杏彩体育:可穿戴热管理应用的功能材料和创新策略

　　纳米材料和制造工艺的最新进展促进了智能可穿戴设备和众多可穿戴应用的出现。由于热管理与的内稳态密切相关，可穿戴式热管理在学术和工业领域受到了广泛关注。产生热量，身体可通过出汗和辐射来散发热量，以保持体内平衡。一旦环境温度与体温相差太大，则会引起身体热不适，严重甚至会导致器官衰竭。可穿戴热管理设备可基于不同的材料和系统策略来实现热稳态，从而增强的温度调节功能。本文综述了近年来可穿戴热管理材料和创新策略的研究进展，并讨论了构成每种策略的每种材料/设备的优势和局限性，然后总结了热调节可穿戴技术的未来前景和挑战，以便为未来的热调节可穿戴行业的发展提供思路。

　　由于热管理与的内稳态密切相关，可穿戴式热管理在学术和工业领域受到了广泛关注。韩国首尔国立大学Seung Hwan Ko教授课题组和韩国东国大学Jinwoo Lee综述了近年来帮助调节体温的可穿戴热管理设备以及涉及的材料和创新策略的相关研究进展。为了系统阐述这些内容，作者将热调节可穿戴设备分为主动和被动式热管理，并进一步介绍了涉及到的各种功能材料和热管理策略。并讨论了构成每种策略的材料/设备的优势和局限性，最后总结了热调节可穿戴技术的未来前景和挑战。

　　图1描述了在被动模式下人为调节温度的各种策略。图1a展示了被动热管理的第一种策略:具有高潜热和高热容量的材料从周围环境中吸收/释放热量，这样外部热量就不会传递给；图1b是抑制从外部环境到的热量传递可能是实现热管理的另一种策略；图1c是通过采用具有高导热性的材料与周围环境交换热量来达到被动热管理；此外，光热材料可以在白天的阳光下自行升温。这些材料收集光能并将其转化为热能，如图1d所示，在不需要任何电力的情况下进行热管理；另一方面，辐射制冷的作用与光热材料完全相反，它通过反射可见光，同时向太空发射中红外光，从而降低温度(图1e)。最后，蒸发冷却(图1f)作为一种被动式热管理策略可以调节体温，具体来说，来自皮肤的热能被用来将汗液转化为水蒸气。

　　图1. 被动式热管理方法。(a)用高潜热或高热容的材料来储存来自外界环境的热量; (b) 隔热层，最大限度地减少热量传递到皮肤; (c)与空气交换热量的导热材料; (d) 吸收太阳能并加热皮肤的光热材料; (e) 辐射冷却材料，通过反射可见光并向太空发射红外光来冷却皮肤; (f) 有利于液体到蒸汽转变的蒸发冷却材料。

　　图2主要介绍了可穿戴电子产品的主动热管理策略，它可以通过外部输入主动将热量传入/传出来达到加热/冷却。图2a阐述了焦耳加热的机制，它在有电输入的情况下起到主动加热的作用；图2b是基于微流控冷却的热管理机制，它利用微尺度流体流动通过对流换热来达到传递热量的目的。图2c是分别利用电场(电热)或磁场(磁致热)在材料中诱导可逆温度变化的电热和磁致热装置的机制。图2d是基于热电器件的机理，热电器件利用电输入产生主动冷却和加热，就像电热和磁热器件一样。

　　图2. 主动热管理方法。(a)焦耳加热; (b)主动微流控冷却; (c)电、磁、热制冷和加热; (d) 热电装置的冷却和加热。

　　潜热储存(LHS)是将热量以物质粒子间势能的形式储存在储存介质中。将热量转化为物质内的势能涉及到相变，导致热量储存，而存储介质的温度没有显著变化。相变材料(PCM)被广泛用于潜热储存(LHS)，因为它们能够在相变过程中储存大量热，提供优异的热稳定性和兼容性。最近，潜热储存(LHS)技术被用于可穿戴设备的热管理。为了解决传统PCM的固体刚性和潜在的液体泄漏问题，Qi等人开发了一种新的柔性PCM薄膜(如图3a所示)，该相变材料的潜热高达118.7 J g⁻¹，即使经过1000次固-固相变加热循环也能保持完整；将PCM集成到柔性石墨烯薄膜中，并施加1.5 A的电流，结果表明，其电热转换效率高达94%，并证实了其在可穿戴热管理应用中的途。此外，具有三明治结构的PCM凝胶储能复合材料在体温调节可穿戴设备上也具备良好的潜在应用(图3b)。作者课题组也开发了具有高热扩散率和储热能力的类人皮肤的复合材料，如图3c所示，在这项工作中，PCM的柔性促进了与可变形表面的共形接触，增强了可穿戴热管理应用的潜力。

　　图3. 基于储热的个人热管理。(a) 用于个人医疗保健的具有热能储存的相变水凝胶。(b) 个人热管理的自修复式热能储存。(c) 高储热和基于热扩散的热调节。

　　Cui等人报道的一种柔性热界面材料，可用于高性能热管理应用，该材料采用自垂直组装制造立方砷化硼(BAs)，如图4a所示。通过在聚合物复合材料中合理设计BAs微晶，BAs表现出了非常理想的性能，如在交叉方向上高达21 W m⁻¹ K⁻¹的高导热性和优异的弹性顺应性及其他力学性能。此外，材料具有高导热性和可拉升性，也适用于可穿戴热管理应用。有研究团队通过引入600%的双轴应变来调控液态金属/弹性体的热导率。施加双轴应变导致基体弹性体产生210%的塑性变形，这种机械变形使其面内导热系数达到9.8 W m⁻¹ K⁻¹。液态金属/弹性体在整个弹性体中形成连续的网络，通过促进声子的运动来实现有效的传热(图4b)。Huang等提出了一种基于冰压组装法制备具有各向异性导热系数的BNNS复合材料，该柔性复合材料在平面内和垂直方向上的导热系数分别达到9.6和11.2 W m⁻¹ K⁻¹，适用于可穿戴热管理(图4c)。总的来说，具有导热性的材料通过促进皮肤与外界环境之间的热交换来调节体温。但是，如果周围温度高于体温，导热系数高的材料反而会产生负面作用，因为在这种情况下，热量会从外界环境传递给，所以导热料应在合适的条件下使用。

　　图4. 用于被动热管理的高导热材料。(a) 在垂直方向上取向排列的导热氮化硼复合材料; (b)具有沿平面取向结构的导热液态金属-弹性体复合材料; (c)导热氮化硼纳米片复合材料，可以根据制造方法在垂直方向和面内方向取向排列。

　　隔热材料越来越多地被用于各种应用，包括工业、航空航天和个人热管理中的热保护和节能。气凝胶基材料因其优异的隔热性能而受到广泛的研究，特别是无机气凝胶，由于其低导热性、热稳定性和高绝缘性能。然而，在可穿戴形式下使用气凝胶仍然存在挑战，主要是它们的脆性和易碎性。有机气凝胶由于其突出的韧性和优越的柔韧性而被研究为一种有前途的替代品。为了解决有机气凝胶在高温下的稳定性问题，Hu等人开发了芳纶纳米纤维(ANF)膜，该膜具有优异的耐热性(500℃)，且具有出色的机械性能和优异的热稳定性(图5a)。同样，以往的研究文献大多集中在可穿戴式绝热材料上，可在高温下进一步利用，但缺乏动态可控的可适应环境变化的绝热材料。因此，Choe等人提出了一种智能毛状皮肤，用于红外(IR)范围内的自适应隔热和伪装(图5b)。无机气凝胶以耐高温而闻名。开发无机气凝胶作为坚固的可穿戴隔热材料的主要挑战之一是其固有的脆性。Dou等人通过将柔性SiO₂纳米纤维与交织纤维素结合，提供了可弯曲、可压缩的陶瓷纳米纤维气凝胶(图5c)。该类研究应该专注于开发基于陶瓷的隔热材料，不仅具有机械稳定性，而且具有可拉伸性，使其适合可穿戴热管理应用。

　　图5. 用于被动热管理的隔热材料。(a)用于高温(500°C)隔热的芳纶纳米纤维气凝胶; (b)仿驼峰织物面料，用于消防热防护; (c)陶瓷纳米纤维气凝胶具有优异的可弯曲性和可压缩性。

　　光热效应是指光能通过吸收和转换过程转化为热能。当一种材料暴露在光下时，光子被材料吸收，然后将光能转化为热能。近几十年来，研究人员探索了各种光热应用材料，包括碳基材料、半导体和等离子体金属。Fan等人报道了一种基于等离子体纳米银(AgNP)@MXene纳米片复合材料的可愈合透明可穿戴设备，如图6a所示。由于等离子体AgNPs和导热MXene的协同作用，该可穿戴复合薄膜表现出优异的光热转换效率。在光照射5分钟后，薄膜的温度上升到约111±2.6°C，使其成为一种有前途的太阳能-热转换材料。由于光驱动的非接触愈合特性，可穿戴可愈合复合涂层可以为长时间使用的可穿戴电子产品提供强大的解决方案(图6b)。光热转换技术作为一种有前途的伤口愈合治疗策略已被广泛应用。在这方面，Lei等人开发了黑色素纳米粒子功能化的微针贴片，用于肿瘤光热治疗和伤口愈合(图6c)。这项工作扩展了可穿戴热管理的范围，表明热管理技术可以用于治疗和医疗目的，而不仅仅是维持热稳态。

　　图6.基于光热效应的被动热管理。(a) AM 1.5 G太阳光谱。插图是光热效应加热材料的示意图; (b)可穿戴透明MXene & AgNP涂层，具有光驱动可愈合性能; (c)光热治疗用生物基材料微针贴片。

　　通过排汗来调节体温，这是体内平衡的一部分。然而，如果汗液不能有效地从皮肤上清除，它就会积聚并导致热不适，损害个人的体温调节能力。传统的亲水性纺织品，如棉花，可以吸收汗。