热管理系统能够实现快速的热供应和按需的温度调节，对于人们的日常活动和工业生产有着至关重要的作用。然而传统的电热器件在进行热供应时，往往产生过强的热量，这些热量不仅会对受热对象造成严重的热损伤，且在断电后将迅速耗散，从而造成不必要的能量损失。尤其在面临户外极寒天气时，这些器件由于不具备持续的供热效果而需要外部能源的不间断供应。因此，如何设计一种可穿戴器件，以实现一套舒适供热并长期保温的热管理系统，对人们的生活、医疗以及极端环境下的作业都有重要意义。
图1. 非对称导电芳纶复合材料的制备过程和热管理机制
日前，中国科学技术大学龚兴龙教授团队基于Janus结构设计了一种非对称式柔性导电芳纶复合材料（图1d-e），该复合材料以高强度高热稳定的芳纶纤维气凝胶作为基体，正面通过真空抽滤嵌合了一层高导电银纳米线电子皮肤，反面灌注了聚乙二醇相变材料（图1a）。基于该Janus结构，导电芳纶复合材料在通电时，焦耳热可由正面的电子皮肤源源不断地传输至背面。在热传导过程中，聚乙二醇通过熔融过程可吸收部分热量，从而在断电后持续地释放到皮肤（图1b-c）。这种自适应热管理能力不仅减少了能量的损耗，更能够长期地保证人体的热舒适。该工作已发表在《Nano Letters》期刊上，题为“Asymmetric aramid aerogel composite with durable and covert thermal management via Janus heat transfer structure。”
图2. 导电芳纶复合材料的形貌表征、热学性能和电学性能显微形貌表征可以看到导电芳纶复合材料表面具有一层致密的银纳米线导电层，即电子皮肤，在电子皮肤表面，银纳米线互相堆叠形成高效的导电网络（图2a-b），其电导率最高可达960 S m-1（图2e）。此外，该复合材料具有舒适的相变熔融温度（57 ℃）和高的相变焓值142 J g-1（图2c），以及优异的柔韧性（图2e）。
高的相变焓值和电导率赋予了导电芳纶复合材料出色的焦耳热效应和相变储热能力。电加热测试表明，该材料能够在仅1.2 V的供电电压下产生84 ℃的表面（背面）温度。在断电后，凭借相变熔融效应，温度可继续维持在34~35 ℃，长达301 s（图3a）。此外，在超过13小时的循环电加热/冷却过程中，复合材料依旧维持了原有的焦耳热强度和被动保温效果（图3d）。相对于先前报道的相变热管理材料，该导电芳纶复合材料具有了更高的电导率、更强的焦耳热、和更持久的保温能力（图3b）。
基于出色的热管理能力，导电芳纶复合材料可以穿戴在人体的膝盖部位，为关节提供长达8.5分钟的38 ℃舒适热疗（图3d）。得益于相变效应，热疗时的温升和温降相对于无相变能力的电热器件更为缓慢温和，从而避免了对皮肤造成热损伤（图3c）。此外，该复合材料还可以直接嵌入到衣物中为背部和腰关节提供大面积的热治疗（图3g-i）。相对于传统的电热片，由导电芳纶复合材料组装而成的电热片所需的充电时间更短，被动保温时间更长（图3g-i），且材料成本不到商用电热片三分之一（$ 43.95/m2），因此将在未来的热管理市场中获得广泛的青睐。
由于银纳米线电子皮肤在红外波段具有较低的发射率（0.064~0.315）（图5c），导电芳纶复合材料的正面能够对人体进行红外屏蔽（图5d-e），且能够在极寒和高温环境中对军用车辆进行红外隐身。基于电子皮肤的焦耳热效应，该复合材料还可以在电加热情况下隐蔽自身的高温信息（图5h）。通过这种隐蔽式的热管理，在信息战中，士兵有望在得到热治疗的同时躲避敌方的热侦查，从而保障个人安全。综上所述，该工作通过设计Janus传热结构实现了导电芳纶复合材料的舒适和长效的热管理能力，有望在极寒环境中保证人体的正常热供应并减少热损失。得益于电子皮肤的低红外发射率，该复合材料还巧妙地实现了热供应和热隐身的双重效果，能够对战时的人员提供隐蔽式的热治疗。论文的第一作者为中科大工程科学学院博士后吴建鹏，通讯作者为中科大工程科学学院龚兴龙教授、宣守虎教授和南昆士兰大学宋平安教授。该研究得到了国家自然科学基金、火灾创新群体基金、中国博士后科学基金、以及中科大微纳研究与制造中心的资助和支持。
原文链接：Jianpeng Wu, Yu Wang, Pingan Song, Min Sang, Ziyang Fan, Yunqi Xu, Xinyi Wang, Shuai Liu, Zimu Li, Shouhu Xuan, Ken Cham-Fai Leung, and Xinglong Gong. Asymmetric Aramid Aerogel Composite with Durable and Covert Thermal Management via Janus Heat Transfer Structure. Nano Letters 2024.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03652
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