基于仿生设计的具有双相变区间的Janus复合材料用于全季节热舒适提升的学术研究报告

一、 作者、机构及发表信息 本研究由哈尔滨工业大学能源科学与工程学院、哈尔滨工业大学（威海）青岛研究院以及烟台大学热能与动力工程系的研究人员共同完成。主要作者包括Xudong Chen、Yuxiang Ou、Zhiyuan Zhang、Zihang Su、Xiaowei Sun、Yan Dong以及通讯作者Fuqiang Wang。研究成果以“Bio-inspired Janus composite with dual-phase change ranges for all-season thermal comfort”为题，发表在学术期刊 Advanced Composites and Hybrid Materials 上，刊载于2025年第八卷，文章编号459。文章于2025年8月26日收稿，经修订后于2025年11月19日被接受发表。

二、 学术背景与目标 本研究属于节能建筑与先进功能材料交叉领域，具体聚焦于被动式热调节材料。在能源消耗和“双碳”目标日益受到关注的背景下，通过绿色、节能的方式实现温度调节以满足热需求变得至关重要。特别是在典型的室外场景中，由于季节变化和昼夜循环，热舒适需求呈现出多样化特征：白天，材料需要根据环境温度变化而升温或降温；夜晚则更为复杂，通常分为热、舒适或冷三种典型场景，分别对应持续散热、温度维持和低温补偿的功能需求。这种差异化的热调节需求对被动式热调节材料的设计提出了更高挑战。

目前，复合相变材料（Composite Phase Change Material, CPCM）虽能利用潜热有效调节温度，并可通过设计赋予被动日间辐射加热（Passive Daytime Radiative Heating, PDRH）或被动日间辐射冷却（Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC）等附加能力，但现有研究仍存在明显局限。一些研究关注单一辐射功能（如仅PDRH或PDRC），无法满足多样化的冷热需求。另一些研究尝试集成多种辐射功能，但所加载的相变材料往往仅具备单一的相变区间（即固定的相变温度），这导致它们难以覆盖复杂的夜间条件：在炎热的夜晚仅能提供短时温度维持以避免过冷，或在寒冷的夜晚无法实现长期有效的低温热补偿。因此，现有材料难以实现真正的全季节热管理。

为解决上述问题，本研究从自然界中企鹅的热调节策略获得灵感。企鹅在白天通过翻转向阳面来适应环境；在夜晚，一般情况下它们维持肢体正常温度，而在寒冷环境中，则通过血管逆流热交换将肢体冷却至接近环境温度以减少热损失。受此启发，本研究旨在开发一种仿生复合相变材料（Penguin-inspired Composite Phase Change Material, PCPCM），其核心设计理念是集成一个具有“Janus”（两面神）特性的表面以适应日间不同的冷热环境，同时结合具有两个不同相变区间的相变材料，以应对夜间舒适或寒冷的不同温度条件。最终目标是构建一种能够满足昼夜及全季节多样化热需求的新型被动热调节材料。

三、 详细研究流程 本研究流程系统且严谨，主要包含材料制备、结构表征、性能测试与模拟评估四个主要部分，具体步骤如下：

1. 碳化模板与碳化硅骨架的制备：

   • 研究对象与处理：以松木边角料为原料，切割成条状。
   • 碳化过程：将松木置于管式炉中，在氩气气氛下以1°C/min的速率升温至1000°C，保温1小时，然后以相同速率冷却至室温，获得结构稳定、无裂纹的高纯度无定形碳模板。该步骤旨在利用木材天然的、规则的孔隙结构作为后续模板的基础。
   • 碳热还原（硅化）反应：将碳模板与硅粉（质量比1：3）置于焦耳加热炉的坩埚中。在高真空环境下，以150°C/min的速率升温至1550°C，保温2小时后冷却至室温，以避免模板因热胀冷缩而损坏。此过程中，碳与硅反应生成碳化硅。反应产物经乙醇清洗并风干后，得到碳化硅骨架。该骨架继承了木材模板的多孔结构特征，其孔壁由连续致密的碳化硅晶粒构成，大尺寸空腔有利于后续封装。

2. PDRC涂层的制备与涂覆：

   • 涂层配方：以氟化丙烯酸树脂为基体，正丁基乙酸酯为溶剂，按质量比18:7混合并搅拌至均匀分散。随后，加入作为无机散射填料的硫酸钡（BaSO₄）和二氧化钛（TiO₂）颗粒，二者质量比为1:1，总质量占基体混合物质量的25%，继续搅拌60分钟。
   • 填料选择依据：通过有限差分时域法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）模拟分析了不同粒径（0.25-8 µm）颗粒的散射效率。模拟结果表明，选择1.0-4.0 µm的BaSO₄颗粒和约1 µm的TiO₂颗粒作为复合填料，可以确保涂层在0.38-2.5 µm的全太阳光谱范围内均具有高散射效率，从而实现高太阳反射率。
   • 涂覆工艺：在骨架的非目标表面用胶带密封后，使用微量移液器吸取约50 µL制备好的涂层混合物，滴加并引导其覆盖骨架的目标表面。利用混合物的流动性覆盖整个表面，随后在15-25°C环境下静置12小时，使溶剂自然挥发、涂层完全干燥，最终形成致密光滑的辐射冷却（PDRC）涂层。涂层面定义为PDRC面，未涂覆面定义为被动日间辐射加热（PDRH）面。

3. 复合相变材料的封装：

   • 封装过程：将制备好的复合骨架（包含PDRC涂层）与相变材料正十七烷（n-heptadecane, C₁₇H₃₆）一同放入烧杯中，置于真空烘箱内。在50°C的恒温真空环境中浸渍48小时，确保PCM充分渗入骨架的孔道中。
   • 后处理：浸渍完成后，取出样品置于滤纸上静置10分钟，并定期更换滤纸，直至无明显油渍。此时，仿生复合相变材料（PCPCM）制备完成。

4. 材料结构与性能表征：

   • 微观结构：使用场发射扫描电子显微镜观察了从松木到碳模板、碳化硅骨架、PDRC涂层的结构演变过程，以及涂层的横截面元素分布。同时，使用X射线衍射仪分析了碳化硅骨架和PDRC涂层的晶体结构。
   • 热物理性能：使用差示扫描量热仪测试了纯PCM和PCPCM的相变温度和潜热。使用激光闪射法测量了材料的热扩散率并计算了热导率。通过红外热像仪观察了材料在加热/冷却平台上的热响应速度。
   • 辐射性能：使用紫外-可见-近红外分光光度计测量了材料在300-2500 nm波长范围内的反射率/透射率；使用傅里叶变换红外光谱仪测量了材料在8-13 µm大气窗口波段的发射率。

5. 被动热调节性能测试：

   • 室内模拟辐照测试：使用太阳能模拟器（辐照强度1000 W/m²），在冷环境和热环境下，分别测试了PDRH面样品、PDRC面样品和纯PCM样品在模拟太阳辐照下的温度响应曲线。
   • 室外实地测试：在山东威海（37°54′N, 122°09′E）进行了全天候户外实测。测试装置中，样品被置于泡沫腔体内，周围环境用镜面贴纸覆盖以隔离环境热辐射，顶部覆盖PP膜以隔绝自然对流干扰。在冷环境（2025年3月19日）和热环境（2025年5月11日）下，实时记录了PCPCM样品、碳化硅骨架及环境温度的变化，评估其日间升/降温能力和夜间温度维持/补偿效果。

6. 全年热舒适性模拟评估：

   • 模型建立：使用建筑能耗模拟软件EnergyPlus建立了一个单层建筑模型。将PCPCM应用于屋顶，并与常规屋顶进行对比。
   • 评估指标：采用Fanger热舒适模型中的预测不满意百分比作为热舒适评估指标。
   • 模拟内容：利用美国能源部在线数据库的气象数据，模拟了北京典型月份（冬、春、夏、秋）的室内PPD变化；分析了不同相变区间（单一高熔点PCM、单一低熔点PCM、双相变区间PCPCM）对季节性平均PPD的影响；评估了PCPCM在中国不同气候区典型城市（如海口、沈阳、成都等）应用的全年平均PPD改善效果和节能潜力。

四、 主要研究结果 1. 材料结构与性能设计成功实现： * 微观结构表征证实，通过碳化和碳热还原反应成功制备了具有规则多孔结构的碳化硅骨架，孔隙率高达79.63%。PDRC涂层表面平整光滑，呈“菜花状”微观结构，且涂层与骨架界面结合紧密。 * 辐射性能测试显示，PCPCM的PDRH面（未涂层面）在整个太阳光谱范围内的吸收率高达86.46%。其增强机制主要归因于碳化硅骨架的多孔结构（孔径远大于太阳辐射主导波长），入射光在孔壁间发生多次散射和反射，延长了光程，增加了吸收概率。 * PDRC面（涂层面）在太阳光谱范围内的反射率达94.89%，在大气窗口（8-13 µm）的发射率达92.15%，表现出优异的辐射冷却性能。FDTD模拟结果支持了所选BaSO₄和TiO₂填料粒径组合的有效性，XRD和元素面扫结果证实了涂层成分和分布的均匀性。 * DSC测试结果表明，封装后PCPCM保留了正十七烷的双相变特征：第一个相变峰对应正交晶相（C）向旋转相（R）的固-固转变（约9.8°C），第二个峰对应旋转相（R）向液相（L）的固-液转变（约22.4°C）。这种双相变区间是应对不同夜间温度条件的关键：较高温度的R-L相变可用于舒适夜晚的温度维持，而较低温度的C-R相变则可在寒冷夜晚提供长期低温热补偿。封装效率为91.48%，循环200次后相变焓保留率达96.82%，表现出良好的循环稳定性。 * 热导率测试表明，PCPCM的热导率达到29.80 W/(m·K)，远高于纯PCM（固态0.10，液态0.17 W/(m·K)）。这归功于木材衍生的有序碳化硅骨架形成了稳定连续的热传导通路，且高纯度的β-SiC晶体抑制了声子散射。PDRC涂层的引入虽因界面热阻导致热导率略有下降（19.16 W/(m·K)），但仍远高于PCM本身。红外热成像证实了复合材料加热和冷却速率显著快于纯PCM，且热量分布均匀。

1. 被动热调节性能优异：

   • 室内模拟测试：
     • 冷环境下，PDRH面样品在200秒内温度从4.8°C快速升至80.6°C，相变过程引起的升温放缓仅持续15-20秒，最终稳态温度达86.2°C；而PDRC面样品温度上升缓慢，仅从5.2°C升至18.2°C，表现出显著的抑温效果。
     • 热环境下，PDRH面最终温度为106.4°C，PDRC面最终温度仅为50.4°C，显著低于PDRH面和纯PCM样品（68.0°C），验证了PDRC面在高温环境下的光热抑制能力。
   • 室外实地测试：
     • 冷环境：白天，PCPCM（PDRH面朝上）平均温度比环境高11.0°C，正午最大温差达17.6°C，显示了卓越的日间被动加热能力。日落后，利用R-L相变潜热实现了93分钟的延迟保温。夜间环境温度降至8-10°C时，材料通过C-R相变持续释放热量，整夜平均温度比环境高0.5°C，实现了有效的低温补偿。
     • 热环境：白天，PCPCM（PDRC面朝上）最高温度比环境低9.0°C，日间平均低4.8°C，证明了优异的日间被动冷却能力。日落后，由于PDRC涂层的高大气窗口发射率，材料温度短暂低于环境。随后，借助L-R相变潜热进行温度补偿，使材料温度维持在21–25°C的舒适区间长达331分钟，相比环境温度（260分钟）延长了27.3%。

2. 全季节热舒适性模拟评估证实广泛适用性：

   • 在北京的模拟结果显示，与常规屋顶相比，PCPCM屋顶在冬季能将月平均PPD从56.20降至43.59；在过渡季节（春、秋）能将PPD从11.³⁸⁄₈.05进一步降至6.²²⁄₅.84；在夏季能将PPD从45.63大幅降至19.55，证明其能有效提升全年热舒适性。
   • 对比单一相变材料，具有双相变区间的PCPCM能同时有效应对炎热和寒冷环境，并在过渡季节表现更优。
   • 在中国典型气候城市的模拟表明，PCPCM在不同气候区均能显著提升热舒适性，在炎热的海口可降低PPD 27.89%，在寒冷的沈阳可降低PPD 17.28%。在节能方面，对成都的年节能率高达17.25%。PCPCM在中国夏热冬冷地区和沿海城市具有显著的改善潜力，全年平均PPD降低率可达16.67%。

五、 研究结论与价值 本研究的核心结论是成功开发了一种受企鹅启发的、集成了Janus辐射表面和双相变区间的复合相变材料（PCPCM），有效解决了传统被动热调节材料仅适用于单一温度条件的局限性。该材料通过Janus表面切换实现日间主动的加热或冷却调节，并通过双相变区间协同满足夜间不同温度条件（舒适或寒冷）的需求，从而协同提升了建筑的全季节热舒适性。

其科学价值在于：提出并验证了一种新颖的“辐射功能切换 + 双相变区间协同”的集成设计策略，为应对复杂多变环境的热管理材料设计提供了新思路。这不仅深化了对多模态热调节机制的理解，也展示了仿生学在先进功能材料设计中的强大指导作用。

其应用价值在于：PCPCM材料在建筑节能领域，特别是作为屋顶或外墙的智能热调节层，展现出巨大的应用潜力。实验和模拟结果均表明，该材料能够因地制宜地实现显著的日间温度调节（最大升/降温幅度达+17.6°C/-9.0°C）、延长夜间舒适时长、并在寒冷夜间提供持续的热补偿，从而减少建筑供暖和制冷能耗，提升室内人员的全年热舒适体验。这为构建绿色、节能、自适应的建筑围护结构提供了一种可行的技术方案。

六、 研究亮点 1. 创新的仿生设计理念：首次将企鹅的日间行为（翻转身体）和夜间生理机制（肢体温度分级调节）系统性地转化为材料的功能设计，即Janus辐射表面和双相变区间的有机结合，构思巧妙。 2. 独特的多功能集成：在同一材料体系中成功集成了被动日间辐射加热、被动日间辐射冷却和基于双相变区间的潜热储存/释放三种功能，实现了对日间冷热环境和夜间不同温度条件的全面、自适应响应。 3. 关键的双相变区间设计：所采用的PCM（正十七烷）固有的双相变特性被成功保留并利用，这是实现夜间“舒适维持”与“低温补偿”差异化功能的核心，突破了现有研究中单一相变区间材料无法覆盖复杂夜间场景的技术瓶颈。 4. 高效的生物模板骨架：利用松木天然、规则的多孔结构作为模板，制备出具有优异热导率（29.80 W/(m·K)）的碳化硅骨架，不仅为PCM提供了高负载空间（封装效率91.48%），还极大地加速了热响应速度。 5. 性能的全面验证：研究从微观结构、热物性、辐射特性到室内外热调节性能进行了系统表征，并结合了全年、多气候区的建筑能耗与热舒适模拟评估，形成了一个从材料设计、性能优化到应用评估的完整研究闭环，结论坚实可靠。