通过将轻质气凝胶泡沫与相变材料结合的集成方式，实现高效的热绝缘效果

《Journal of Energy Storage》：Achieving high-efficiency thermal insulation through lightweight aerogel-foam hybrid integrated with phase change materials

本研究针对酚醛泡沫（PF）在极端条件下的热稳定性不足和静态隔热性能受限问题，提出了一种多阶段设计策略。通过溶胶-凝胶法制备PF/SiO?复合骨架，并采用真空浸渍技术引入SA相变材料，构建了静态隔热与动态调温协同的双模式热管理系统。实验表明，复合材料的导热率低至0.05 W·m?1·K?1（较纯PF降低40%），峰值温度降低8.1°C，且温度调节持续时间分别提高278%和148%。分子动力学模拟揭示了界面声子共振抑制与相变潜热协同作用机制，为航天器热防护系统及多领域热管理应用提供了智能材料解决方案。

　　本研究聚焦于酚醛泡沫（PF）在极端条件下热稳定性不足和静态隔热性能有限这一技术瓶颈，提出了一种创新的多阶段设计策略，成功开发出具有复合隔热性能的新型材料。通过将传统PF与二氧化硅气凝胶相结合，我们构建了一个具有超低导热系数的复合骨架，其导热系数为0.05 W·m?1·K?1，较纯PF提升了40%。进一步通过真空浸渍技术引入硬脂酸（SA）作为相变材料（PCM），我们构建了一个兼具静态隔热与动态调控的双重模式热管理系统。实验结果显示，该复合材料在导热系数为0.18 W·m?1·K?1的情况下，相较于传统PF/SA系统，峰值温度降低了8.1°C。此外，该材料的温度调控时间相较于原始PF延长了278%，相较于复合骨架延长了148%。通过分子动力学模拟，我们揭示了该材料在热传输中的基本机制，其中二氧化硅-PF界面处的声子共振抑制与相变潜热协同作用，从而形成了高效的热屏障。这种“骨架优化-功能集成”的策略为航天器热保护系统提供了智能化的材料解决方案，并推动了PCM在能源存储、热管理等领域的广泛应用。

全球能源危机的加剧，对工业优先事项产生了深远影响，催生了对适应性热调节技术的前所未有的需求。这种技术能够实现能源效率与操作可靠性之间的平衡，特别是在对温度敏感的应用场景中发挥重要作用。例如，光伏集成智能建筑需要实现日间热缓冲，而超音速飞机则需要瞬态热屏蔽。能够动态调节热传输的能力已成为关键的工程前沿。然而，传统静态材料如建筑中的矿棉隔热材料和航天中的烧蚀涂层，在面对快速波动或长期循环负载的复杂热环境时，逐渐暴露出系统性的缺陷。这些材料的基本限制源于其固定的导热系数以及在能量存储或释放方面的调节能力不足。

相变材料（PCM）提供了一种有吸引力的解决方案，通过利用潜热的吸收和释放，实现了高能量存储密度和精确的温度控制。具有低相变温度和高潜热的固-液PCM在热管理应用中被广泛研究。硬脂酸（SA）作为一种线性链脂肪酸，因其高潜热、最小的过冷、低蒸气压、化学惰性和成本效益而特别受到青睐。这些特性使其适用于航天器热控制、太阳能利用和建筑效率等多个领域。然而，SA在熔化过程中的泄漏以及热循环疲劳导致的性能衰减限制了其在实际应用中的推广。

为了解决这些问题，先进的材料工程技术开始关注将PCM限制在纳米结构多孔基质中。这类支架通过毛细力、表面张力和氢键作用物理地固定PCM，同时通过界面效应增强其性能。例如，分级孔结构不仅通过拉普拉斯压力防止泄漏，还通过调节结晶动力学，加速成核并抑制过冷。酚醛泡沫（PF）具有高自燃温度（480°C）和广泛的温度范围内优异的热稳定性，使其在航空航天、建筑、造船、石油和化工等行业中备受关注。值得注意的是，PF在隔热应用中的导热系数仍有进一步降低的空间。相比之下，二氧化硅气凝胶是一种三维纳米多孔材料，以其超低导热系数（低至0.012 W·m?1·K?1）、高比表面积（高达1000 m2·g?1）和超过98%的孔隙率而著称。这些特性使其成为航空航天热保护领域最有前景的超级隔热材料之一。然而，其固有的机械脆性显著限制了其作为独立材料的应用。Pekala通过将间苯二酚与甲醛进行溶-凝反应合成有机气凝胶的开创性工作，为材料设计开辟了新的途径。

近年来，研究重点转向了混合和纳米复合方法，以克服单一材料的局限性。虽然未经改性的PF较为脆硬且缺乏弹性，但其丰富的羟基为与增韧聚合物进行化学接枝或共聚提供了可能性。不幸的是，许多增韧策略会降低PF的热稳定性，从而限制其在高温环境中的应用。纳米材料的集成使这一领域焕发新生，使得开发出具有多功能机械和热性能的酚醛基气凝胶和复合材料成为可能。例如，用于制备酚醛气凝胶的策略已被证明可以产生具有增强多功能机械性能的材料。

一个关键的挑战在于实现热超级隔热、机械强度和动态温度调节的协同作用，而不必在性能上做出妥协。因此，迫切需要一种能够将热屏障骨架、机械增强框架和PCM集成的复合架构。本研究正是为了克服传统隔热材料的静态热性能和较差的能量调节能力，开发了一种符合性、可重复使用的热管理系统材料。为此，我们提出了一种新型复合材料，其结合了酚醛树脂/二氧化硅气凝胶（PF/SiO?）的复合骨架与SA作为PCM。通过创新的材料设计和多尺度表征方法，本研究确立了三个核心目标，这些目标对于先进热管理材料的开发至关重要。第一个阶段涉及设计和制造具有超低导热系数和增强机械强度的复合骨架。随后的工作则集中在对合成材料的微观结构、热机械性能和隔热性能进行系统表征。最终的目标是将分子动力学模拟与实验分析相结合，以阐明控制复合材料性能的界面相互作用和热传输机制。

本研究的第二部分详细介绍了实验和计算方法。第三部分展示了材料的微观结构表征、性能评估以及模拟结果，揭示了原子尺度上的热行为。这种综合方法展示了一个能够协同实现热绝缘与动态能量缓冲的自调节系统，为开发适应性热管理材料建立了一个新的范式，并为在极端条件下实现先进的热管理提供了基本的理论依据。

材料的选择在本研究中至关重要。硅源为山东科元生物化学有限公司提供的四乙基正硅酸盐（TEOS）。催化剂为北京化学试剂公司提供的盐酸（HCl）。溶剂为北京红湖联合化学产品有限公司提供的无水乙醇（EtOH）。酚醛树脂由上海美瑞生物化学技术有限公司提供。Tween 80和正戊烷由安徽泽盛科技有限公司提供。对甲苯磺酸由北京美尔达科技有限公司提供。SA作为相变材料被引入，以提升复合材料的热调节性能。这些材料的协同使用，使得我们能够在保持良好热稳定性的同时，实现更高的热绝缘效果和更优的动态温度调节能力。

为了深入研究多孔结构对二氧化硅气凝胶微观形态和结构的影响，我们使用了特定的比表面积分析仪测量了二氧化硅气凝胶的氩吸附/脱附曲线。如图3(a)所示，二氧化硅气凝胶的吸附/脱附曲线在IUPAC分类中属于IV型，滞后回路的类型为H?型。在低P/P?区域，曲线呈现上凸形态，吸附质在这一区域表现出特定的物理行为。通过分析这些吸附曲线，我们能够更好地理解二氧化硅气凝胶的多孔特性，并评估其作为热绝缘材料的潜力。此外，这种微观结构的表征方法有助于我们识别不同孔径和孔隙率对材料性能的影响，从而优化材料的设计。

实验结果显示，所开发的PF/SiO?复合骨架在热稳定性方面表现出显著优势，能够在极端温度条件下保持稳定性能。通过真空浸渍技术将SA引入该复合骨架，不仅提升了其热调节能力，还使其在动态热管理方面具有更长的调控时间。SA的引入使得复合材料能够在热循环过程中保持较高的能量存储和释放效率，从而避免了传统SA在熔化过程中的泄漏问题。这种双重模式的热管理系统能够在不同温度区间内实现高效的热绝缘和动态温度调节，满足了多种应用场景的需求。

此外，我们通过分子动力学模拟对复合材料的热传输机制进行了深入研究。模拟结果表明，二氧化硅-PF界面处的声子共振抑制与SA的相变潜热协同作用，形成了高效的热屏障。这种协同作用不仅提升了材料的热绝缘性能，还增强了其在动态温度调节中的表现。通过这种模拟方法，我们能够更好地理解不同界面相互作用对材料性能的影响，并为优化材料设计提供理论支持。

本研究的结论表明，通过结合溶-凝合成、真空浸渍和分子动力学模拟，我们成功开发出一种多功能的复合系统，该系统能够协同实现热超级隔热和动态温度调节。该材料的导热系数为0.05 W·m?1·K?1，比原始PF降低了40%，从而显著提升了其热绝缘性能。同时，该材料的温度调控时间相较于原始PF延长了278%，相较于复合骨架延长了148%，显示出其在动态热管理方面的卓越表现。这种新型材料不仅能够满足航空航天、建筑、造船等领域的热管理需求，还为未来开发更加智能化的热管理材料提供了重要的理论依据和技术支持。

本研究的成果为解决传统隔热材料在极端条件下的性能不足提供了新的思路。通过将PF与二氧化硅气凝胶结合，我们构建了一个具有优异热稳定性与热绝缘性能的复合骨架。这种复合骨架不仅在静态热管理方面表现出色，还通过引入SA作为PCM实现了动态温度调节功能。这种双重模式的热管理系统在多种应用场景中具有广泛的应用前景，特别是在需要精确温度控制和高效能量存储的领域。此外，本研究的多尺度表征方法为材料性能的优化提供了科学依据，使得我们能够更全面地理解材料的微观结构和热传输机制。

总的来说，本研究通过创新的材料设计和综合的实验与模拟方法，成功开发出一种具有优异热绝缘性能和动态温度调节能力的新型复合材料。这种材料不仅在静态热管理方面表现出色，还通过引入PCM实现了动态调控功能，为解决传统材料在极端条件下的性能瓶颈提供了有效的解决方案。未来，这种材料有望在航空航天、建筑、能源存储等多个领域得到广泛应用，并为开发更加智能化的热管理材料提供重要的理论支持和技术借鉴。