来源 | Chemical Engineering Journal

链接 | https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165429

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背景介绍

随着全球工业化的快速推进和能源危机的持续加剧，高效热管理技术在建筑节能、电子设备散热及精密仪器温控等领域的战略价值日益凸显。当前主流主动热控方案依赖流体循环和机械系统，运行过程中产生巨大的电能与化石燃料消耗，不仅推高使用成本，更导致显著的温室效应。相比之下，被动热管理虽具有节能环保优势，但其性能受限于材料固有属性，且传统相变材料（PCMs）在动态热环境中因固定热物性难以适应复杂工况——例如建筑围护结构需同时实现外部热量阻隔与内部温度稳定，而动力电池模块则面临正常充放电散热与热失控防护的双重挑战。现有研究虽尝试通过多层结构拓展PCM应用场景，但主要集中于相变温度梯度设计或与其他功能材料（如电磁屏蔽层）简单复合。关键瓶颈在于：传统PCM难以兼顾高/低热导率的矛盾需求，导致无法实现热流方向的分级调控。尤其在应对瞬态热冲击（如电池热失控）和多向非均匀热扰动（如建筑东西向差异日照）时，单一性能PCM常出现热响应滞后或热管理失效。尽管部分研究通过添加膨胀石墨、纳米涂层等提升导热性，或利用气凝胶增强隔热性，但这些单功能优化策略尚未解决复杂系统中差异化热管理的核心矛盾。在此背景下，本研究提出革命性的“性能分化”设计理念：通过构建梯度热导三明治结构，集成高隔热性、高热传导性及热解耦功能层，突破传统PCM在动态热环境中的适应性壁垒。该设计瞄准两大关键应用场景：建筑节能领域需平衡日间太阳辐射隔离与室内热负荷消散的矛盾热流；电池安全领域需协同实现常态高效散热与极端工况热冲击防护的双重目标。这种创新架构有望为多源热管理系统提供兼具智能响应能力与能源效率的综合解决方案，推动热管理技术向多功能化、自适应化方向跨越发展。

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成果掠影

近日，西安交通大学唐桂华教授团队通过本文突破性地设计了一种具有梯度导热性能的三明治结构复合相变材料，通过功能化分层策略解决了传统相变材料在动态热环境中适应性不足的难题。团队以正十八烷/三聚氰胺甲醛树脂微胶囊为储热核心，创新构建了由三层功能材料组成的复合体系：外层二氧化硅气凝胶复合相变材料（SA/PCM）形成超低导热（0.0725 W/mK）隔热屏障，中层纯二氧化硅气凝胶实现热解耦隔离，内层鳞片石墨复合相变材料（FG/PCM）则建立高导热（1.752 W/mK）热响应通道。这种独特架构在瞬态热冲击测试中展现出卓越性能——当承受3 kW·m⁻²热负荷时，控温面温升控制在3℃以内，其热缓冲效能显著优于传统气凝胶材料。在模拟建筑热管理场景中，该复合材料表现出双重调控优势：日间有效阻隔外部热扰动，使室内峰值温度较纯气凝胶系统降低3.2℃且温度峰值延迟3小时出现；夜间则通过相变潜热释放维持热舒适性。实验证实三层结构协同作用可同时应对多向非均匀热流（如外层100 W·m⁻²与内层50 W·m⁻²差异热流），控温面温度波动范围（23.4℃）远低于传统材料（28.3℃）。特别值得关注的是，材料体系兼具优异机械性能（SA/PCM抗压强度8.56 MPa，FG/PCM达7.87 MPa）和循环稳定性（100次相变后焓值衰减<1%），为建筑节能与电池热安全管理提供了创新解决方案，标志着梯度相变材料在复杂热环境调控领域取得重要突破。论文以“Performance-differentiated phase change sandwich composite with gradient thermal conductivity for transient thermal shock protection and multi-source thermal managemen”为题，发表《Chemical Engineering Journal》。

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图文导读

图1. (a) 夹层结构复合材料用于瞬态热冲击防护和多源热管理的机理示意图。(b) 用于建筑温控的夹层结构复合材料示意图。(c) 用于电池散热与热失控防护的夹层结构复合材料示意图。

图2. SA/PCM与FG/PCM复合材料的制备工艺示意图及导热调控机制。

图3. (a)纯相变微胶囊；(b)二氧化硅气凝胶；(c)鳞片石墨；(d,e)SA/PCM及(f)FG/PCM的扫描电镜图像。(g)二氧化硅气凝胶、鳞片石墨、纯MPCM、SA/PCM和FG/PCM的X射线衍射图谱及(h)傅里叶变换红外光谱。

图4. (a)SA/PCMs和(b)FG/PCMs的差示扫描量热曲线。(c)硅气凝胶与SA/PCMs的导热系数对比。(d)纯MPCM与FG/PCMs的导热系数对比。(e)SA/PCMs与文献报道的低导热系数单功能CPCMs综合热性能对比。(f)FG/PCMs与文献报道的高导热系数单功能CPCMs综合热性能对比。

图5. (a,b)SA/PCM与FG/PCM样品加热扫描及(c,d)冷却扫描的DSC曲线。(e)MPCM、SA/PCM与FG/PCM的热重分析。(f)所制备CPCMs的压缩应力-应变(δ-ε)曲线。(g)FG/PCM-70的轮碾实验。(h)SA/PCM与(i)FG/PCM样品在50℃加热1小时、6小时及24小时后的形状稳定性。

图6. (a) 二氧化硅气凝胶与本三明治复合材料在3 kW⋅m−2瞬态热冲击下的表面温度分布曲线。(b) 热冲击测试过程中气凝胶与三明治复合材料的红外照片。(c) 气凝胶与三明治复合材料在多向循环热扰动下的边界热通量及表面温度分布曲线。(d) 热管理性能测试实验装置示意图。(e) 密封舱室与三明治复合材料性能测试平台。(f) 建筑热管理实验中气凝胶隔热板、三明治复合材料与环境温度对比。