综述:先进材料与策略助力个人热管理技术变革

【字体: 时间:2025年04月22日 来源:Applied Materials Today 7.2

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  本文系统综述个人热管理(PTM)技术,介绍其基本概念与传统策略,分类阐述先进的光谱调节、动态响应、相变材料和热电装置策略,分析面临的挑战与前景,为下一代 PTM 技术发展提供参考。

  

引言


气候变化加速,极端天气频发,易导致人体热失衡,影响生产效率和经济社会稳定。传统调节体温方式,如增减衣物、使用 HVAC(Heating, Ventilation, and Air Conditioning)系统等,存在诸多局限。HVAC 系统能耗高,调节整个空间温度也不节能,且不适合户外环境。因此,个人热管理(PTM)技术应运而生。

PTM 技术融合先进功能材料和新兴技术策略,聚焦人体局部微气候的温湿度调节,以实现热舒适。人体与环境的热交换机制包括热传导、对流、辐射和汗液蒸发相变。衣物在 PTM 领域意义重大,其性能影响人体热舒适。PTM 策略可分为主动、被动和混合式热调节技术。主动式需额外能源输入,结构复杂;被动式结构简单、效果明显,在应对环境变化方面潜力大。基于人体热辐射特性和衣物与环境的相互作用,发展出多种 PTM 技术。

个人热管理基础


热舒适是一种涉及多学科的主观感受,与个体对环境的反应有关。不同领域对其定义方式不同,如心理学常用调查评估热舒适。维持热舒适对身心健康至关重要,不适宜的温度会影响人体状态。

传统个人热管理策略


许多传统特殊功能服装,如宇航员、消防员等职业的专用服装,可视为 PTM 设计的雏形,其设计不断发展以适应极端环境需求。

先进光谱调节冷却织物


在热管理机制中,辐射传热具有独特优势,可在无介质条件下进行且具有可调节性。针对不同应用设计的 PTM 织物,其光谱调节冷却策略在设计原理、光谱特征、形态和制造方法上各有特点。

先进光谱加热织物


传统保暖衣物,如羽绒服靠羽绒储存空气减少传导热损失,风衣靠致密织物降低对流热损失,但增加衣物层数、厚度和密度会影响透气性和透湿性,降低穿着舒适度。

动态调节织物


传统织物难以适应环境变化实现有效人体热管理,仅能单向控温。双向温度调节织物可响应环境变化,具备加热和冷却双重功能,是创新的热管理材料。

基于相变材料(PCM)的织物


上述先进 PTM 策略在特定环境下调节体温效果良好,但在应对多变气候时存在动态适应的挑战。相变材料(PCMs)作为特殊储能技术,因其出色的储能能力在 PTM 中广泛应用,能通过储存和释放潜热应对体温变化。

热电装置(TED)


热电技术(TE)在个人热管理中具有独特优势,主要基于塞贝克效应(Seebeck effect)和珀尔帖效应(Peltier effect)。塞贝克效应指不同导体或半导体在温度梯度下形成回路会产生电动势,本质是载流子因能级差异从热端向冷端迁移。

挑战与展望


理解人体热舒适的基本概念和热调节机制,对设计有效的 PTM 策略至关重要。从提高热舒适角度,材料选择意义重大。目前 PTM 技术发展面临诸多挑战,如材料性能优化、成本控制、与人体和环境的兼容性等。未来,PTM 技术有望在多学科融合下取得突破,开发出更高效、智能、舒适的产品,应用前景广阔,可在医疗、运动、户外等多个领域发挥重要作用。

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