熱二級管,讓熱能有序傳輸丨"2"的專題

人類對熱能的認識和使用經歷了漫長的發展歷程,從最初的鑽木取火直接使用熱能,到將熱能轉化為機械能和電能再進行利用,熱能使用方式的變化一定程度標誌著人類社會文明的發展與進步。然而,熱能在使用過程中往往存在利用或轉化效率低的問題,提高熱能使用效率是人類永恆不變的追求。

熱二級管,讓熱能有序傳輸丨"2"的專題

(圖片來自網路)

熱能使用效率低,很大程度是因為熱量的無序傳輸。那麼有沒有一種器件可以讓熱能像電能一樣按需、有序傳輸,這樣熱能的使用效率自然會有較大提升。受電二極體啟發,研究人員提出了熱二極體的概念,即沿某一方向熱流容易透過,而反方向則不容易透過。

借鑑電子二極體由PN接面構成,科學家提出用兩種熱導率隨溫度變化趨勢不同材料緊密接觸形成異質結,進而構築出熱二極體。合金、金屬氧化物、硫化物等材料熱導率隨溫度變化均發生改變,可用於構建熱二極體,然而它們的熱導率隨溫度變化幅度很小。這個時候相變流體(包括固-液相變材料、溫敏聚合物等)引起了人們的注意,因為它們相變(相變是物質從一種相轉變為另一種相的過程)溫度通常較低、且發生在很小溫度區間內,熱導率在相轉時會發生突躍式變化。

於是,研究人員構築出了基於相變流體的熱二極體。可是,相變流體易洩漏,不得不封裝於剛性材料中,這樣的熱二極體不適用於曲面,即使為適應曲面而預製,也會在使用過程中因溫度變化引起的膨脹/收縮與曲面之間產生間隙而失效。

熱二級管,讓熱能有序傳輸丨"2"的專題

熱二極體示意圖

針對上述難題,中國科學院蘇州奈米技術與奈米仿生研究所張學同研究團隊提出了氣凝膠薄膜約束相變流體構築柔性熱二極體策略。張學同研究團隊一直從事氣凝膠材料的結構設計、控制合成及應用研究,為了構築出柔性熱二極體,製備出力學強度高、柔性好、熱導率低的芳綸奈米纖維氣凝膠薄膜OANF及DANF(緻密化處理,力學強度和柔性更加優異),以負載相變流體。聚(N-異丙基丙烯醯胺)(PNIPAM)水溶液在溫度升高至32℃以上發生凝膠縮聚,熱導率隨之升高,利用OANF約束PNIPAM水溶液即可獲得正溫度係數氣凝膠約束相變流體OANF-PNIPAM。

為了與OANF-PNIPAM相互匹配構建異質結,從種類眾多負溫度係數相變流體中篩選,依據的原則為相變溫度接近、親疏水效能相反,最終篩選出二十烷(C20),並利用DANF約束C20獲得柔韌效能良好的負溫度係數氣凝膠約束相變流體DANF-C20。最佳化獲得的這兩種氣凝膠薄膜約束相變流體厚度,透過彼此接觸構築出熱二極體。此熱二極體具有良好柔性和力學強度(抗拉強度≥7。2MPa)。

熱二級管,讓熱能有序傳輸丨"2"的專題

氣凝膠約束相變流體構築柔性熱二極體示意圖

為了研究此氣凝膠約束相變流體熱二極體熱整流效能,實驗室搭建了測試裝置,冷端和熱端分別由迴圈水冷裝置和Bi2Te3熱電陶瓷片精確控制溫度。正向熱流和反向熱流均隨兩端溫差增加而增加,但正向熱流增加幅度更高,當兩端溫差增加到40 °C時,熱整流比達到最大值2。0。熱二極體的可靠性在實際應用中至關重要,為了表徵可靠性,測試了此熱二極體熱整流迴圈穩定性,迴圈50次,熱整流比在1。94和2。03之間波動,穩定性良好,這要歸功於OANF及DANF氣凝膠薄膜強毛細作用力,對相變流體具有很強的約束功能,以及OANF-PNIPAM與DANF-C20間良好的介面穩定性。

如果將這樣的熱二極體包覆於晝夜溫差較大地區的管道外,可用於熱能收集與儲存,白天,熱二極體讓熱量透過,給管道中水加熱,晚上,阻止水向外散熱,使管道中水始終維持較高溫度。此工作首次實現了柔性熱二極體製備,其構築策略將極大地推動熱二極體技術進步。

熱二級管,讓熱能有序傳輸丨"2"的專題

氣凝膠約束相變流體熱二極體熱整流效能與應用

相關工作以 Nanoporous Kevlar aerogel confined phase change fluids enable super-flexible thermal diodes 為題發表於 Advanced Functional Materials 上。

論文連結:

https://onlinelibrary。wiley。com/doi/10。1002/adfm。202200137

【來源:中科院之聲】

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