北京大学邹如强、王启宁《自然·通讯》：超低含量碳纳米管增强相变纤维问世，引领可穿戴体温调节技术

全球热管理系统正处在一个关键的转折点：建筑能耗占全球总能耗的40%，并贡献了36%的人为二氧化碳排放。传统的暖通空调系统效率低下，热效率不足40%，其根源在于对温度均匀性的苛刻要求。一种极具前景的解决方案是利用纺织品和创新纤维，将热调节从建筑环境转移到人体周围的微气候。相变纺织品能够通过局部微气候调节，将人体舒适度与环境条件解耦。然而，其实用化面临多重挑战：导热系数低导致相变过程中热量损失严重；固-液形态不稳定造成储热能力大幅下降；太阳光吸收率低限制了被动能量收集效率。

近日，北京大学邹如强研究员、王启宁教授合作，提出了一种纳米技术导向的策略，成功将超低含量的碳纳米管支架与三维互穿聚合物网络相结合，制备出高性能相变纤维。该纤维实现了结晶度控制与高效热调节之间的显著协同，表现出优异的潜热储存能力、卓越的机械鲁棒性以及高效的光热能量收集效率。其纤维结构确保了在纺织品制造过程中超过98%的切割/缝合保真度，为可规模化生产的高效热调节织物铺平了道路，弥合了实验室相变工程与工业级可穿戴热系统之间的鸿沟。相关论文以“Ultralow CNT-reinforced phase-change fibers for scalable wearable thermoregulation”为题，发表在

Nature Communications

研究人员首先展示了从碳基相变复合材料到纤维，再到织物及智能服装的完整制备流程（图1）。他们通过将碳纳米管均匀分散在液态正二十二烷中，随后依次熔融共混SEBS和HDPE聚合物，形成了三维互穿网络结构，将相变材料牢牢封装其中。最终通过双组分熔融纺丝及多级拉伸工艺，制备出连续、均匀的碳纳米管增强相变纤维。该纤维在极低的碳纳米管含量下，实现了潜热与机械性能的优化平衡。

图1： C22/CNT@HDPE-SEBS复合材料、C22/CNT纤维及PCM基织物的制备流程示意图：（a）C22/CNT@HDPE-SEBS复合材料的制备流程图，（b）通过双组分熔融纺丝生产C22/CNT纤维、相变织物及服装的过程，（c）CNT对相变纤维取向的影响，（d）连续纺丝生产的卷装CNT增强PCFs照片，（e）C22/CNT2纤维冷却和加热过程的结晶焓值和熔化焓值曲线。同样，展示了CNT增强相变织物对应的冷却和加热过程曲线的结晶焓值和熔化焓值，（f）标尺为20 cm的CNT增强相变织物照片，以及（g）热调节相变服装照片。

对纤维微观结构的深入解析揭示了其性能强化的根源（图2）。扫描和透射电镜图像显示，碳纳米管在纤维内部沿轴向排列，保持了完好的晶格结构。同时，HDPE和正二十二烷各自的晶体结构在复合材料中也得到了清晰的确认，表明碳纳米管的引入未改变各组分的化学本质，而是通过物理作用发挥效能。

图2： C22/CNT3纤维的结构表征。（a1）C22/CNT3纤维图像，（a2）和（a3）C22/CNT3纤维的SEM横截面图像，（a4）C22/CNT3纤维的SEM图像。（b1）和（b4）C22/CNT3纤维内部轴向横截面TEM图像中的CNT晶格条纹。（b2）CNT的晶格条纹和（b3）C22/CNT3纤维内部CNT的横截面。（c1）和（c2）C22/CNT3纤维内部HDPE的晶格条纹。（d1）和（d2）C22/CNT3纤维内部C22的晶格条纹。

热物理性能测试结果令人瞩目（图3）。在仅添加0.1 wt.%碳纳米管的情况下，相变纤维的熔化焓和结晶焓分别达到139.0 J·g⁻¹和138.0 J·g⁻¹，且相变效率超过99%，展现了极高的储热密度和稳定性。分子动力学模拟进一步阐明了碳纳米管的作用机制：低含量时，其表面效应促进了异相成核，加速结晶动力学；而含量过高时，碳纳米管网络会限制分子运动，反而降低结晶度。这种浓度依赖的双重调控模式为性能优化提供了理论依据。

图3： C22、HDPE、SEBS和C22/CNT纤维的热性能，以及CNT在结晶过程中诱导结晶机制的MD分析。（a）不同CNT含量的C22纤维的焓值和相变温度。（b）C22/CNT2纤维在第1次、第20次、第50次、第100次和第125次加速热循环后的焓值和相变温度。（c）C22、HDPE、SEBS、C22纤维和C22/CNT2纤维的粉末X射线衍射图。（d）不同类型PCFs的性能分布，从韧性和潜热储存能力两方面进行考察。（e-g）结晶过程的MD快照：（e）纯正二十二烷，（f）含一个CNT的正二十二烷（记为C22/CNT1，0.1 wt.%），以及（g）含六个CNT的正二十二烷（记为C22/CNT2，>0.5 wt.%），时间点分别为0 ps, 10 ps, 30 ps, 50 ps, 80 ps, 和100 ps。（h）系统在结晶过程中的均方位移。（i-k）冷却过程中，相变复合材料系统的势能（i）、键能（j）和角能（k）随时间的变化。

为了在更接近真实的多组分体系中验证该机制，研究人员进行了全组分分子动力学模拟（图4）。结果表明，即使在包含SEBS和HDPE的复杂体系中，少量碳纳米管依然能有效引导正二十二烷的结晶，聚合物网络则提供了空间限域作用，防止泄漏。模拟计算从热力学和动力学角度共同证实，低含量碳纳米管通过降低界面能和应变能，有效减少了成核势垒，促进了更稳定晶体结构的形成。

图4： 综合全组分系统中CNT在结晶过程中诱导结晶机制的MD分析。（a1-c1）结晶过程的MD快照及（a2-c2）对应的局部区域：（a1, a2）SEBS-HDPE-正二十二烷体系，（b1, b2）含有三个CNT的SEBS-HDPE-正二十二烷体系（记为C22/CNT1，0.1 wt.%），以及（c1, c2）含有十八个CNT的SEBS-HDPE-正二十二烷体系（记为C22/CNT2，>0.5 wt.%），时间点分别为0 ps, 10 ps, 30 ps, 50 ps, 80 ps, 和100 ps。（d）结晶过程中不同全组分体系内正二十二烷的均方位移。（e-h）冷却过程中，综合全组分体系的势能（e）、键能（f）、角能（g）和扭转能（h）随时间的变化。

机械性能测试表明，碳纳米管的引入显著提升了纤维的韧性（图5）。当碳纳米管含量为0.1 wt.%时，纤维的断裂伸长率高达1530%，拉伸强度达到6.32 MPa。原位X射线散射分析结合分子模拟发现，碳纳米管在拉伸过程中充当了取向“种子”，引导聚合物链和相变材料小分子沿拉伸方向排列，减少了缺陷形成，增强了应力传递，从而同时提升了纤维的强度和延展性。

图5： 不同CNT含量的C22纤维在拉伸过程中的力学性能及取向增强机制的MD分析。（a）C22/CNT纤维与纯C22纤维的应力-应变曲线对比。（b）断裂功和断裂伸长率随CNT含量的变化。（c）原位2D-WAXD显示CNT对链取向的增强作用。（d）拉伸过程中纤维取向度随应变的变化。（e-g）拉伸过程的MD快照，显示分子链和CNT的取向。（h）拉伸过程中不同体系的均方位移。（i）不同应变下的径向分布函数。（j）应变相关的势能演变。（k）本研究CNT增强PCF与已报道的熔纺、湿纺、电纺PCF在焓值与断裂伸长率上的对比。

最终，研究团队将纤维织成织物并制成服装，展示了其卓越的应用潜力（图6）。该织物表现出高效的光热转换性能，在模拟太阳光下，光热转换效率最高可达90.5%。基于此织物构建的太阳能热电发电装置，能稳定输出电能。实际穿着测试显示，在夏日户外阳光下，相变服装的表面温度比普通背心低约8°C，其下皮肤温度也低约5°C；在高温工作环境中，相变服装能通过释放储存的冷量，有效维持人体舒适温度，证明了其在极端环境下的实用体温调节能力。

图6： CNT-PCTRFs用于可穿戴热管理的光热及太阳能-电能转换性能。（a）不同CNT含量的CNT-PCTRFs样品在80 mW·cm⁻²太阳光照下的温度演变曲线。（b）CNT-PCTRFs在不同光强下的光热转换效率（η）值。（c）C22纤维和C22/CNT纤维在潜热、力学性能、导热系数和η值方面的雷达图对比。（d）太阳能热电转换实验装置示意图。（e-f）CNT2-PCTRF在100 mW·cm⁻²（e）及不同太阳光强（f）下的温度和输出电压。（g）使用C22/CNT2纤维的PCM服装热调节示意图。（h-i）在日光照射下（h）及高温工作环境中（i），普通背心与PCM基服装的照片及平均温度对比，并显示了穿着时间演变。（j-m）在日光照射和高温条件下，随穿着时间增加，普通背心（j₁-j₄, l₁-l₄）和热调节PCM服装（k₁-k₄, m₁-m₄）的红外热成像图。

这项研究通过集成三维互穿网络限域工程、碳纳米管诱导结构调控和可规模化制造范式，成功开发出兼具高储热密度、长期稳定性、优异机械性能及智能热响应能力的相变纤维。该策略为可穿戴热管理领域提供了一个普适性设计框架，标志着相变材料从实验室走向规模化、智能化应用的关键一步。这不仅为开发下一代节能型个人热舒适系统奠定了基础，也在极端环境防护、医疗热疗等领域展现出变革性潜力。