四川大学傅强教授/吴凯副研究员《Adv. Funct. Mater.》：全有机纤维定构的新型相变储热材料

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聚合物通常被认为是低导热的，其分子链的不对称性、无规线团似的构象、晶区的短程非周期性以及非晶区和缺陷都是造成声子散射的重要因素。但聚合物也可以是高导热的，例如把聚乙烯材料进行超倍拉伸形成伸直链晶体后，纳米纤维的导热系数可以超过100 W/m K。四川大学傅强教授/吴凯副研究员团队的前期研究表明（Advanced Science, 2021，2004821），利用聚乙烯纤维的高导热性质，通过加工的手段可以在聚合物基体内定构连续的纤维导热通道，任意定义复合材料内的传热路径。他们认为，区别于聚合物/填料的异质界面，聚合物纤维内晶区-非晶区之间的同质界面被数个大分子链串联，可能具有类似的声子振动模式，表现为极低的界面热阻（Foygel模型拟合后仅为10^-11 m² K W⁻¹数量级）。这种方法可以将有机块体材料的导热系数由原本的0.24 W/m K提高至38 W/m K，为开发具有可控热传导功能的复合材料带来了全新的机会。

图1.相变材料的加工定构、结构优化及聚光热电发电应用。

近期，他们基于这一认识，将有机声子通道加工到一种具有高相转变温度（»170 ℃）的甘露醇材料中，如图1。为了保证聚合物分子链不至于在相转变的时候松弛，他们将线性脂肪族聚合物拓展至含有刚性芳香结构的聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维。PBO主链结构线性规整、少有侧基，不会因侧基旋转而引起声子-声子散射，因此单根纤维在超倍拉伸之后可以表现出>40 W/m K的定向导热能力。将这些柔性的纤维加工成具有仿射状的微观结构、并赋予其圆台状的宏观构造，他们可以在相变材料内很好地调控热量的输运通道。与热电器件集成并置于聚光束下，这种传热结构巧妙地优化了光-热-电转化装置的热管理性能，让相变材料的充热速度与放热速度更好地匹配。在自然光照的情形下，实现了单位面积相变材料198.7 W/m²的输出功率。

相关成果以 “A Structured Phase Change Material with Controllable Thermoconductive Highways Enables Unparalleled Electricity via Solar-Thermal-Electric Conversion” 为题发表在Advanced Functional Materials期刊上，四川大学与南京理工大学联合培养博士生张永正为本文的第一作者，通讯作者为四川大学高分子学院的吴凯副研究员和傅强教授。感谢国家自然科学基金面上基金（No. 51573102 和No. 51421061）、江苏省自然科学基金青年基金（No. BK20200501）对本工作的支持！

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202109255

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