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神奇材料在哪里——探秘柔性热管理材料

文章来源：中国化工报更新时间：2024-11-29 11:56:11

让衣物既能在冬日里保暖又能在酷暑时降温，让房屋不用空调就可以加热或者制冷……满足这些神奇现象的新材料也许在将来就可以出现。憧憬这些的是南开大学材料科学与工程学院马儒军教授，他凭借柔性主被动固态热管理、多功能柔性热电材料和器件的研究成果，于11月17日获得第十八届中国青年科技奖。在获得这项由钱学森等老一辈科学家提议设立的奖项后，马儒军接受了《中国化工报》记者的独家采访。

　　藏在衣物里：柔性主动固态热管理材料

　　“主动制冷的概念很简单，比如我们夏天使用的空调、保存食物的冰箱都是主动制冷技术。”马儒军介绍说。柔性主动电卡效应固态热管理材料是马儒军及其团队的最新研究成果，它是由含氟的三元共聚物材料组成。

　　马儒军和合作者共同将这种材料与柔性太阳能器件组合，制成个人体温调节衣物系统，能将人体热舒适区扩大3倍，即从22℃~28℃扩展到12.5℃~37.6℃。这项研究成果也成功登上了国际顶级期刊《科学》。

　　“热舒适区扩大的意义很重要。在昼夜温差极大或生存环境恶劣的地区，比如南北极或者月球上，如何仅利用衣物就让人体的体温保持在舒适的温度区间，这是我们一直在寻求的答案。试想用这种材料制成超薄的宇航服，航天员在离开地球表面后只需要太阳照射就可以自如地在外太空行走，是件多么美妙的事情。”马儒军补充说。

　　马儒军进一步解释了该系统的工作原理，它能够根据环境温度变化快速响应，其中柔性太阳能器件吸收太阳光能量后，驱动高效的电卡热管理器件，使柔性主动固态热管理材料双向调节温度，在太阳光下降温，在黑暗中保暖。此外，该系统的能耗低、效率高，只需12小时的太阳光能量输入，便可实现24小时的双模式体温调节。

　　这一高效且具有主动性的双向人体柔性热管理系统，在体温调节领域展现出潜在的应用前景，但仍有许多重要的技术问题有待解决，比如如何进一步提升热管理效果、制成更大尺寸的服装，需要研发新的更高效率的太阳能材料器件与电卡材料器件等。

　　贴在房屋外墙上：柔性被动固态热管理材料

　　“穿着厚羽绒服、戴棉帽子的行为可以理解为被动热管理，房屋的内外墙保温也是一种被动热管理。我们研发的被动热管理固态材料就是设想能够用于房屋的外墙和屋顶上，实现建筑物保温技术的绿色可持续。”马儒军在介绍被动热管理时说。

　　马儒军团队利用光谱选择性，开发了由形状记忆高分子材料与辐射热管理材料结合制成的柔性被动固态热管理材料，并以此为基础设计了智能自切换零能耗双模式辐射热管理器件，在加热和制冷模式下的特征光谱都与理想光谱相近，能够实现高效的辐射热管理。它利用自然中的热源太阳与冷源外太空，其中一层材料可以全反射太阳光，并从大气层窗口向外发射热量，实现辐射制冷；另一层材料则可以全吸收太阳光，并转换为热能，实现太阳制热。

　　器件中添加的温敏驱动结构，可使其自发感知温度变化，智能实现热管理模式的可逆切换。“在感知到外界温度变化时，两层材料可以实现智能切换，比如，温度降低时，上层的辐射制冷材料自动卷曲到一侧，让下层的太阳制热材料充分暴露在太阳的照射下来吸收热量。”马儒军解释说，这也是一种零能耗的温度控制技术，从热管理到模式切换，整个过程中无需额外的能量消耗，实现了全过程零能耗工作的设计目标。

　　在展望这类技术的应用前景时，马儒军侃侃而谈：“如果将这种材料铺设在房屋的外墙和屋顶上，就可以发挥空调的作用，还是可根据外界气温进行智能调控的空调。当然这也是我们的一个设想，目前材料的价格还非常昂贵，距离进入实际应用还有很长的路要走，但这种充分利用热源和冷源的热管理技术还是非常可行的。”

　　缝在鞋垫里：多功能柔性热电材料

　　“除了来自大自然的热能，我们也在研究人体散发的热量、电子设备产生的热能等，并开发了系列的高性能柔性热电材料，用于设计自供电的可穿戴电子设备等。”马儒军介绍说。

　　马儒军团队开发了一种用于收集人体热能的超弹性石墨烯基热电海绵。这种材料缝制在鞋垫中，可以利用人体热能产生的热电信号，在管理电路的辅助下驱动血压计、血氧仪等小功率医疗设备，实现生理信号监测。实验数据显示，超弹性石墨烯基热电海绵在30%的应变下循环压缩1万次，仍表现出优异的力学性能和热电稳定性；在-170℃~300℃的温度跨越下，仍具有较高的热电性能及稳定性。

　　这种材料还可以用于手机、平板电脑等电子设备的散热，将热电器件置于正常工作的CPU表面，可以产生稳定的电压，同时能够降低CPU的温度，提高计算机的运行速度和稳定性。

　　“未来，我们将继续开发更多高效环保的柔性热管理材料，为高性能热管理器件结构设计更多的应用场景，并期待更多的产品可以走出实验室，进入到人们的生活里，为节约能源、保护环境，助力实现‘双碳’目标添砖加瓦。”谈及未来，马儒军满怀憧憬。

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