Janus颗粒稳定不对称多孔复合材料实现高效热整流：面向能源管理的新型增材制造策略

研究人员针对传统热整流材料结构不对称性不足、制备工艺复杂等问题，通过Janus颗粒（JPs）稳定乳液逐层浇铸法，构建了具有显著孔隙不对称性的复合材料（JAPCs）。该材料实现了高达38%的热整流比（TR），其层间独立调控特性为增材制造复杂多孔结构提供了新思路，在建筑节能、航天热管理等领域具有应用潜力。

　　

研究背景与意义
全球碳减排背景下，热管理策略对提升能源利用效率至关重要。热整流（thermal rectification）作为一种定向调控热流的技术，可实现热量单向高效传输，但其核心挑战在于如何构建具有显著结构不对称性的材料。传统方法如纳米结构制备成本高昂，相变材料（PCMs）受限于相变温度范围，而梯度多孔结构又难以实现足够的非对称性。

研究设计与方法
中国科学院的研究团队提出了一种基于Janus颗粒（JPs，具有两亲性的雪人状复合颗粒）稳定乳液的增材制造方法。通过逐层浇铸不同孔隙结构的乳液层并聚合，构建了Janus颗粒稳定不对称多孔复合材料（JAPCs）。关键技术包括：

1. 种子乳液聚合法合成JPs，调控其界面活性
2. 水包油乳液体系的多参数（JPs剂量55-75 vol%、内相体积分数3-20 wt%）独立调控
3. 微CT和SEM表征三维孔隙结构
4. Hot Disk热导率测试与有限元模拟验证热整流机制

研究结果

JAPCs的制备与表征
通过JPs稳定乳液的双层浇铸，成功制备了孔隙尺寸（62 μm vs 160 μm）和孔隙率（60% vs 76%）对比鲜明的复合材料。

显示，JPs在孔壁表面定向排列（亲水二氧化硅朝向孔腔），微CT证实两层间无实际界面边界，仅有局部孔隙互穿。

热整流行为
实验测得JAPCs正向热导率（k_fwd）0.074 W/(m·K)高于反向（k_rev）0.062 W/(m·K），TR达20%。

显示，正向加热时表面温度达67°C（反向65°C），有限元模拟揭示孔隙不对称性导致轴向热传导速率差异是核心机制。

性能调控
通过调节JPs剂量（5→20 wt%）和内相体积分数差（55→75 vol%），TR可从1%提升至38%。

显示，7520/7503组合的孔隙尺寸比（2.58:1）和孔隙率比（1.27:1）产生最优性能。

应用验证
30×30 cm²大面积JAPCs成功制备，模型房屋实验证明其可依据环境温度波动切换导热/隔热模式：白天正向导热（温升快2°C），夜间反向保温（温降慢15%）。

交替多层结构拓展

展示7层交替多孔结构，模拟表明奇数层叠加可进一步放大TR效应。

结论与展望
该研究通过JPs乳液浇铸法突破了传统热整流材料的结构限制，其创新性体现在：

1. 首创利用JPs界面稳定性实现层间独立调控，孔隙不对称性显著优于梯度材料
2. 揭示孔隙尺寸/孔隙率对比与TR的定量关系，最高TR值（38%）刷新多孔材料纪录
3. 开发可规模化生产的增材制造工艺，为航天器热屏蔽、建筑节能等场景提供解决方案
   未来可探索JAPCs与相变材料的复合设计，进一步拓宽工作温区。该成果发表于《Nature Communications》，为功能化多孔材料的精准构筑提供了普适性策略。