸收率達(dá)到86.46%，其增強(qiáng)機(jī)制源于獨(dú)特多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的光子多次散射和反射。輻射冷卻(PDRC)側(cè)在太陽(yáng)光譜反射率達(dá)到94.89%，大氣窗口(8-13μm)發(fā)射率為92.15%，其中氟碳樹(shù)脂基質(zhì)內(nèi)的C-F和C-C鍵振動(dòng)活性貢獻(xiàn)了高中紅外發(fā)射率。通過(guò)FDTD模擬優(yōu)化填料粒徑分布，BaSO₄顆粒(1.0-4.0μm)在可見(jiàn)-近紅外區(qū)域呈現(xiàn)多重散射峰，TiO₂顆粒(~1μm)在近紅外區(qū)域保持穩(wěn)定高散射效率，兩者協(xié)同確保全光譜高反射率。

熱物理性質(zhì)表征

DSC測(cè)試顯示PCPCM保留了正十七烷的特征雙吸熱峰，分別對(duì)應(yīng)正交晶相(C)向旋轉(zhuǎn)相(R)的固-固轉(zhuǎn)變(9.80℃;28.53 J/g)和旋轉(zhuǎn)相向液相(L)的固-液轉(zhuǎn)變(22.38℃;105.38 J/g)。材料孔隙率達(dá)79.63%，封裝效率91.48%，200次循環(huán)后焓值保持率96.82%。XRD證實(shí)SiC骨架為高純度β-SiC晶體，其有序天然營(yíng)養(yǎng)傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)和高純度晶體有效抑制了聲子散射，使熱導(dǎo)率提升至29.80 W/(m·K)。涂層引入后因界面熱阻降至19.16 W/(m·K)，但仍顯著優(yōu)于純相變材料。

被動(dòng)熱調(diào)控性能測(cè)試

室內(nèi)模擬輻照測(cè)試顯示，在冷環(huán)境中PDRH側(cè)200秒內(nèi)從4.8℃快速升溫至80.6℃，相變過(guò)程僅產(chǎn)生15-20秒的升溫減緩；熱環(huán)境中PDRC側(cè)表面溫度600秒內(nèi)緩慢升至50.4℃，表現(xiàn)出顯著的光熱抑制性能。戶外實(shí)測(cè)表明，冷環(huán)境白天材料溫度平均高于環(huán)境11.0℃，最大溫差達(dá)17.60℃；夜晚通過(guò)L-R相變實(shí)現(xiàn)93分鐘延遲保溫，平均高于環(huán)境5.1℃；低溫時(shí)段通過(guò)R-C相變維持平均0.7℃的溫度補(bǔ)償。熱環(huán)境白天材料溫度最大低于環(huán)境9.0℃，平均低4.8℃；夜晚舒適溫度持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)27.3%。

全季節(jié)熱舒適評(píng)價(jià)

通過(guò)EnergyPlus模擬評(píng)估屋頂應(yīng)用效果，采用預(yù)測(cè)不滿意百分比(PPD)指數(shù)進(jìn)行熱舒適量化。在北京地區(qū)，PCPCM使冬季月平均PPD從56.20降至43.59，春季從11.38降至6.22，秋季從8.05降至5.84，夏季從45.63降至19.55。對(duì)比單相變材料，雙相變區(qū)間的PCPCM在過(guò)渡季節(jié)表現(xiàn)尤為突出。在全國(guó)典型氣候城市應(yīng)用中，海口PPD降低27.89%，沈陽(yáng)降低17.28%，成都年節(jié)能率高達(dá)17.25%。全國(guó)年平均PPD分布顯示，在夏熱冬冷地區(qū)和沿海城市改善效果顯著，平均年P(guān)PD降低16.67%。

該研究突破了傳統(tǒng)單模式設(shè)計(jì)的局限，通過(guò)集成輻射冷卻、光熱吸收和雙相變過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多變環(huán)境條件的智能響應(yīng)。材料在白天表現(xiàn)出+17.6℃/-9.0℃的溫控能力，夜晚在熱環(huán)境中延長(zhǎng)舒適時(shí)長(zhǎng)27.3%，冷環(huán)境中整夜維持平均0.5℃的溫度補(bǔ)償。屋頂應(yīng)用模擬證實(shí)其能有效提升室內(nèi)熱舒適度，為建筑節(jié)能領(lǐng)域提供了可行的全季節(jié)熱舒適調(diào)控策略。這種仿生設(shè)計(jì)理念為開(kāi)發(fā)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的多功能熱管理材料開(kāi)辟了新途徑，在需要智能溫控的領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。