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柔性相变材料-气凝胶复合薄膜（FPCMACFs）通过整合PCMs的高储能与气凝胶的结构稳定性，实现热调节、防泄漏与柔韧性的协同优化，为可穿戴热管理系统提供新方案，但标准化耐久性测试缺失制约商业化。
刘先飞|王慧|张慧|王芳|李梦杰|文波|李俊俊|朱彩霞
中原工业大学，中国郑州中原中路41号，450007
摘要
柔性相变材料-气凝胶复合薄膜（FPCMACFs）为实现个性化热舒适性和环境适应性这一双重挑战提供了有前景的解决方案。它们结合了相变材料（PCMs）的高能量存储能力和气凝胶的结构稳定性，同时实现热调节、防止泄漏并保持灵活性。本综述批判性地分析了FPCMACFs的最新进展，不仅概述了总体情况，还重点关注了适用于皮肤接触应用的薄膜级结构设计。我们明确评估了在最大化潜热负荷（>80 wt%）与保持机械柔顺性之间的设计权衡，并剖析了快速响应所需的高热导率与极端保护所需的高隔热性之间的矛盾要求。主要结论表明，虽然目前的各向异性气凝胶骨架成功解决了泄漏-刚性冲突问题，但在商业化应用所需的标准化耐久性测试方面仍存在关键差距。通过综合多功能耦合（阻燃性、电磁干扰屏蔽和固-固相变）的最新进展，本研究为将FPCMACFs从实验室概念转化为可靠的下一代个人热管理可穿戴设备提供了合理的设计框架。
引言
近年来，全球气候变化的加剧以及极端环境条件的频繁发生引发了人们对人类健康、安全和热舒适性的重大关注[1]、[2]、[3]、[4]。因此，人体的热调节已成为功能材料研究中的关键焦点[5]、[6]、[7]、[8]。在户外劳动、高温军事行动、极地探险以及可穿戴电子产品的热管理等领域，这一问题尤为紧迫，因为这些环境中的个体经常暴露在恶劣且多变的热环境中。在这种情况下，高效、智能和稳定的个人热管理系统的开发已成为一项重要的技术挑战。传统的纺织材料主要依赖被动热绝缘机制，其在适应环境温度变化方面的能力有限。这些材料通常具有较低的热调节效率和有限的功能范围[9]、[10]。因此，人们加大了开发下一代自适应热管理材料和系统的研究力度。这些材料的特点是快速的热响应性、可调的行为和改善的能量控制能力。这些创新为实现个性化热舒适性同时减少个人能耗提供了有希望的途径[11]。
相变材料（PCMs）因其在相变过程中能够吸收和释放大量潜热而受到广泛关注。这使得它们能够在狭窄的温度范围内实现高效的热能存储和调节[12]、[13]、[14]、[15]。这一独特性质使它们在建筑节能、电子热管理、储能系统和智能纺织品等多个领域得到广泛应用[16]、[17]、[18]。然而，传统的PCMs存在一些局限性，包括较低的熔点（TC）、相变时的体积膨胀以及熔融状态下的液体泄漏。这些限制显著影响了它们的热传递效率和长期循环稳定性[19]。为了解决这些问题，研究人员探索了将PCMs集成到多孔支撑基质中以改善其结构完整性和热响应性[20]、[21]。气凝胶由于其三维纳米多孔网络、高比表面积、优异的热绝缘性能和可调的表面化学性质而成为有前景的支撑材料[22]、[23]。这些特性使得气凝胶成为封装PCMs的理想平台，并能够形成具有增强热调节性能的稳定、防泄漏的复合系统[24]、[25]。
将PCMs与气凝胶集成到复合结构中，可以实现潜热存储和热绝缘性能的协同优化，同时赋予材料优异的机械柔韧性和环境响应性。这些多功能特性为开发可穿戴热管理薄膜、智能纺织品和先进的热调节系统创造了新的平台[26]、[27]、[28]。各种类型的气凝胶，包括无机硅基、碳基和生物聚合物基气凝胶，已被用作不同类型PCMs（如石蜡（PW）、聚乙二醇（PEG）和脂肪酸[29]、[30]、[31]）的支架。通过精确调整微观结构配置、界面兼容性和复合架构的分布，可以实现薄膜整体上的多尺度热调节性能耦合[32]、[33]。在个人热管理的背景下，这些复合结构能够对环境温度波动做出动态响应，同时具备红外调制、光热转换和湿度敏感性等功能。这些能力使得在各种环境场景下实现自适应的热舒适性调节成为可能[34]、[35]。
近年来，在开发FPCMAC结构方面取得了显著进展。通过利用毛细力和多孔网络的物理约束效应，气凝胶可以抑制PCMs在熔融状态下的流动和泄漏。这增强了结构的稳定性和可靠性[36]、[37]、[38]。此外，精确调整气凝胶骨架的孔径分布和熔点（TC）可以显著改善复合系统的热传导路径，从而大幅提高其热管理性能[39]。Rostami等人[40]回顾了基于二维纳米材料的气凝胶与PCMs的集成，强调了它们在多功能热调节系统中的潜力，特别是在可穿戴应用方面。Shang等人[24]开发了一种基于混合石墨烯气凝胶（GAs）的CPCM，展示了适用于实际部署的增强热性能和能量存储效率。Li等人[34]报道了一种矿物衍生的三维有序气凝胶复合材料，该复合材料在可穿戴空气过滤和热管理应用中表现出高效性。Tao等人[29]介绍了一种由小麦麸皮气凝胶制成的FPCM复合材料，它具有优异的机械柔韧性和热调节能力，非常适合用于可穿戴电子系统。
尽管取得了这些显著进展，但文献中缺乏针对可穿戴应用定制的基于薄膜的架构的系统设计框架[41]。为此，有必要对本综述的范围和选择方法进行更清晰的定义。本综述采用了系统性的文献调查，涵盖了2010年至2025年的Web of Science、Scopus和Google Scholar数据库中的出版物。搜索使用了诸如“相变材料”、“气凝胶”、“多功能薄膜”和“可穿戴热管理”等关键词组合。纳入标准要求研究：（1）专注于柔性薄膜级架构，而不是块状或粉末形式；（2）涉及个人/可穿戴热管理应用，而不是建筑规模的绝缘；（3）报告多功能性能。排除了用于建筑或非气凝胶支撑纤维系统的块状封装PCMs的研究，以明确FPCMACFs的范围。
现有的综述主要涵盖了纺织品中的PCMs、基于气凝胶的绝缘材料或可穿戴热管理设备，重点在于纤维、块状材料或系统级设计。然而，关于FPCMACFs的专注和系统性综述仍然缺乏。对于皮肤接触界面至关重要的薄膜级设计要求，如适应性、厚度依赖的热阻和多轴柔韧性，得到的关注有限。相比之下，本综述专注于PCMs和气凝胶在柔性薄膜架构中的协同集成。它的特点有三个方面：（1）专门强调解决块状复合材料刚性和传统PCM纺织品泄漏问题的基于薄膜的设计；（2）对热调节、机械柔韧性、阻燃性和电磁干扰屏蔽的多功能耦合进行综合分析；（3）以人类舒适性为中心的个人热管理视角，优先考虑柔软性、轻量化设计、安全的温度缓冲和环境适应性。如图1所示，本综述从材料和结构逐步发展到功能和应用，旨在为将FPCMACFs从实验室研究转化为实际的可穿戴和自适应系统提供系统框架和未来方向。
部分摘录
PCMA集成的设计原则和结构策略
PCMA复合材料的根本设计原则在于宿主-客体之间的协同作用。气凝胶宿主利用其纳米孔产生的高毛细压力物理约束液态PCM客体，有效抑制泄漏。同时，固态气凝胶骨架提供机械支撑，将原本形状不稳定的PCM转化为柔性的固态薄膜。最近的策略侧重于通过调整气凝胶表面化学性质（例如，通过硅烷化）来进行界面工程
PCMACFs的综合热、机械和功能性能优势
基于第2节中建立的材料和制造基础，本节评估了这些架构在服务条件下的性能。什么样的FPCMACF才是理想的个人热管理材料？它优化了潜热与柔韧性以及导热性与隔热性之间的权衡。分析系统地从基本的热调节发展到安全性和耐久性，直接将结构设计与实际结果联系起来。
多功能协同性和智能响应集成机制
在太阳辐射变化或代谢率不同的动态环境中，被动控制是不够的。这种转变推动了研究方向，使FPCMACFs具备智能响应能力，如光热转换、电热调节和形状重构，从而实现从静态热管理向自适应、智能可穿戴系统的转变。随着FPCMACF研究的不断进步，这些材料的功能能力已经远远超出了基本范畴
柔性电子和热调节智能纺织品
由于具有轻量化、柔韧性和高效的温度调节能力，PCMACF近年来在智能服装、智能纺织品和可穿戴电子设备中显示出巨大潜力[26]。这些复合材料通过结合气凝胶的纳米级多孔结构和PCMs的潜热存储能力，实现了在不同环境条件下的动态热管理。Li等人[181]采用了这种组合结论
面对日益增加的全球气候变化，FPCMACFs已成为个人热管理的创新解决方案。2010年至2025年的这些进展表明，结构各向异性（例如，通过定向冻结）有效管理了导热性与隔热性之间的权衡。相比之下，化学约束在防止泄漏方面优于物理方法，适用于安全可穿戴设备。此外，尽管实验室性能优异，但缺乏标准化的耐久性测试
未引用的参考文献
[233]、[234]、[235]、[236]、[237]、[238]、[239]、[240]、[241]、[242]、[243]。
CRediT作者贡献声明
刘先飞：撰写——原始草稿，概念构思。王慧：撰写——审稿与编辑，方法论。张慧：验证，研究。王芳：软件，资源。李梦杰：方法论，研究。文波：方法论，研究。李俊俊：验证，形式分析。朱彩霞：监督，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了河南省自然科学基金（252300421966；252300421578）、河南省科技研发项目（252102320166）、河南省高校重点科研项目（24B540001）以及河南省高校科技创新团队计划（24IRTSTHN019）的支持。
