《Advanced Science》：Stretchable h-BN/TPU Fibers for Passive-Active Dual-Mode Thermal Management and Wearable Haptic Interfaces
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可穿戴热界面需要快速、空间受限的热反馈以及机械柔顺性，然而现有被动热管理纺织品与主动热-触觉器件仍基本彼此独立。研究人员通过将微流控纺丝（microfluidic spinning）与非溶剂诱导相分离（NIPS, non-solvent-induced pha
可穿戴热界面需要快速、空间受限的热反馈以及机械柔顺性，然而现有被动热管理纺织品与主动热-触觉器件仍基本彼此独立。研究人员通过将微流控纺丝（microfluidic spinning）与非溶剂诱导相分离（NIPS, non-solvent-induced phase separation）耦合，开发了可拉伸h-BN/TPU复合纤维。矩形通道约束使六方氮化硼（h-BN, hexagonal boron nitride）片层在微孔热塑性聚氨酯（TPU, thermoplastic polyurethane）基体中取向排列，构建方向性导热通路并保持大变形能力。优化后的30 wt.% h-BN/TPU纤维干态热导率为2.08 W·m?1·K?1，湿热导率为4.14 W·m?1·K?1，兼具9.67 MPa拉伸强度与422%断裂伸长率。帕累托前沿（Pareto-front）分析将30 wt.%组成确定为热-机械拐点，源于填料取向、低孔隙率与可变形TPU域的耦合效应。编织h-BN/TPU织物提供被动热管理，在模拟太阳辐照下表面温度降低5.7°C，并在2000次弯曲循环后保持性能。集成于热反馈手套时，该织物可实现局域指尖驱动，加热速率为+29.55°C·s?1，热弛豫时间约20 s（回落至35°C温热感知阈值以下）。该纤维平台将被动热调节与主动热触觉连接起来，面向新一代热交互可穿戴器件。
研究背景方面，皮肤-物体界面的热感觉由热扩散率、界面接触热阻与瞬态热交换共同决定。柔性热管理纺织品可调节可穿戴电子与个人热环境的热交换，而基于织物与手套的热触觉器件可用于虚拟现实和遥操作中的材料身份、环境情境与情感信息传递。现有体系存在明显割裂：聚合物纺织基底柔顺舒适但本征隔热，热导率约0.1–0.3 W·m?1·K?1，会拖慢热传递并扩大驱动面积；导热增强复合材料与薄导电网络可提高传热，但高填料负载或导电通路常损害拉伸性、透气性或电隔离性；气动或热电驱动的热手套可产生可感知热反馈，但器件级刚性与多层集成会限制手指动态运动下的贴肤性。因此，被动热管理织物与主动热触觉系统长期沿两条路线发展，缺乏在同一纤维平台上兼顾快速响应、空间受限、大变形容限的材料体系。
研究人员报道了一种可拉伸h-BN/TPU复合纤维平台，用各向异性h-BN片层在TPU基体中构建连续方向性导热通路，并利用h-BN的介电特性使电阻加热元件和低电压互连可直接集成于纤维附近而无需辅助绝缘层。该工作发表于《Advanced Science》，重要意义在于把被动辐射/传导散热、主动加热反馈与纺织可制造性统一到单根纤维化学体系中，为VR/AR、遥操作、康复生物医学与自适应个人热管理提供可扩展路线。
关键技术方法上，研究人员采用矩形微通道微流控纺丝实现h-BN片层的流动约束与剪切取向，采用非溶剂诱导相分离形成均匀微孔TPU骨架，采用有限元分析（FEA, finite element analysis）模拟矩形与圆柱通道内的速度场和热传递，采用二维广角X射线衍射（2D-WAXRD）、偏振拉曼光谱与SEM/EDS进行取向与结构表征，采用激光闪射法测量束状纤维轴向热扩散率并推算热导率，采用随机森林模型分析加工参数置换重要性，采用帕累托前沿分析热导率与断裂伸长的权衡。
2 Results and Discussion中的2.1 Preparation Process研究表明，矩形通道几何约束将圆形流转为狭缝流场，壁面约束剪切使高长径比h-BN片层偏向轴向排列，水浴中NIPS固定该取向并生成微孔。流变学显示纺丝液具明显剪切变稀与黏弹液体行为，FEA显示矩形通道比圆柱通道具有更长方向偏置高速区。所得纤维直径约150–200 μm，可弯曲、拉伸、打结而无明显破坏。
3 Structural Characterization研究表明，圆柱通道纤维中h-BN随机分布，矩形通道纤维中h-BN平行于壁面、长轴沿纤维方向排列；30 wt.%纤维的h-BN（002）面赤道弧表明基面沿纤维轴取向，Hermans取向因子f=0.72。30 wt.%纤维含1.2–2.2 μm介孔与8.9–9.4 μm大孔，介孔占主导。力学上，30 wt.%纤维断裂伸长约422%，超过40 wt.%后变形能力显著下降；循环拉伸至200%应变20次曲线重叠良好，证明孔结构、片层滑移与TPU黏弹变形共同缓冲应变。
4 Thermal Properties研究表明，矩形纤维间接触面积更大，FEA中矩形纤维组件从热侧到冷侧传热更高效。面-面h-BN接触比线-面接触具有更大平面重叠与更低填料-填料界面热阻。束状纤维激光闪射显示，注射速度0.3 mm/min时轴向热导率最高；溶液黏度是30–50 wt.%范围内热导率主导因素。帕累托前沿中20到30 wt.%热导率升4倍而伸长仅降15%，30到40 wt.%热导率增益小于20%却损失67%伸长，30 wt.%位于拐点，平衡因子BF=0.63。30 wt.%纤维孔隙率比40、50 wt.%低3–4倍，是拐点结构根源。湿热条件下30 wt.%纤维热导率近翻倍至4.14 W·m?1·K?1，因孔内绝缘空气被水替代，孔网络起机械缓冲与湿助导热双功能。
5 Application研究表明，30 wt.% h-BN/TPU织物构成热反馈手套核心材料，PI加热器可直接贴附于介电织物上。被动管理下，200 mW·cm?2模拟太阳辐照使表面温度比裸TPU低5.7°C，1000与2000次弯曲后性能稳定。主动反馈下，3 s加热显示明显升温，2 s脉冲可定量循环，1 s短脉冲红外成像证明驱动区空间受限；手套加热率+29.55°C·s?1，热弛豫约20 s回落至35°C以下。
讨论部分总结指出，矩形几何、h-BN取向、受控孔隙与微孔基体共同实现热-机械耦合；30 wt.%组成不是单纯中等填料量，而是组成-加工耦合窗口，低孔隙使空气热阻最小化同时保留可变形TPU域。湿度辅助导热在纤维层面成立，但器件级排汗湿环境未直接量化。弯曲耐久性仅是首个体征，未来还需循环拉伸、汗湿老化、摩擦磨损与洗涤稳定性来界定服务边界。孔隙被重新定义为双模式设计中的多状态功能单元，而非被动缺陷。
结论部分译为：研究人员开发了一种高拉伸30 wt.% h-BN/TPU纤维，将各向异性导热与优异机械柔顺性（422%断裂伸长）统一起来。微流控纺丝与非溶剂诱导相分离的组合在分级微孔TPU基体中形成取向h-BN片层，建立连续导热通路同时保持柔性。编织织物在模拟太阳辐照下表面温度降低5.7°C，重复弯曲后性能维持。集成于热反馈手套时，h-BN/TPU织物实现空间受限指尖驱动，加热率+29.55°C·s?1，热弛豫约20 s（低于35°C温热感知阈值）。纤维层面湿助导热（湿热导率4.14 W·m?1·K?1）主要因吸收水替代孔内绝缘空气而降低孔相关热阻。微孔结构在干态作机械缓冲，在湿态由毛细吸水填充并可辅助邻近h-BN片层间局部传热。该工作展示了同时支撑被动冷却与主动触觉反馈的纤维平台，为VR/AR、遥操作与自适应个人热管理的下一代热交互可穿戴系统奠定基础。Yiwei Zhou、Shanshan Long、Bo Chen、Maohua Li、Linhong Li、Yue Qin、Rongjie Yang、Hanxi Chen、Cheng-Te Lin、Nan Jiang、Yixiang Xu、Kean How Cheah与Jinhong Yu参与该项工作。
