隨著全球熱應(yīng)力加劇及環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻,被動(dòng)輻射冷卻技術(shù)因其零能耗散熱特性,在建筑、電子、航空航天等領(lǐng)域備受關(guān)注。然而,傳統(tǒng)多層或隨機(jī)多孔結(jié)構(gòu)的輻射冷卻材料面臨兩大挑戰(zhàn):高溫下熱量易積聚導(dǎo)致性能衰減,以及機(jī)械強(qiáng)度不足難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。現(xiàn)有自適應(yīng)冷卻系統(tǒng)(如光敏或電控材料)雖能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)溫度,卻依賴(lài)復(fù)雜刺激源且存在界面粘附弱、液體泄漏等問(wèn)題,嚴(yán)重制約其工程化應(yīng)用。
近期,中南林業(yè)科技大學(xué)吳義強(qiáng)院士、何帥明教授團(tuán)隊(duì)受蝴蝶翅膀分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)啟發(fā),通過(guò)溶劑誘導(dǎo)自組裝策略,成功開(kāi)發(fā)出一種一體化溫度自適應(yīng)被動(dòng)冷卻器(Bio-D cooler)。該材料將相變聚合物共價(jià)接枝于工程化木材的納米纖維素分子鏈上,形成分級(jí)多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),兼具高效熱調(diào)節(jié)與卓越機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)表明:Bio-D cooler在熱沖擊下比傳統(tǒng)輻射冷卻材料平均降溫5°C,冷卻功率高達(dá)130.1 W/m²;其抗拉強(qiáng)度達(dá)42.9 MPa,為傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)被動(dòng)冷卻器的10倍,為熱管理領(lǐng)域提供突破性解決方案。
仿生設(shè)計(jì)之源
研究團(tuán)隊(duì)從東南亞白蝴蝶(Curétis acuta Moore)翅膀的鱗片結(jié)構(gòu)中獲得關(guān)鍵靈感(圖1a)。掃描電鏡顯示,其鱗片由半管狀脊梁與互連支柱構(gòu)成有序多孔層級(jí)網(wǎng)絡(luò)(圖2b-c)。光學(xué)模擬證實(shí),這種結(jié)構(gòu)通過(guò)米氏散射和全內(nèi)反射協(xié)同作用,將太陽(yáng)光反射率提升至70%(圖2d-g)。同時(shí),脊梁結(jié)構(gòu)使彈性模量周期性變化(圖2h),能量耗散強(qiáng)度達(dá)基底的3.5倍,賦予翅膀優(yōu)異力學(xué)性能。基于此,團(tuán)隊(duì)以木材為模板,復(fù)制了類(lèi)似的分級(jí)孔道結(jié)構(gòu)(圖1b)。
圖1 基于溶劑誘導(dǎo)自組裝技術(shù)的仿生一體化強(qiáng)韌動(dòng)態(tài)被動(dòng)冷卻器示意圖 (a) 蝴蝶翅膀天然分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)示意圖 (b) Bio-D冷卻器的制備流程與微觀(guān)結(jié)構(gòu):微納米多孔相變聚合物網(wǎng)絡(luò)嵌入定向排列的木材分級(jí)孔道中,形成人工分級(jí)多孔結(jié)構(gòu) (c) Bio-D冷卻器實(shí)物圖(尺寸:600 × 200 × 2 mm) (d) Bio-D冷卻器與普通輻射冷卻器(如輻射織物、水凝膠)及傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)被動(dòng)冷卻器(如雙層動(dòng)態(tài)被動(dòng)膜)的控溫能力與抗拉強(qiáng)度對(duì)比:113.1 J/g高潛熱賦予卓越動(dòng)態(tài)控溫能力,42.9 MPa抗拉強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)材料 (e) 雷達(dá)圖對(duì)比Bio-D冷卻器與傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)被動(dòng)冷卻器(如耐熱輻射聚合物)的多性能指標(biāo),證明其在機(jī)械性能和熱調(diào)節(jié)能力上的優(yōu)勢(shì)
圖2 白蝴蝶(Curetis acuta Moore)翅膀的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性 (a) 白蝴蝶標(biāo)本實(shí)物圖(特征性白色外觀(guān)) (b) 翅膀多層鱗片的SEM圖像 (c) 高倍SEM揭示的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu) (d) 分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)對(duì)蝶翅反射率的影響(大氣環(huán)境 vs 乙醇浸沒(méi)) (e) 蝶翅鱗片光散射行為的模擬模型(含典型分級(jí)孔結(jié)構(gòu)) (f) 入射光波長(zhǎng)(0.3–2.5 μm)與納米孔徑(0–550 nm)對(duì)模擬蝶翅反射率的影響 (g) 歸一化光學(xué)模型計(jì)算的非孔分級(jí)鱗片、多孔鱗片及分級(jí)多孔鱗片總反射率 (h) AFM探針垂直掃描脊?fàn)钆帕幸员碚鞯狩[片彈性模量的納米級(jí)變化
一體化制備工藝與結(jié)構(gòu)表征
Bio-D cooler通過(guò)三步法制備(圖3a):首先對(duì)木材脫木素處理暴露纖維素活性羥基;隨后將硅烷化聚乙二醇(PEG)注入孔道,通過(guò)原位聚合與纖維素形成共價(jià)鍵(Si-O-C),化學(xué)分析顯示Si-O-C鍵特征峰(102.6 eV)證實(shí)了界面強(qiáng)結(jié)合(圖3c-d);最后引入乙醇/丙酮混合溶劑誘導(dǎo)相分離,分子模擬揭示PEG在乙醇中結(jié)合能(3328.7 kcal/mol)顯著高于丙酮(2498.3 kcal/mol),雙溶劑濃度波動(dòng)驅(qū)動(dòng)形成三維多孔網(wǎng)絡(luò)(圖3e-h)。所得材料呈現(xiàn)仿生分級(jí)孔道結(jié)構(gòu)(圖3b),微納米相變聚合物網(wǎng)絡(luò)緊密嵌于木材定向孔道中,形成一體化強(qiáng)化骨架。
圖3 Bio-D冷卻器的結(jié)構(gòu)表征 (a) 制備流程三步驟:前體滲透→原位聚合→網(wǎng)絡(luò)重構(gòu) (b) Bio-D冷卻器的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)SEM圖 (c,d) Bio-D冷卻器與天然木材、脫木素木材、PEG、PGS的化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)比,證實(shí)纖維素鏈與相變前體通過(guò)共價(jià)鍵原位聚合 (e,f) 相變材料在乙醇/丙酮溶劑中分子相互作用的RDG模擬 (g) 相變分子與乙醇(3328.7 kcal/mol)、丙酮(2498.3 kcal/mol)的分子結(jié)合能 (h) 相變材料在丙酮體系及乙醇/丙酮雙體系中的三維方向相對(duì)濃度分布
熱-光協(xié)同調(diào)控機(jī)制
Bio-D cooler創(chuàng)新融合輻射冷卻與相變儲(chǔ)熱雙功能(圖4a)。其相變材料熔融焓達(dá)113.1 J/g,可在47.2–56.1°C區(qū)間動(dòng)態(tài)吸放熱(圖4b);同時(shí)分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)93.4%可見(jiàn)光反射率(凍結(jié)態(tài))和90.2%中紅外發(fā)射率(圖4c-d),關(guān)鍵孔徑分布(43.6%<1.0 μm,56.2%<2.5 μm)精準(zhǔn)匹配太陽(yáng)光譜(0.3–2.5 μm),通過(guò)米氏散射最大化太陽(yáng)反射(圖4e)。協(xié)同效應(yīng)使冷卻功率峰值達(dá)130.1 W/m²(圖4f),共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更將熱分解溫度提升至408°C(圖4g),200次熱循環(huán)后相變焓保持率超96.7%。
圖4 Bio-D冷卻器的光學(xué)與熱學(xué)特性 (a) 通過(guò)輻射冷卻和潛熱存儲(chǔ)/釋放實(shí)現(xiàn)熱管理機(jī)制 (b) 相變焓值測(cè)量:凍結(jié)轉(zhuǎn)變113.1 J/g,熔融轉(zhuǎn)變111.8 J/g (c) 脫木素木材與Bio-D冷卻器在相變過(guò)程中的光學(xué)性能 (d) 相變期間Bio-D冷卻器與PGS反射光譜對(duì)比(分級(jí)多孔光子結(jié)構(gòu)顯著提升太陽(yáng)反射率) (e) Bio-D冷卻器孔徑分布(主區(qū)間0.1–2.5 μm) (f) 理論冷卻功率峰值達(dá)130.1 W/m² (g) PGS、脫木素木材與Bio-D冷卻器的熱穩(wěn)定性(峰值降解溫度408°C)
實(shí)測(cè)性能與應(yīng)用驗(yàn)證
在多重?zé)岘h(huán)境測(cè)試中(圖5a-c),Bio-D cooler面對(duì)100°C加熱器與1000 W/m²光照時(shí),溫度較傳統(tǒng)輻射材料低5°C,較純相變材料低20°C,相變平臺(tái)(45–50°C)有效抑制溫升。24小時(shí)戶(hù)外監(jiān)測(cè)顯示(圖5d-e),其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性突出:長(zhǎng)沙夏季午間最大亞環(huán)境降溫9.2°C,而夜間溫度更高(較傳統(tǒng)材料溫差減少1.6°C),實(shí)現(xiàn)"按需降溫"。建筑節(jié)能模擬表明(圖5f-g),哈爾濱嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能率高達(dá)23.8%,廣州濕熱地區(qū)為3.9%。機(jī)械性能上,一體化結(jié)構(gòu)賦予42.9 MPa抗拉強(qiáng)度(圖5h-j)和31.5 MPa彎曲強(qiáng)度,50次應(yīng)力循環(huán)后仍保持穩(wěn)定。
圖5 Bio-D冷卻器的冷卻性能與機(jī)械性能 (a-c) 多重?zé)岘h(huán)境下(1000 W/m²模擬太陽(yáng)輻射+100°C恒溫加熱器)Bio-D冷卻器、PGS和脫木素木材的600秒溫變曲線(xiàn) (d,e) 中國(guó)長(zhǎng)沙24小時(shí)溫變監(jiān)測(cè):Bio-D冷卻器、脫木素木材與環(huán)境溫度及其溫差 (f) 五種氣候區(qū)城市建筑模型年能耗對(duì)比(使用/未使用冷卻器) (g) 五城市節(jié)能潛力模擬(嚴(yán)寒地區(qū)最高節(jié)能率24%) (h,i) PGS與Bio-D冷卻器的抗拉強(qiáng)度及模量 (j) Bio-D冷卻器與傳統(tǒng)輻射冷卻聚合物、相變聚合物及動(dòng)態(tài)被動(dòng)冷卻器的抗拉強(qiáng)度對(duì)比
總結(jié)與展望
Bio-D cooler通過(guò)仿生分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)與一體化共價(jià)交聯(lián)設(shè)計(jì),解決了傳統(tǒng)被動(dòng)冷卻材料的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性、機(jī)械強(qiáng)度及泄漏難題。其溫度自適應(yīng)特性(夏季午間降溫4.9°C、夜間僅1.6°C)顯著提升能效比,結(jié)合每公斤22.7美元的低成本與可擴(kuò)展制造工藝(單根原木可產(chǎn)392.7 m²材料),在戶(hù)外裝備、工業(yè)建筑及電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。未來(lái)研究將聚焦于復(fù)雜氣候環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性?xún)?yōu)化及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)挑戰(zhàn)。
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