北京大学张锦院士、邵元龙研究员ACS Nano：新型热导相变纤维突破可穿戴热管理技术瓶颈

个人热管理系统在提升能源效率与可持续性方面扮演着关键角色，它通过精确调节人体温度，减少对高能耗采暖、通风和空调系统的依赖。然而，传统纺织品难以动态响应快速变化的环境温度，无法在严寒或酷热等极端条件下维持稳定的生理微气候。现有相变纤维普遍存在潜热容量低、相变材料易泄漏、机械强度不足以及仅能实现单向热调节等问题，严重限制了其在实际应用中的效能与耐久性。

近日，北京大学张锦院士、邵元龙研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张永毅副研究员和苏州大学程涛教授合作提出了一种创新解决方案：通过溶剂调控的凝固浴工艺，将聚乙二醇作为相变材料封装于连续碳纳米管网络中，成功制备出高性能相变纤维。该纤维在优化乙醇/水比例后，展现出145.2 J/g的高相变焓、487.0 MPa的强劲拉伸强度与59.3 W·m⁻¹·K⁻¹的优异导热性能。同时，其具备0.62 MS/m的导电性，可实现被动相变缓冲与主动焦耳加热的双模式热管理，并在500次热循环后仍保持99.4%的焓值稳定性，展现出卓越的循环耐久性与纺织加工适应性。相关论文以“Fabricating Thermoconductive Phase-Change Fiber via Solvent-Regulated Encapsulation in Carbon Nanotube Network”为题，发表在ACS Nano。

图1展示了PEG/CNTFs的一步连续制备过程及其微观结构。制备过程中，碳纳米管气凝胶被直接牵引至含PEG的凝固浴中，实现PEG的原位封装。纤维束与纱线的实物照片显示出其良好的连续性与可编织性。横截面SEM与TEM图像揭示了PEG在CNT网络中的均匀分布与紧密界面结合，无明显的相分离或空隙，这为纤维的高导热与高强度提供了结构基础。与其他相变纤维相比，本研究制备的纤维在强度与焓值方面均显著领先，凸显了溶剂调控封装策略的优越性。

图1. PEG/CNTFs的制备、形态和性质 a, PEG/CNTFs一步连续制备过程的示意图。 b, PEG/CNTFs束的数字照片。 c, 用于编织的PEG/CNTFs纱线的数字照片。 d, 通过冷冻聚焦离子束扫描电镜获得的PEG/CNTF横截面SEM图像，附宏观形态插图。 e–g, PEG/CNTF横截面透射电镜图像，显示CNTs与PEG之间的界面区域。 h, 不同相变纤维的拉伸强度与相变焓比较。

图2深入探讨了乙醇含量对纤维结构与性能的影响。随着乙醇比例升高，纤维的致密性逐渐增强，PEG负载量在50 wt%乙醇时达到最高的89.1 wt%。拉伸强度、相变焓与导热系数均在50 wt%乙醇条件下取得最优值，而过高或过低的乙醇含量则会导致结构疏松或PEG分布不均。热循环测试进一步证实了纤维的稳定性，焓值与相变温度在多次循环中几乎不变。雷达图清晰对比了不同溶剂条件下纤维在强度、焓值、伸长率、导热与导电性方面的综合性能优势。

图2. 溶剂调控封装策略与性能优化 a, 乙醇含量对凝固与渗透过程影响的示意图。 b–d, 不同乙醇含量下纺丝PEG/CNTFs的横截面SEM图像，附宏观形态插图。 e, CNTFs与不同乙醇含量下PEG/CNTFs的热重分析结果。 f, 拉伸强度；g, 相变焓；h, 导热系数随乙醇含量的变化。 i, 热循环次数对相变温度与焓值的影响。 j, PEG/CNTFs(H₂O)与PEG/CNTFs(50wt%EtOH)性能雷达图。

图3通过分子动力学模拟与实验验证了溶剂调控的封装机制。在50 wt%乙醇-水混合溶剂中，PEG链呈现最伸展的构象，有利于其在CNT表面的均匀吸附与包覆。径向分布函数显示该条件下PEG与CNT的空间关联最强，接触角测试也表明乙醇提高了PEG溶液在CNT表面的润湿性。X射线散射分析进一步证实，适量乙醇促进了PEG结晶区的有序排列，从而增强了纤维的结晶度与结构完整性。

图3. 溶剂调控封装机制的模拟与实验分析 a, 纯水、50 wt%乙醇与纯乙醇中PEG链的构象快照，标注端到端距离。 b, 不同溶剂中PEG链的回转半径随时间演变。 c, 粗粒度分子动力学模拟中PEG在CNT聚集体上的吸附构型。 d, 不同溶剂中PEG与CNT之间的径向分布函数。 e, PEG溶液与乙醇-水混合物在CNT表面接触角随乙醇含量的变化。 f, PEG微晶（120）与（032）*峰半高宽的变化，反映结晶有序度。

图4揭示了乙醇处理对纤维力学性能的增强机制。随着乙醇比例增加，CNT束直径增大，纤维断裂面趋于平整，表明界面滑移受到抑制，拉伸强度与断裂伸长率同步提升。应力松弛曲线显示50 wt%乙醇样品具有最优的应力保持能力。X射线散射分析进一步表明，该条件下CNT排列有序度最高，孔隙率最低，有效提升了纤维的机械承载效率与结构稳定性。

图4. 力学增强机制与结构表征 a, 多尺度结构在拉伸过程中的示意图。 b–d, PEG/CNTF(H₂O)、PEG/CNTF(50wt%EtOH)与PEG/CNTF(EtOH)的断裂边缘SEM图像。 e, PEG/CNTFs的应力松弛行为。 f, 广角X射线散射图谱；g, 方位角强度分布。 h, 半高宽比较；i, 纤维中CNT的取向度。

图5展示了由PEG/CNTFs编织而成的大面积织物及其在热管理中的应用表现。该织物尺寸达30 cm × 150 cm，结构均匀且经多种机械变形后仍保持完整。在焦耳加热测试中，织物表现出快速热响应与温度自缓冲特性：低功率下稳定在舒适温度，高功率下通过PEG相变吸收热量，断电后仍能维持适宜温度长达60秒。与纯CNT织物相比，PEG/CNTFs有效避免了过热风险，实现了安全、可编程的热调节。多次电热循环与弯曲测试进一步验证了其在穿戴场景下的可靠性与耐久性。

图5. PEG/CNTFs织物及其热管理性能 a, 双功能织物用于个人热管理的示意图。 b, 30 cm × 150 cm大面积PEG/CNTFs织物的数字照片。 c, 织物局部放大照片；d, 织物SEM图像。 e, 织物在抓握、折叠、扭转与拉伸等机械变形下的照片。 f, 绣花纺织品在成衣上的照片。 g, PEG/CNTFs织物与CNTFs织物在焦耳加热循环中的红外热像图。 h, 两种织物在焦耳加热过程中的温度变化曲线。

综上所述，本研究通过溶剂调控的一步封装策略，成功开发出兼具高能量密度、优异机械强度与双模式热管理功能的相变纤维。该材料不仅实现了被动储热与主动加热的协同调控，还具备良好的可编织性与循环稳定性，为下一代智能纺织与可穿戴热管理系统的实际应用奠定了坚实基础。