研究进展
张锦院士团队：相变纤维让穿戴设备 “冬暖夏凉”
日期：
2025-12-24 10:55
近日，北京大学/北京石墨烯研究院张锦院士、邵元龙教授团队联合苏州大学程涛教授、中科院苏州纳米所张永毅研究员团队，在《ACS Nano》发表一项新型智能穿戴热管理材料研究成果。该团队以碳纳米管（CNTs）网络为骨架，通过溶剂调控封装策略原位锁定聚乙二醇（PEG），成功开发出 PEG/CNTFs 复合相变纤维，同步解决了传统相变纤维 “潜热容量低、机械强度低、导热效率低、相变材料泄漏” 的核心瓶颈，还实现被动温度缓冲与主动焦耳加热双模式自适应，为下一代节能穿戴设备提供了创新解决方案。
个人热管理智能纺织品是 “节能穿戴” 的核心技术方向，但传统相变纤维长期受困于性能短板。商用产品普遍存在潜热容量不足 30 J/g、机械强度弱、导热效率低的问题，且相变材料在相变后易呈液态泄漏，导致产品失效；更关键的是，多数传统产品仅能被动缓冲温度变化，难以应对严寒等极端环境，适配场景受限。
针对这些痛点，研究团队创新提出 “溶剂调控 CNTs 网络封装” 策略，构建起 “CNTs 骨架 + PEG 内核” 的复合结构。团队采用浮动催化化学气相沉积法制备连续 CNTs 网络，既作为机械支撑骨架保障结构稳定性，又充当高效导热通道提升传热效率；聚乙二醇则作为相变储能内核，通过溶剂比例调控实现原位封装。研究发现，当凝固浴中乙醇与水的比例为 50wt% 时，能有效降低表面张力，提升 PEG 与 CNTs 的相容性，使 PEG 均匀填充 CNTs 网络，封装率高达 89.1wt%，同时 CNTs 取向度达到最优，为纤维的导热性能和机械强度奠定基础。
分子动力学模拟揭示，该比例下 PEG 链会从 “蜷缩态” 转为 “伸展态”，与 CNTs 表面的范德华力和偶极作用显著增强，不仅减少了界面热阻，还提升了 PEG 的结晶有序度，这也是该复合纤维实现高潜热与高导热协同的核心机制。测试显示，PEG/CNTFs 复合相变纤维的潜热容量达 145.2 J/g，是传统商用产品的 4-5 倍；拉伸强度达 487.0MPa，远超传统相变纤维不足 100MPa 的水平，且柔韧性优异，可承受多次折叠、扭转等变形而保持结构完整。
在热管理功能上，该纤维实现了双模式自适应：被动模式下，可通过相变作用快速吸收或释放热量，缓冲体表温度波动；主动模式下，凭借 0.62 MS/m 的电导率，通电后 3 秒内即可快速升温，且在功率达标时能触发相变缓冲，避免局部过热，断电后仍可维持舒适温度达 60 秒。此外，该纤维经过 500 次热循环后，潜热保留率达 99.4%，无任何 PEG 泄漏，还可实现千米级连续生产，编织成 30 cm×150 cm 的大面积织物，适配工业纺织工艺，具备广泛的应用前景。
DOI: 10.1021/acsnano.5c11221
来源：未名科创
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