【儀表網 研發快訊】近期，北京理工大學軟物質力學團隊在熱管理領域取得重要突破。相關成果以 “Beehive-Inspired Aerogels with Self-Assembled Phase Change Walls for Thermal Regulation”為題發表在國際頂級期刊《ACS Energy Letters》，并入選當期封面論文 (Supplementary Cover)。北京理工大學空天科學與技術學院助理教授左磊與北京理工大學唐山研究院—天津理工大學聯合培養碩士生溫彪為共同第一作者，北京理工大學空天科學與技術學院張凱教授、天津理工大學材料科學與工程學院趙云峰教授為共同通訊作者。
氣凝膠是一種超輕、多孔且隔熱性能優異的熱管理材料，廣泛應用于航空航天、建筑節能、電子設備散熱以及新能源電池熱防護等眾多領域。其傳統設計僅聚焦于隔熱功能而未整合儲放熱特性，在應對溫度交替變化的外部環境時，限制了其空間恒溫調控能力。通過引入相變材料可有效集成儲放熱功能，有望在同一材料體系中同步實現高儲能密度、強力學性能與優異循環穩定性的協同。當前，相變氣凝膠(PCAs)的主流設計策略主要分為嵌入式與均質化兩類：嵌入式方法需將負載微膠囊化或將顆粒狀相變材料混合到氣凝膠基質，但高負載條件下界面粘附力不足易導致力學性能降低；均質化方法則在分子級尺度將相變材料與支撐性聚合物交聯，卻因結晶度降低限制了潛熱值。因此，如何構建兼具穩定結構、高潛熱與低導熱特性的相變氣凝膠網絡，已成為該領域亟待突破的問題。
在自然界中，蜜蜂筑巢的過程蘊含著精妙的智慧。蜜蜂將分泌的蜂蠟放入嘴中進行咀嚼，然后將表面混有唾液的蜂蠟顆粒堆積到蜂巢壁上，最后用腹部壓實蜂窩壁，賦予蜂巢穩固的形態。而且，蜂蠟還能被回收再利用以再造新巢，實現資源的閉環循環。張凱教授在攻讀博士學位期間對蜂窩力學及構型演化機制進行了深入研究，前期工作也發表在了國際知名期刊PNAS1以及Journal of The Royal Society Interface2等。
基于研究團隊基礎，受天然蜂窩啟發，提出一種新型仿生相變氣凝膠的網絡設計方法及制備技術。該方法，利用相變材料模擬“蜂蠟顆粒”，以聚合物“粘結劑”模擬經咀嚼后在蜂蠟表面附著的“天然黏合劑”，以冰模板法模擬蜜蜂用腹部壓實蜂窩壁的過程，最終基于自組裝方式構筑了相變氣凝膠(圖2 a-b)。所制備材料兼具高潛熱和低熱導率，并表現出優異的抗壓性能，解決了相變氣凝膠力學性能與儲能之間難以協同的難題。(圖2 c-e)。
圖2 仿生相變氣凝膠的設計原理、實現方法及力-熱性能
本研究模擬驗證了建筑物中該新型相變氣凝膠的恒溫調控能力(圖3)。研究發現，基于“隔熱+儲熱”一體化機制的相變氣凝膠，實現了長達24小時的接近恒溫調控，效果顯著優于商業氣凝膠。此外，該相變氣凝膠具有與蜂窩類似的可循環利用特性，為其在建筑等領域、航天熱防護、冷鏈物流等領域可持續應用奠定了基礎。
圖3 仿生相變氣凝膠(PCA)在建筑領域中的應用
該研究得到了國家自然科學基金、北京市科技計劃項目以及天津市自然科學基金的經費支持。
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