仿生鱿鱼皮，以太空毯为参考探索调温材料，能否改变热管理领域？

大家好，关于仿生鱿鱼皮，以太空毯为参考探索调温材料，能否改变热管理领域？很多朋友都还不太明白，今天小编就来为大家分享关于的知识，希望对各位有所帮助！

«——【·前言·】——»

高效的热管理对于许多现代技术的运行至关重要，例如电子电路、智能服装和建筑环境控制系统。通过借鉴太空毯的静态红外反射设计，并从鱿鱼皮的动态变色能力中汲取灵感，我们开发了一种具有可调热调节性能的复合材料。

研究表明，通过借用太空毯的静态红外反射设计和鱿鱼皮的动态变色能力，有可能开发出一种具有可调热调节性能的复合材料，其透光率提高约25/off开关比，可以调节约36 W/m2 的热流，动态环境设定温度范围约为8C，该复合材料还可以管理个人四分之一的代谢热流，并且可以根据这些特征和相关指标优越，该材料经过广泛部署和采用后，可显着降低建筑能耗。

«——【·热管理领域的应用·】——»

仿生设计

我们设想一种个人热管理技术，该技术将利用太空毯的静态红外反射配置，并从鱿鱼皮固有的动态变色机制中汲取灵感。

我们设计了一种复合材料，由柔软且可拉伸的红外透明聚合物基体和通过柱状纳米结构牢固锚定在基体内的红外反射金属场阵列组成。

在我们的设计中，聚合物基质模仿了鱿鱼含有色素细胞的透明真皮，而金属场则模仿了器官本身嵌入的色素细胞。

在进行任何机械激活之前，红外反射金属的纳米结构锚定场紧密堆积并完全覆盖下面的基质，类似于鱿鱼皮中膨胀的板状色素细胞重叠的方式。

该复合材料反射几乎所有传入的红外辐射，类似于重叠色素细胞阵列反射特定波长的可见光的方式。

当机械激活时，锚定金属场分离并露出部分拉伸的基础聚合物基质。与鱿鱼皮中收缩的点状色素细胞的分离方式类似，该复合材料传输了很大一部分入射红外辐射。与缩小的色素细胞阵列类似，透射相对更多的可见光。

本质上，机械活化（拉伸）可逆地改变复合材料的表面微观结构，从而动态改变其传输和反射红外辐射（例如热）的能力。

总体而言，该设计同时结合了太空毯的理想技术优势（即简单且低成本的制造能力和出色的能源效率）与鱿鱼皮独特的自然特性（即有利的外形尺寸和按需可控性）。 ）。

复合材料制备

我们的实验从根据图中的方案制备所需的温度调节复合材料开始，我们通过常见的实验室技术和方法制备了面积大于约160 cm2的样品，这最终可以在工业上进行更详细的实验。规模。大面积制造。

简而言之，我们通过电子束蒸发以两步倾斜角沉积的方式将纳米结构铜膜蒸发到支撑基板上，并通过自上而下的扫描电子显微镜（SEM）证实，由连续金属（Cu）获得的纳米结构铜膜）从涂层中出现的倾斜纳米柱阵列。

接下来，我们将红外透明苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）共聚物34,35直接旋涂到纳米结构金属层上，以牢固地将铜柱固定在该弹性体中。通过截面SEM 证实。

然后，我们对所得复合材料进行热处理和剥离，以获得与支撑基底分离的材料，该材料的一侧具有断裂的多域铜涂层，并通过自上而下的SEM 进行了确认。

所描述的稳健、高通量工艺提供了与图中设想的类似的均匀且相对大面积的复合材料。

红外和机械表征

我们最初通过拉伸测试来表征复合材料的机械性能，同时评估不同应变下的表面微观结构。

对于我们的复合材料，工程应力与工程应变曲线表明它们的行为类似于柔软且可拉伸的弹性体，平均弹性模量约为2 MPa，断裂伸长率约为700%。在松弛状态下，该复合材料在数码相机成像中可见为不透明且高反射性，其表面由密集排列的相邻、不规则形状的金属域组成，完全覆盖了下面的聚合物基体。通过能量色散光谱（EDS）证实。

在30% 应变下，复合材料变得部分透明且反射性降低，在数码相机成像中可见，其表面由相邻但不直接接触的金属场的稀疏排列组成，揭示了部分应变的基础聚合物基体，经SEM 和EDS 证实。

在50% 的更大应变下，复合材料进一步提高了其可见透明度，并且显得反射较少，在数码相机成像中可见，其表面由彼此间隔更远的金属场排列组成，揭示了更多应变的基础聚合物基体，经SEM和EDS证实。

该复合材料可以在1秒内加载/卸载，完全可逆地改变其可见外观和表面微观结构，并且可以轻松承受重复的机械循环。

有趣的是，复合材料表现出与各种鱿鱼皮肤成分相似的特性，包括弹性模量（对于含有真皮层的色素细胞，范围约为0.5-3 MPa）和响应时间（对于色素类器官为1 秒）。 26、极度拉伸能力（色素细胞直径扩大14倍）27。

这些复合材料表现出热开关应用所需的多种有利特性，包括快速响应时间、柔软的可拉伸形状系数和简单的激活机制。

接下来，我们表明可以通过施加机械刺激（单轴应变）按需动态调节复合材料的红外反射率和透射率。在松弛状态下，由于红外透明聚合物基体是红外反射铜，。。性复合材料的平均总反射率约为100，平均总透射率约为1，并且没有与特定官能团相关的明显信号涂层完全覆盖。

在30% 应变下，。。性复合材料的平均总反射率降低至约77%，平均总透射率增加至约16%，以及与SEBS 的化学功能相对应的信号（例如C=C 、CH2 和=CH)，确认基础聚合物基质部分已显露。

在较大的50% 应变下，。。性复合材料的平均总反射率降低至约67%，平均总透射率增加至约25%，SEBS 相关光谱信号的强度增强是由于基体的退化聚合物基质。进一步曝光。

总体而言，复合材料的反射率和透射率均表现出对应变的非线性依赖性。在30%、50%和100%应变时反射率分别降低约251%、约351%和约47%。 2%，在30%、50%和100%应变时，透射率分别增加约151%、约242%和约393%（相对于初始无应变状态）。

值得注意的是，该复合材料在红外反射率和透射率方面表现出完全可逆的变化，并且在约103 次活化循环后也表现出良好的稳定性。

基于0% 和100% 应变下的透射率，我们的机械激活材料的最大透射率开/关比约为25，超过了辐射热开关的最佳值。这些复合材料在热开关应用中表现出额外的优势。几个理想的特性包括可逆性、稳定性和高开/关比。

«——【·复合材料管理·】——»

热建模和评估

在确认我们的复合材料的可调红外特性后，我们评估了它们在可穿戴配置中自适应热管理的潜力。

我们使用光谱测量和计算来模拟不同激活状态下人体皮肤、复合材料和周围环境之间的热传递（为了进行比较，我们对几种常见类型的织物进行了类似的实验和计算）。

我们还确定了环境设定温度，即皮肤温度和出口热通量保持恒定的温度，以确保个人在穿着无应变和应变复合材料（或织物类型）时保持热舒适性。

在松弛状态下，复合材料的设定温度约为14.5C，与太空毯的约14.3C 类似；在适度的30% 应变下，复合材料的设定温度约为19.2C，与太空毯的设定温度类似。 Columbia Omniheat 羊毛衬里的温度相似，约为18.9C。

在应变增加50% 时，复合材料的设定温度约为20.9C，与羊毛的约20.5C 相似，而在更大的100% 应变下，复合材料的设定温度约为22.7C。与棉花的~22.8C 相似。总而言之，我们的红外光谱实验和随后的计算证实，该复合材料可以通过应变快速激活，以将佩戴者的热量保持在约8.2C 的环境设定温度范围内。舒适，这是任何类似被动材料报道的最大动态范围之一。

从本质上讲，复合材料具有前所未有的切换能力，可以实时调制其红外反射和透射以模拟各种织物（请注意，普通织物在施加应变时通常会表现出微小和/或不可逆的红外特性变化），假设在高级服装中广泛部署和采用，我们的复合材料的8C 显着动态温度设置窗口可以使建筑能耗预计减少30%。

人体测试

我们评估复合材料作为可穿戴系统中动态可切换组件的能力，更具体地说，评估它们局部管理体温的能力。为此，我们制造了基于复合材料的定制套筒，通过简单的紧固件组装能够机械激活连接的复合材料（为了进行比较，我们准备了类似的基于太空毯的套筒）。

我们给人类受试者安装了这些袖带，然后在不同应变下激活复合材料时，记录了受试者被覆盖和未覆盖的前臂的出口热通量和表观温度的变化。

在最初的基线实验中，基于静态太空毯的袖子捕获了被覆盖的前臂辐射的热量，从而使其温度比同一个人裸露的前臂高出约1.0 0.1C。

在没有施加应变的情况下，基于复合材料的套筒捕获了被覆盖的前臂散发的热量，使其温度比同一个人裸露的前臂高出约0.90.1C，类似于太空毯。

在30% 的应变下，复合材料套筒仅捕获了被覆盖的前臂散发的部分热量，其温度仅比同一个人裸露的前臂高出约0.30.1C，这是测量到的太空毯的温度改变两次以上。

在50% 应变下，复合材料套筒捕获的被覆盖前臂散发的热量显着减少，其温度仅比同一个人裸露前臂高出约0.1 0.1C。 10次。

测量结果表明，复合材料袖带可以通过调节来实时管理佩戴者向周围环境的热通量，并以优异的控制能力调节佩戴者的局部体温变化，达到近一个数量级。

测量的最大温度变化大约是各种人类主观感觉阈值的2-5 倍，原则上，通过使用透气性增强的袖子，复合材料袖套的用户可以轻松感知不同激活状态的热效应43。类似于红外透明聚合物基体的复合材料可以进一步提高套筒的性能和佩戴者的舒适度。

这些令人兴奋的初步发现为开发复杂的复合材料服装奠定了基础，这些服装可以通过更先进的策略在特定位置激活，以调节整个穿着者身体的局部热环境。

«——【·作者观点·】——»

研究团队受到太空毯的静态红外反射设计和鱿鱼皮的动态变色能力的启发，开发了一种人工热调节材料平台。

首先，该材料可以通过可逆机械活化引起的表面微观结构变化来调节传热，并且可以通过使用不同的红外反射金属/氧化物或红外透明聚合物来优化传热。其次，该材料在热红外区域改变了其反射和透射率，使其能够模拟其他常见可穿戴材料的热调节效果。第三，这种材料的行为类似于辐射热开关，具有易于制造、无滞后可逆性、稳定性、柔软性和可拉伸性以及快速响应等优点。第四，该材料可以设法捕获/释放预期热通量的部分能量，成为被动和主动热管理方法之间的桥梁。第五，具有较大的动态环境设定温度范围和实时调节局部体温的能力，适合先进的个人热管理系统。

最后，该材料由商业建筑模块制成，可用于多种应用。总体而言，这个仿生平台具有创新能力，可以推动多个领域的技术进步，并有可能改变能源消耗模式。

«——【·参考·】——»

[1] 先进材料杂志。史密斯，J.A.约翰逊，BC 2020

[2]仿材料科学与工程。王琪、陈丽.2018

[3] 热管理杂志。布朗，M.P.琼斯，S.K. 2019

[4]可穿戴技术的进展。张瑞，李文，2017