FunctionalMaterialsandInnovativeStrategiesforWearableThermalManagementApplications
YeongjuJung,MinwooKim,TaegyeomKim,JiyongAhn,JinwooLee*,SeungHwanKo*
Nano-MicroLetters(2023)15:160
本文亮点
1.本文系统地综述了可穿戴热管理设备，特别强调了热管理材料和策略。
2.综述的热管理可穿戴设备是基于主动和被动热管理。
3.从实际应用的角度出发，详细讨论了每种热调节可穿戴设备的优缺点。
内容简介
图文导读
I可穿戴热管理策略
可穿戴热管理策略主要分为主动和被动式热管理。
图1描述了在被动模式下人为调节人体温度的各种策略。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人体；图1b是抑制从外部环境到人体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，从而降低人体温度(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人体皮肤;(c)与空气交换热量的导热材料;(d)吸收太阳能并加热人体皮肤的光热材料;(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人体皮肤;(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/传出人体来达到加热/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。
II被动热管理
2.1高潜热储存
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118.7Jg1，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1.5A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潜在用途。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。
2.2导热材料
导热材料通过与周围介质交换热量，在调节物体温度方面起着至关重要的作用。
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21Wm1K1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9.8Wm1K1。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11.2Wm1K1，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人体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人体，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。
2.3热绝缘
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SiO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。
2.4光热效应
图6.基于光热效应的被动热管理。(a)AM1.5G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。
2.5汗液蒸发体温调节
人体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，可以吸收汗水，但织物上的水分对有效的体温调节至关重要。在这方面，适当管理汗液蒸发对个人体温调节很重要。为了解决这个问题，许多研究都集中在基于Janus润湿性结构的定向水输送上，该结构包括一面亲水性和另一面疏水性。Janus结构的润湿性梯度有利于汗液从内部疏水侧向外部亲水侧提取，而不会产生汗液积累，从而使人体保持体内平衡。Li等人开发了一种具有空间放置的Janus通道的冷却织物，用于个人热管理(图7a)。Peng等人开发了一种具有选择性分布汗孔的亲疏水集成设计(图7b)。此外，Miao等人通过维管植物启发，提出了一种用于液体运输的分层纤维结构纺织品(图7c)。分层结构膜的毛细孔尺寸减小，毛细力大，但对水的输送没有阻力。调节汗液蒸发与增强热导率相结合的技术是有效的个人热管理的一种有前景的方法。在这方面，研究人员已探索了一些基于Janus润湿性的单向水输送的有效方法。
图7.用于被动温度调节的汗液蒸发。(a)一种具有吸汗功能的防垢冷却织物，用于个人冷却管理;(b)受人体呼吸的启发，疏水/亲水设计的人工排汗皮肤;(c)具有单向水运的仿生蒸腾纺织品。
2.6辐射制冷
图8.用于被动热管理的个人辐射制冷。(a)纳米加工丝绸基辐射制冷纺织品;(b)Janus纺织品具有辐射冷却和太阳能加热功能，适合全天户外个人热管理;(c)分层纤维膜，利用辐射和蒸发散热，以提高冷却性能。
III主动热管理
3.1基于焦尔加热的热管理
图9.焦耳加热用于主动热管理。(a)采用透明液态金属电极为加热器;(b)具有剪纸图案的透明、可拉伸加热器电极;(c)用于保健和医疗的智能MXene织物加热器;(d)用于VR的高度可拉伸铜纳米线加热器。
3.2基于微流体的热管理
图10.主动热管理的微流控冷却。(a)一种带有微流控冷却装置的自适应机器人皮肤;(b)一种基于液态金属模具的三维柔性微流体。
3.3基于热效应的热管理
图11.基于热效应的主动热管理。(a)用于磁热应用的柔性独立式Gd薄膜;(b)PBLZT薄膜基柔性EC器件;(c)NBBST薄膜基柔性EC器件;(d)BCZT陶瓷网络-p(VDF-TrFE-CFE)聚合物基复合材料EC装置。
3.4基于热电效应的热管理
图12.基于热电效应的主动热管理。(a)可拉伸的类皮肤热电装置在虚拟-现实领域的应用;(b)性能优异的柔性热电发电机;(c)柔软多模态热电皮肤。
IV结论与展望
4.1可穿戴热管理在实现大规模商业化应用过程中的潜在阻碍
可穿戴热管理设备要广泛应用于商业市场，仍有一些挑战需要克服。(1)设备的总重量应该尽可能轻；(2)可穿戴热器件要想打入商业市场，必须具备价格竞争力；(3)设备必须满足高度的可穿戴性。
4.2可穿戴热管理系统的未来研究方向
(1)研究新型功能材料；(2)将现有的可穿戴热管理技术与其他可穿戴设备集成，如传感系统、能量收集系统或其他类型的热管理设备。
4.3结论
(1)由于每种热管理模式都有明显的优缺点，因此很难说哪种模式更适合热管理；(2)虽然被动模式不需要电力，但它不能微调温度调节性能。因此，每种情况都需要仔细选择策略和材料；(3)未来材料和技术的进步将有助于提高可穿戴热管理设备的效率，使它们更适合长期使用；(4)被动和主动器件的进一步组合将产生协同的温度调节功能，作为一种高效和新颖的热管理系统；(5)与其他技术的集成可为可穿戴热管理应用的未来前景提供创新机会。
作者简介
SeungHwanKo
本文通讯作者
韩国首尔国立大学教授
▍主要研究领域
可拉伸/柔性电子、透明电子、软机器人、可穿戴电子、激光辅助纳米/微加工和裂纹辅助纳米制造。
▍个人简介
韩国首尔国立大学机械工程系应用纳米和热科学(ANTS)实验室教授。2006年获加利福尼亚大学伯克利分校机械工程博士学位。2009年之前，在加州大学伯克利分校从事博士后研究。自2009年起一直担任韩国高级科学技术研究所(KAIST)的教员，之后加入首尔国立大学。