人体热量调节的法宝 —— 超轻、超弹碳化硅纳米纤维弹簧气凝胶

来源 | Journal of Advanced Ceramics

原文 | https://doi.org/10.1007/s40145-022-0606-2

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背景介绍

个人热量调节技术可以使人们单独控制热环境，从而显著地提高个人热舒适性。在极端环境条件下，保持热舒适度对人体的身心健康非常重要。如果体温过高或过低，都可能危及人体生命。此外，缺乏热舒适性可能导致劳动生产率下降，最终导致经济衰退。因此，保持工人的身体热舒适度对促进经济发展具有重要作用。

个人热管理设备应像普通衣服一样可穿戴，并能在寒冷环境中减少身体热量损失，在炎热环境中防止外部热量传递到身体上。为了实现这一目标，Zhao等人设计了热电能量转换装置，通过在温控内衣中交织的树形橡胶管网，为人体提供冷风(冷却模式)和热风(加热模式)。Guo等人开发了一种基于氟硅烷改性纺织品的个人能量管理装置，该装置可以利用人体的机械能为可穿戴电子设备供电，并在保持正常体温的同时防止身体热量的损失。Hsu等人报道了一种金属纳米线布，它具有普通布的耐磨性和透气性，由于个人热管理能力，在降低室内供暖能耗方面有很大潜力。Roh等人制造了一种金属复合织物制成的衣服，它将身体的热量反射给穿着者，并将外界的大部分辐射反射回来，从而消除了对体温的整体影响。Yue等人制备了一种多功能纳米银/纤维素纤维基隔热膜，实现红外辐射隔热。上述材料虽然具有优异的红外反射性能，但在实际应用中存在一定的局限性。聚合物基纺织品在低温下变得非常硬和脆，不宜在极冷条件下使用。至于金属纤维编织的纺织品，金属的高导热性限制了其在高温环境中的应用。众所周知，SiC具有优越的电磁特性、优异的光学、电和热性能、低成本、高硬度、良好的稳定性和环境友好性，但SiC纳米颗粒和纳米片易于团聚，在实际应用中存在一定的局限性。值得注意的是，与SiC纳米颗粒和纳米片相比，SiC纳米纤维具有更好的导电性、更大的表面积以及更好的力学性能，这为研究人员开发一种新型个人热能调节设备以提高人体热舒适控制提供了思路和灵感。

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成果掠影

郑州大学张锐教授、范冰冰副教授设计了一种多功能碳化硅纳米纤维气凝胶弹簧 (SiC NFAS)，它不仅可以防止低温下人体热量损失，还可以在高温下阻断外部热量传递到人体上，从而确保穿戴者在极端条件下的生命安全。该气凝胶弹簧由大量相互交织的3C-SiC 纳米纤维组成，具有稳定的三维(3D)结构，并且具有超薄、超轻和可压缩性，密度仅为9mg/cm³，此外，气凝胶弹簧还具有良好的阻燃性，在高、低温下均具有出色的化学稳定性和超低导热性，20℃时导热系数仅为0.029 W/(m·K)。研究成果以“Ultralight and hyperelastic SiC nanofiber aerogel spring for personal thermal energy regulation”为题发表于《Journal of Advanced Ceramics》。

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图文导读

图1. SiC NFAS的制备示意图。SiO ₂/Si和CaCO ₃/activated carbon混合粉末作为原料放置在石墨坩埚中，在1500℃氩气气氛下反应5 h，在石墨盖子上生成一层SiC纤维气凝胶，在700℃空气气氛下剥离该气凝胶，即得：SiC NFAS。

图2. SiC NFAS的宏观和微观特征、晶体结构和化学成分。(a) SiC NFAS制备示意图和相应的原子结构模型；(b) SiC NFAS的数码照片；(c) SiC NFAS的XPS总谱和(d) Si 2p XPS光谱；SiC NFAS的 (e) XRD图、(f) FTIR 光谱图和 (g) 拉曼光谱图；(h) 放置在文竹上的 SiC NFAS样品，显示其超轻特性；(i) SiC NFAS的SEM 图像和EDS光谱（插图）；(j) TEM 图像和 (k) 相应的碳化硅纤维的 C、Si和O元素mapping；(l) SiC 纤维的高分辨TEM图和 (m)相应的选区电子衍射图。

图3. 不同温度下SiC NFAS的机械性能。SiC NFAS在(a) 室温(~20℃)、(d) 高温(~700℃) 和(g) 低温(~-196℃) 下的高回弹性；SiC NFAS在 (b) 室温、(e) 高温和 (h) 低温下的压缩应力-应变曲线；SiC NFAS 在 (c) 室温、(f) 高温和 (i) 低温下的循环压缩应力-应变曲线。这些结果表明所制备SiC NFAS在极端温度下具有优异的力学性能。

图4. SiC NFAS在压缩和恢复过程中的微观结构演变。压缩变形的SEM 图：(a) ~10%、(b) ~40% 和 (c) ~60% 变形；(d)完全恢复后SiC NFAS的 SEM 图（标记的红色圆圈和曲线分别表示压缩和恢复过程中位移的变化）；(e–g) SiC NFAS 的弯曲过程；(h–j)展示了SiC NFAS的灵活性。测试结果表明，SiC NFAS在宏观和微观尺度上均具有优异的回弹性。

图5. SiC NFAS的热稳定性和化学稳定性测试。(a) SiC NFAS抗烧蚀的数码照片；(b) SiC NFAS的TGA曲线；(c)放置在SiC NFAS上花朵抗烧蚀的数码照片；(d) SiC NFAS在氩气气氛中不同温度下的热导率；SiC NFAS在加热平台上从 (e) 侧面和 (g) 顶部拍摄时的红外图像，(f, h) 对应的温度与时间曲线；SiC NFAS样品在空气中在800℃下加热5小时之前(i) 和 (j) 之后的 SEM 图像，插图是相应样品的数码照片；(k) 空气气氛中室温下所制备气凝胶的热导率与各种气凝胶材料的最高工作温度对比，表明本研究所制备气凝胶具有广阔的应用前景。

图6. 不同厚度SiC NFAS的隔热性能。(a) SiC NFAS 在~1、~3、~5 和~10 mm 厚度下的红外反射率和 (b) 红外透射率；(c) ~1、(d) ~3、(e) ~5 和 (f) ~10 mm厚的SiC NFAS放置在温度约为 48.5℃ 的加热平台上时的红外图像；(g) 不同厚度的 SiC NFAS 放置在不同温度的加热平台上的辐射温度；(h) ~1-、~3-、~5- 和~10-mm 厚的SiC NFAS的实时温度；(i) 放置在加热平台上时不同厚度的SiC NFAS的最高温度。测试结果表明，~1 mm厚的SiC NFAS就具有良好的隔热性能。

图7. 用于个人热量调控的SiC NFAS。晴天 (a) 12:00和 (c) 00:00 实时天气状况的数码照片，插图显示实时温度；覆盖着一块 (b, d) SiC NFAS (1.006 mm)、(e, f) 棉布(1.079 mm)、(g, h) 皮革(1.181 mm) 和 (i, j) 羊毛（1.182毫米）的红外图像和实物插图；(k) 直接从一块SiC NFAS上切割下来的“SiC”字母图像；(l) 健康人的热图像；(m) 24小时内的实时温度（2021年11月9日）；(n) SiC NFAS在极寒天气中的应用示范；(o)人体皮肤和SiC NFAS之间的红外辐射和反射示意图，插图展示了SiC NFAS 的SEM图像。实验结果表明，SiC NFAS具有优异的全天候隔热保暖效果。

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