热二级管，让热能有序传输丨“2”的专题人类对热能的认识和使用经历

人类对热能的认识和使用经历了漫长的发展历程，从最初的钻木取火直接使用热能，到将热能转化为机械能和电能再进行利用，热能使用方式的变化一定程度标志着人类社会文明的发展与进步。然而，热能在使用过程中往往存在利用或转化效率低的问题，提高热能使用效率是人类永恒不变的追求。

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（图片来自网络）
热能使用效率低，很大程度是因为热量的无序传输。那么有没有一种器件可以让热能像电能一样按需、有序传输，这样热能的使用效率自然会有较大提升。受电二极管启发，研究人员提出了热二极管的概念，即沿某一方向热流容易通过，而反方向则不容易通过。
借鉴电子二极管由PN结构成，科学家提出用两种热导率随温度变化趋势不同材料紧密接触形成异质结，进而构筑出热二极管。合金、金属氧化物、硫化物等材料热导率随温度变化均发生改变，可用于构建热二极管，然而它们的热导率随温度变化幅度很小。这个时候相变流体（包括固-液相变材料、温敏聚合物等）引起了人们的注意，因为它们相变（相变是物质从一种相转变为另一种相的过程）温度通常较低、且发生在很小温度区间内，热导率在相转时会发生突跃式变化。
于是，研究人员构筑出了基于相变流体的热二极管。可是，相变流体易泄漏，不得不封装于刚性材料中，这样的热二极管不适用于曲面，即使为适应曲面而预制，也会在使用过程中因温度变化引起的膨胀/收缩与曲面之间产生间隙而失效。

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热二极管示意图
针对上述难题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究团队提出了气凝胶薄膜约束相变流体构筑柔性热二极管策略。张学同研究团队一直从事气凝胶材料的结构设计、控制合成及应用研究，为了构筑出柔性热二极管，制备出力学强度高、柔性好、热导率低的芳纶纳米纤维气凝胶薄膜OANF及DANF(致密化处理，力学强度和柔性更加优异) ，以负载相变流体。聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水溶液在温度升高至32℃以上发生凝胶缩聚，热导率随之升高，利用OANF约束PNIPAM水溶液即可获得正温度系数气凝胶约束相变流体OANF-PNIPAM 。
为了与OANF-PNIPAM相互匹配构建异质结，从种类众多负温度系数相变流体中筛选，依据的原则为相变温度接近、亲疏水性能相反，最终筛选出二十烷(C20) ，并利用DANF约束C20获得柔韧性能良好的负温度系数气凝胶约束相变流体DANF-C20 。优化获得的这两种气凝胶薄膜约束相变流体厚度，通过彼此接触构筑出热二极管。此热二极管具有良好柔性和力学强度(抗拉强度≥7.2MPa) 。

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气凝胶约束相变流体构筑柔性热二极管示意图
为了研究此气凝胶约束相变流体热二极管热整流性能，实验室搭建了测试装置，冷端和热端分别由循环水冷装置和Bi2Te3热电陶瓷片精确控制温度。正向热流和反向热流均随两端温差增加而增加，但正向热流增加幅度更高，当两端温差增加到40°C时，热整流比达到最大值2.0 。热二极管的可靠性在实际应用中至关重要，为了表征可靠性，测试了此热二极管热整流循环稳定性，循环50次，热整流比在1.94和2.03之间波动，稳定性良好，这要归功于OANF及DANF气凝胶薄膜强毛细作用力，对相变流体具有很强的约束功能，以及OANF-PNIPAM与DANF-C20间良好的界面稳定性。