來源 | Journal of Advanced Ceramics
原文 | https://doi.org/10.1007/s40145-022-0606-2
個人熱量調節技術可以使人們單獨控制熱環境，從而顯著地提高個人熱舒適性。在極端環境條件下，保持熱舒適度對人體的身心健康非常重要。如果體溫過高或過低，都可能危及人體生命。此外，缺乏熱舒適性可能導致勞動生產率下降，最終導致經濟衰退。因此，保持工人的身體熱舒適度對促進經濟發展具有重要作用。
個人熱管理設備應像普通衣服一樣可穿戴，并能在寒冷環境中減少身體熱量損失，在炎熱環境中防止外部熱量傳遞到身體上。為了實現這一目標，Zhao等人設計了熱電能量轉換裝置，通過在溫控內衣中交織的樹形橡膠管網，為人體提供冷風(冷卻模式)和熱風(加熱模式)。Guo等人開發了一種基于氟硅烷改性紡織品的個人能量管理裝置，該裝置可以利用人體的機械能為可穿戴電子設備供電，并在保持正常體溫的同時防止身體熱量的損失。Hsu等人報道了一種金屬納米線布，它具有普通布的耐磨性和透氣性，由于個人熱管理能力，在降低室內供暖能耗方面有很大潛力。Roh等人制造了一種金屬復合織物制成的衣服，它將身體的熱量反射給穿著者，并將外界的大部分輻射反射回來，從而消除了對體溫的整體影響。Yue等人制備了一種多功能納米銀/纖維素纖維基隔熱膜，實現紅外輻射隔熱。上述材料雖然具有優異的紅外反射性能，但在實際應用中存在一定的局限性。聚合物基紡織品在低溫下變得非常硬和脆，不宜在極冷條件下使用。至于金屬纖維編織的紡織品，金屬的高導熱性限制了其在高溫環境中的應用。眾所周知，SiC具有優越的電磁特性、優異的光學、電和熱性能、低成本、高硬度、良好的穩定性和環境友好性，但SiC納米顆粒和納米片易于團聚，在實際應用中存在一定的局限性。值得注意的是，與SiC納米顆粒和納米片相比，SiC納米纖維具有更好的導電性、更大的表面積以及更好的力學性能，這為研究人員開發一種新型個人熱能調節設備以提高人體熱舒適控制提供了思路和靈感。
02
成果掠影
鄭州大學張銳教授、范冰冰副教授設計了一種多功能碳化硅納米纖維氣凝膠彈簧 (SiC NFAS)，它不僅可以防止低溫下人體熱量損失，還可以在高溫下阻斷外部熱量傳遞到人體上，從而確保穿戴者在極端條件下的生命安全。該氣凝膠彈簧由大量相互交織的3C-SiC 納米纖維組成，具有穩定的三維(3D)結構，并且具有超薄、超輕和可壓縮性，密度僅為9mg/cm3，此外，氣凝膠彈簧還具有良好的阻燃性，在高、低溫下均具有出色的化學穩定性和超低導熱性，20℃時導熱系數僅為0.029 W/(m·K)。研究成果以“Ultralight and hyperelastic SiC nanofiber aerogel spring for personal thermal energy regulation”為題發表于《Journal of Advanced Ceramics》。
圖1. SiC NFAS的制備示意圖。SiO
2/Si和CaCO
3/activated carbon混合粉末作為原料放置在石墨坩堝中，在1500℃氬氣氣氛下反應5 h，在石墨蓋子上生成一層SiC纖維氣凝膠，在700℃空氣氣氛下剝離該氣凝膠，即得：SiC NFAS。
圖2. SiC NFAS的宏觀和微觀特征、晶體結構和化學成分。(a) SiC NFAS制備示意圖和相應的原子結構模型；(b) SiC NFAS的數碼照片；(c) SiC NFAS的XPS總譜和(d) Si 2p XPS光譜；SiC NFAS的 (e) XRD圖、(f) FTIR 光譜圖和 (g) 拉曼光譜圖；(h) 放置在文竹上的 SiC NFAS樣品，顯示其超輕特性；(i) SiC NFAS的SEM 圖像和EDS光譜（插圖）；(j) TEM 圖像和 (k) 相應的碳化硅纖維的 C、Si和O元素mapping；(l) SiC 纖維的高分辨TEM圖和 (m)相應的選區電子衍射圖。
圖3. 不同溫度下SiC NFAS的機械性能。SiC NFAS在(a) 室溫(~20℃)、(d) 高溫(~700℃) 和(g) 低溫(~-196℃) 下的高回彈性；SiC NFAS在 (b) 室溫、(e) 高溫和 (h) 低溫下的壓縮應力-應變曲線；SiC NFAS 在 (c) 室溫、(f) 高溫和 (i) 低溫下的循環壓縮應力-應變曲線。這些結果表明所制備SiC NFAS在極端溫度下具有優異的力學性能。
圖4. SiC NFAS在壓縮和恢復過程中的微觀結構演變。壓縮變形的SEM 圖：(a) ~10%、(b) ~40% 和 (c) ~60% 變形；(d)完全恢復后SiC NFAS的 SEM 圖（標記的紅色圓圈和曲線分別表示壓縮和恢復過程中位移的變化）；(e–g) SiC NFAS 的彎曲過程；(h–j)展示了SiC NFAS的靈活性。測試結果表明，SiC NFAS在宏觀和微觀尺度上均具有優異的回彈性。
圖5. SiC NFAS的熱穩定性和化學穩定性測試。(a) SiC NFAS抗燒蝕的數碼照片；(b) SiC NFAS的TGA曲線；(c)放置在SiC NFAS上花朵抗燒蝕的數碼照片；(d) SiC NFAS在氬氣氣氛中不同溫度下的熱導率；SiC NFAS在加熱平臺上從 (e) 側面和 (g) 頂部拍攝時的紅外圖像，(f, h) 對應的溫度與時間曲線；SiC NFAS樣品在空氣中在800℃下加熱5小時之前(i) 和 (j) 之后的 SEM 圖像，插圖是相應樣品的數碼照片；(k) 空氣氣氛中室溫下所制備氣凝膠的熱導率與各種氣凝膠材料的最高工作溫度對比，表明本研究所制備氣凝膠具有廣闊的應用前景。
圖6. 不同厚度SiC NFAS的隔熱性能。(a) SiC NFAS 在~1、~3、~5 和~10 mm 厚度下的紅外反射率和 (b) 紅外透射率；(c) ~1、(d) ~3、(e) ~5 和 (f) ~10 mm厚的SiC NFAS放置在溫度約為 48.5℃ 的加熱平臺上時的紅外圖像；(g) 不同厚度的 SiC NFAS 放置在不同溫度的加熱平臺上的輻射溫度；(h) ~1-、~3-、~5- 和~10-mm 厚的SiC NFAS的實時溫度；(i) 放置在加熱平臺上時不同厚度的SiC NFAS的最高溫度。測試結果表明，~1 mm厚的SiC NFAS就具有良好的隔熱性能。
圖7. 用于個人熱量調控的SiC NFAS。晴天 (a) 12:00和 (c) 00:00 實時天氣狀況的數碼照片，插圖顯示實時溫度；覆蓋著一塊 (b, d) SiC NFAS (1.006 mm)、(e, f) 棉布(1.079 mm)、(g, h) 皮革(1.181 mm) 和 (i, j) 羊毛（1.182毫米）的紅外圖像和實物插圖；(k) 直接從一塊SiC NFAS上切割下來的“SiC”字母圖像；(l) 健康人的熱圖像；(m) 24小時內的實時溫度（2021年11月9日）；(n) SiC NFAS在極寒天氣中的應用示范；(o)人體皮膚和SiC NFAS之間的紅外輻射和反射示意圖，插圖展示了SiC NFAS 的SEM圖像。實驗結果表明，SiC NFAS具有優異的全天候隔熱保暖效果。
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