高效节能微纳结构材料体系研究

项目名称：高效节能微纳结构材料体系研究首席科学家：杨振忠中国科学院化学研究所起止年限：2012.1至2016.8

依托部门：中国科学院

一、关键科学问题及研究内容

2.1 总体思路

发挥化学、材料、物理等学科交叉的优势，围绕工业和生活中热能损耗这一普遍问题，以提高热能使用效率为突破口，解决能源供求之间的矛盾，通过纳米科学与技术寻找大幅度提高节能解决方案，为社会经济低碳绿色可持续发展做出贡献。综合我们在微纳结构材料设计和可控制备及热传递规律研究方面的优势，开发新型高效节能材料体系，特别关注体相与表/界面微纳结构的构筑及其对材料热物理性能的影响，力求在高效节能微纳结构材料的理论、制备方法及应用方面的若干重大问题上取得突破，取得一批国际领先的研究成果。本项目选择实际应用中总体热能耗突出的几个典型领域为研究对象，针对其中的关键科学问题，开展新型高效节能微纳材料体系的结构控制、功能复合和热物理规律的系统研究，重点关注微纳结构对材料热物理性能的显著影响，制备柔性纳米结构多孔材料，提高材料的隔热保温效果；控制材料的表/界面微纳结构及浸润性，强化材料的传热性能；将相变储能材料与微纳结构材料复合，实现对热能时空分布的智能调控；同时关注上述结构与材料的安全性和时效性。

2.2 本项目所要研究的关键科学问题

“高效节能微纳结构材料体系”的研究需要在基础理论上取得突破，以此指导设计制备微纳结构材料体系；在此基础上，结合纳米科学与技术方面的最新进展，有效地实现微纳结构的构筑，并对其热传递性能进行精确表征和深入研究，为高效节能材料体系的制备和成功应用奠定基础，为此本课题拟解决的关键问题包括：1) 探索微纳结构材料的体相、表/界面结构与热传递性能关系，发展纳米尺度热能传递表征新原理和新方法，揭示微纳尺度上的热传递物理规律；2) 面向新型节能材料包括高效隔热、强化传热以及智能热能调控材料体系，发展结构设计、材料制备和功能集成新方法；3) 面向节能材料应用，为稳定体系结构/性能和实现材料安全性，发展系列控制技术。

2.3 围绕上述科学问题的主要研究内容

1）体相与表/界面微纳结构高效节能材料的规模化可控制备

系统研究前驱体分子结构、模板剂诱导、微相分离诱导和层层组装等合成条件对材料结构的影响，制备具有高效隔热性能、高热稳定性的多孔纳米材料、气凝胶材料、微纳结构纤维状隔热材料；发展简单、快速、低成本的微纳结构化高效传热表/界面构筑方法；研究相变储能微胶囊合成机理和新方法，控制壳层组成/结构，控制其热物理行为；探索相变储能微胶囊功能集成化技术，发展具有安全性的智能控温/高效隔热微纳米结构复合材料。

2）微纳结构与传热、隔热及相变蓄热性能的关系和规律

系统研究合成和组装条件等对材料体相微纳结构，进而对材料隔热性能的影响，揭示材料微纳结构和隔热性能及材料稳定性之间的构效关系；与隔热材料更注重体相微结构有所不同，高效传热材料与表/界面微纳结构的关系更加紧密，将设计制备具有不同化学组成和粗糙度的微纳表/界面材料，研究其固/气、固/液和固/液/气间的热传递行为，揭示表/界面微观构型、浸润性与冷凝传热和沸腾传热性能之间的规律；研究相变储能微胶囊的结构形态、受限空间内的相变行为，研究蓄热与隔热、传热的集成问题（如相变储能微胶囊与纳米孔材料的集成等），实现协同效能。

3）微纳结构热能材料的结构与热能传递过程的表征

基于同步辐射的高能X-射线衍射技术表征材料的化学结构，获取组成原子之间的全关联函数，构建原子之间的排列方式；以小角X-射线散射及小角中子散射技术原位表征材料的微纳结构；以掠入角X-射线衍射和吸收技术研究化学组分在表/界面的分布，结合原子力显微镜分析表/界面形貌，深入了解材料的表/界面结构；利用同步辐射光源的高强度及高单色性，使用高时间分辨技术及微聚焦扫描技术研究材料的化学组成及微纳结构在热传递过程中的时空演化规律，为预测材料的实际使用性能及服役寿命提供理论支持。

4）高效节能微纳结构材料热传递的基本原理

从波耳兹曼输运方程、弹道-扩散方程和量子力学第一性原理出发，结合可

靠实验测量，研究微纳结构热能材料内部以及表/界面上热传递特性，揭示微纳结构材料中能量载流子多体散射、耦合散射过程对热传递影响；以动力学方程为基础，以非平衡格林函数（采用Dyson方程核心近似）及材料中热传递载能粒子的密度矩阵等方法，研究各种相互作用（包括考虑载能粒子自身的库仑相互作用、不同载能粒子间相互作用以及载能粒子与光场的相互作用），建立超快激光脉冲激发下的热传递理论模型；采用分子动力学（MD）模拟和载能粒子输运模型相结合的处理方法，研究其内部和界面载能粒子的耦合运动的规律，热波以及应变波等演变的规律及其相互间的关系；采用波动光学、电动力学与电磁辐射理论研究表面薄膜的辐射特性、表面间近场辐射与尺度和结构的关系。一方面为高效节能微纳米结构材料的热性能提供基础数据，同时加深热物理规律的认识，指导和优化节能材料的结构设计和可控制备。

二、预期目标

本项目针对我国为提高热能使用效率而发展新型高效节能材料体系这一研究领域中的关键科学问题，利用微/纳米尺度下的特殊热传递现象，从高效隔热材料、强化传热材料和智能热调控材料等方面进行创新性研究。将新型微纳结构热能材料的构筑、表征、理论原理探索等方面的研究工作有机结合，多层次、综合性地解决科学问题，使得我国在新型高效节能材料领域拥有自主知识产权和若干关键核心技术，为提高我国热能使用效率、缓和日趋严峻的能源供需矛盾奠定技术基础；同时培养一大批高水平科技人才，增强我国在该领域内的研究实力。

五年预期目标：

知识创新方面：开发新型高效节能微纳米结构材料设计、制备、组装调控以及热传递表征新方法和新技术；揭示微纳结构材料中体相、表/界面结构和热传递基本规律，为指导设计制备高效节能材料体系和热能智能管理提供理论依据。

技术方法创新方面：开拓和发展微纳结构高效热能材料的可控构筑手段，提高现有制备方法的可靠性和可控性，探索开发1-2种创新性的高效节能微纳材料体系制备新方法；发展微纳尺度下的热物理测量的高时空分辨和高方向性分辨的新方法，为深入研究其热物理性质与微结构的关联奠定基础。

工程应用方面：探索发展具有自主知识产权的高效节能材料的规模化制备新技术，实现高效节能材料与不同应用环境的结合，探索其在隔热、传热、储能和热能调控方面的应用前景。有望实现如：高效阻燃防火相变储能复合泡沫材料在建筑中的应用，纳米多孔体相材料在工业、建筑隔热中的应用，微纳结构界面在强化工业传热和空调、制冷设备高效换热方面的应用。

关键技术指标：

1) 柔性纳米孔高效保温材料导热系数低于空气，达到绝热水平；使用温度在室温到400℃可调；实现吨级生产规模；

2) 泡沫隔热保温材料实现高阻燃防火性，达到防火材料B1级以上；

3) 相变微胶囊相变温度范围在室温至400℃可调，焓值保有率大于90%，实现规模化制备（吨级），获得样板房节能数据；

4) 强化传热方面，导热系数提高50%以上。

5 年预计发表200 - 250 篇论文，出版1 - 2 本专著，申请专利30 - 40项。通过本项目的执行，培养和造就一批高层次的、交叉复合型研究人才，形成若干个在相关领域中有研究特色和国际影响的研究团队。

三、研究方案

材料化学组成和微纳结构优化是高效节能材料制备的关键因素。本项目将系统研究前驱体分子结构、模板剂诱导、微相分离诱导和层层组装等化学、物理与微加工过程对材料微纳结构的影响，实现微纳结构的可控构筑。全面表征材料的微区热物理特性，揭示材料微纳结构、隔热性能及材料稳定性之间的构效关系。低成本大批量制备具有高效隔热性能、高热稳定性的体相多孔微纳米材料、中空微纳米纤维隔热材料及层状复合材料，关联纳米结构与提升隔热性能的关系。研究表/界面微纳米复合结构、特殊浸润性以及界面传热性能三者关系，以此为基础研发高性能传热界面，特别围绕冷凝传热、沸腾传热等应用领域的共性传热科学问题而开展研究。在热能的智能调控管理方面，围绕相变储能材料的微胶囊化，实现囊芯相变材料的组成、结构、强度及稳定性调控，通过壳层组成与微纳结构控制，解决相变材料的传热和耐久稳定性问题，实现相变温度和热行为的控制，为低成本大批量制备高性能的相变微胶囊材料提供依据。研究相变材料与隔热、传热材料多功能化的集成，进一步提升隔热、强化传热和热能智能调控的能力，如隔热多孔泡沫，尤其纳米孔材料与相变微胶囊的复合以进一步提升隔热性能，同时解决其阻燃防火等安全问题。

以建筑节能和工业节能两个“能耗大户”（约占社会总能耗65%）重大需求为切入点，在充分认识其热能利用和耗散方式的基础上，开发新型高效节能材料体系。根据热传递的传导、对流、辐射三种方式，有针对性地设计制备具有微纳结构的新型节能材料体系，实现热量的高效传递、阻隔和智能调控，揭示微纳结构效应与热量管理效果规律，发展适用于微纳结构材料热物理学行为的分析方法和表征新手段，关联材料体系的热物理行为与微纳结构和表/界面的关系，并利用这些新原理、新方法进一步指导高效节能微纳米材料体系的开发和节能效果的大幅度提升。

四、年度计划