本文为发表在《Construction and Building Materials》期刊2021年第267卷上的原创研究论文《Inducing directional heat transfer by enhancing directional thermal conductivity of asphalt mixtures for improving asphalt solar collectors》。以下是对该研究的学术报告。

研究团队与发表信息 本研究由Lei Jiang, Shengyue Wang, Xingyu Gu, Norbu Dorjee, Bo Wu合作完成。通讯作者为Shengyue Wang。作者单位包括中国东南大学交通学院、西藏大学工学院以及西藏天路股份有限公司。该研究于2020年11月被接收，并于2020年12月在线发表。

学术背景与研究动机 本研究属于道路工程与可再生能源交叉领域，具体聚焦于沥青路面太阳能集热器技术。随着全球气候变暖和城市化进程，沥青路面因其对太阳辐射的高吸收率和低热导率，在夏季白天表面温度可超过70°C。这导致了一系列问题，包括车辙、老化等路面病害，加剧了城市热岛效应，并增加了夏季空调能耗。另一方面，高温也意味着路面吸收了巨大的太阳能。若能高效收集并利用这部分能量，不仅能缓解上述问题，还能产生可用能源。因此，沥青太阳能集热器或能量收集路面的概念应运而生。

现有的沥青太阳能集热技术主要包括光伏路面、热电发电机系统和嵌入管道的太阳能集热器。然而，沥青混合料的低热导率限制了热量向深层集热系统的传导速率与总量，成为制约集热效率的关键瓶颈。传统提升热导率的方法是在沥青混合料中均匀添加石墨等高导热填料，但这通常导致混合料的热导率是各向同性的，无法将热量定向高效地引导至集热系统。此外，填料添加量受限于混合料级配与性能，少量填料难以形成连续的导热通路。因此，本研究旨在突破各向同性导热的局限，通过构建“定向热诱导通道”来增强沥青混合料的定向热导率，从而诱导热量进行定向、快速的传输，最终提高沥青太阳能集热器的能量收集效率。

详细研究流程与方法 本研究采用有限元模拟与室内实验验证相结合的方法，系统探究了碳纤维构建的定向热诱导通道的传热特性及其对沥青混合料有效热导率的影响。

第一环节：概念设计与模型建立。 研究核心是使用具有高轴向热导率的碳纤维，在沥青混合料中构建垂直方向的定向热诱导通道。其设计理念是让通道作为路面表层吸热区与深层能量收集系统之间的“热传导桥梁”。为了研究通道的传热机理，研究者首先建立了三维有限元模型。模型模拟了一个稳态传热过程：一个由标准马歇尔沥青混合料试件（直径101.6 mm，高40 mm）与垂直嵌入的碳纤维组成的复合材料试件，被置于一个上铜棒（高导热）和一个下钢棒（较低导热）之间。模型顶部施加300 W/m²的恒定热通量，底部设定为恒温20°C，侧面假设为绝热。材料的热物性参数（如沥青混合料热导率为1.266 W/(m·°C)）被设定为常数。模型基于傅里叶定律建立，用于分析复合材料试件的温度场和热流分布。

第二环节：有效热导率的测量与模型验证。 为了验证有限元模型的准确性，研究使用TPS 2500-S热常数分析仪对沥青混合料试件的有效热导率进行了实测，结果为1.266 W/(m·°C)，标准偏差为0.03%。利用所建立的有限元模型对相同试件进行模拟，得到的有效热导率为1.263 W/(m·°C)。两者误差率仅为0.2%，这充分证明了所建立模型的可行性和准确性，为后续的参数化分析奠定了基础。

第三环节：参数化分析与传热特性研究。 在已验证的模型基础上，研究者对碳纤维的关键参数进行了系统的参数化分析，以评估它们对复合材料试件有效热导率的影响。这些参数包括：碳纤维的轴向热导率（范围从20到400 W/(m·°C)）、体积分数（范围从1%到100%）、纤维束数量（1至5束）以及轴向-径向热导率比（1到20）。通过控制变量法，逐一研究每个参数变化时，复合材料有效热导率及内部热流分布的变化规律。

第四环节：室内辐照实验验证。 为了验证模拟结果的温度变化趋势，研究设计了室内辐照实验。实验设置了一个对照组和一个实验组。对照组由三个不含热诱导通道的普通沥青混合料试件上下堆叠而成。实验组同样由三个试件堆叠，但其中间试件嵌入了垂直的碳纤维束（直径8mm，长40mm），即复合材料试件。实验使用红外灯照射试件顶部，并利用非接触式红外测温枪和埋入不同深度（0 cm, 4 cm, 8 cm, 12 cm）的温度传感器，分别测量了对照组和实验组在长达8小时辐照过程中的温度变化。

主要研究结果 1. 热诱导通道的传热特性： 有限元模拟结果清晰揭示了通道的工作原理。与对照组相比，复合材料试件的热流发生了显著变化。由于碳纤维的高导热性，热量更容易沿碳纤维而非沥青混合料传递，导致在复合材料上表面，热量向碳纤维汇聚。随后，汇聚的热量通过碳纤维构建的通道被快速向下传导，其最大竖向热通量达到2833 W/m²，是周围沥青混合料区域（73 W/m²）的39倍，也是对照组最大竖向热通量的9倍。同时，在碳纤维与沥青混合料的接触面附近存在强烈的水平热流，峰值达到1692 W/m²，这体现了热量从沥青混合料向碳纤维通道的“汇聚”过程。温度场分布也印证了这一点：碳纤维上端温度低于对照组相应位置，而下端温度则高于对照组，表明热量被快速导向试件底部。计算得到的复合材料有效热导率为4.9 W/(m·°C)，是普通沥青混合料的3.9倍，证明了通道能显著增强沿厚度方向的传热效率。

2. 碳纤维参数对有效热导率的影响： * 轴向热导率：对有效热导率有显著正向影响。当碳纤维轴向热导率达到20 W/(m·°C)时，有效热导率即比对照组提高160%。当达到400 W/(m·°C)时，有效热导率是对照组的9倍。但超过100 W/(m·°C)后，提升速率减缓。 * 体积分数：与有效热导率呈正相关。当体积分数低于10%时，提升较慢；超过10%后，提升速度加快。体积分数为1%和5%时，有效热导率分别是对照组的1.4倍和2.5倍。 * 纤维束数量：在固定体积分数下，纤维束数量对有效热导率有影响，且在高体积分数（15%）下影响更明显。例如，体积分数为15%时，纤维束从1增加到5，有效热导率变化了0.7 W/(m·°C)。有趣的是，在研究的分布下，3束纤维有时能获得比2束和4束更高的有效热导率，这可能与纤维束距试件中心的距离有关。 * 轴向-径向热导率比：影响较为复杂。对于单束、体积分数10%的情况，有效热导率在比值为3时达到最大值（4.69 W/(m·°C)），随后随比值增大而下降。这被解释为三个阶段：比值=1时，热量易从纤维径向散失；比值增大至3，抑制了径向散热，促进了轴向传导；比值进一步增大（如至20），虽然轴向传热比例更高，但过低的径向热导率削弱了上端的热量汇聚效应，导致进入纤维的总热量减少，反而降低了有效热导率。然而，当纤维束数量增加到5束时，由于热量汇聚面积增大，有效热导率在比值20时达到最大。

3. 室内实验验证结果： 室内辐照实验的温度变化趋势与模拟结果高度一致。在实验组复合材料试件上方（0-4 cm深度），温度低于对照组；而在其下方（8-12 cm深度），温度则高于对照组。经过8小时辐照后，在0 cm、4 cm、8 cm和12 cm深度处，实验组与对照组的温差分别为-0.6°C、-3.6°C、+2.4°C和+1.0°C。这直接证实了热诱导通道的“抽吸”与“定向传导”作用：热量在通道上端被汇聚并快速导走，导致该区域温度降低；同时热量被快速输送至下端释放，导致该区域温度升高。

研究结论与价值 本研究成功提出并验证了利用碳纤维在沥青混合料中构建“定向热诱导通道”的方法。主要结论如下： 1. 所构建的通道具有显著的热量汇聚效应，能够引导热量优先并快速地沿通道轴向传导，而非在低导热沥青混合料中缓慢扩散，从而显著提高了沥青混合料的定向热传递效率。 2. 通道的性能受碳纤维参数影响显著。其中，碳纤维的轴向热导率和体积分数起主导作用。即使仅添加1%体积分数的碳纤维（轴向热导率40 W/(m·°C)），即可将复合材料沿厚度方向的有效热导率提升至普通沥青混合料的1.4倍。 3. 室内实验证实了该通道的定向导热能力，表现为通道上端区域温度降低，下端区域温度升高。这一特性在应用于路面工程时，有助于降低路面表面温度，缓解城市热岛效应。同时，通道热流出端（下端）温度的提升，能够增大与集热系统冷端之间的温差，从而有望提高沥青太阳能集热器（如热电发电机或流体管道集热系统）的能量收集效率。

本研究的科学价值在于提出了一种通过构建非均匀、各向异性导热结构来主动管理沥青路面内热流路径的新思路，突破了传统均匀掺配填料实现各向同性导热的技术局限。其应用价值在于为高效沥青太阳能集热器的开发提供了一种创新的材料与结构解决方案，通过“热桥”设计，有望解决集热系统与路面吸热层之间热阻过大的瓶颈问题，对于推动道路基础设施向能源收集、环境调节的智能化、多功能化方向发展具有重要意义。

研究亮点 1. 创新性概念：首次提出在沥青混合料中构建“定向热诱导通道”的概念，将其作为连接路面吸热面与深层集热系统的“热桥”，以实现热量的定向、快速传输。 2. 方法学的系统性：研究采用了“机理模拟-参数分析-实验验证”的完整技术路线。利用有限元法深入揭示了通道内部的热流汇聚与传导机理，并系统量化了各关键设计参数（轴向热导率、体积分数、束数、各向异性比）对通道性能的影响规律，为工程优化设计提供了清晰指导。 3. 显著的性能提升：研究表明，即使加入少量碳纤维（如体积分数1%），也能显著提升定向热导率（1.4倍）。这为在满足路用性能要求的前提下，经济高效地提升沥青路面热管理能力提供了可能。 4. 明确的应用前景：研究不仅停留在材料性能提升层面，更紧密联系工程应用，明确指出该技术可降低路面温度、提高集热系统温差，从而提升能量收集效率，兼具环境效益与能源效益。

其他有价值内容 研究还指出了在实际应用中需考虑的经济性平衡问题。例如，碳纤维轴向热导率越高，增强效果越好，但成本也越高。因此，未来在路面工程应用中，需要在热导率提升效果与碳纤维的经济性之间寻求平衡。此外，研究中对轴向-径向热导率比影响机制的深入分析（三个阶段），加深了对各向异性材料在复合体系中传热行为的理解，对类似复合材料的设计具有参考价值。