《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Biomimetic composite phase change materials: From structural design to functional integration
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生物模拟复合PCM通过结构优化与功能创新突破传统PCM热导率低、易泄漏的瓶颈，整合自然结构（如层状、多孔、纤维）与动态响应机制（自愈、智能调控），实现热储性能与自适应能力的协同提升。人工肌肉系统作为典型代表，展示了结构-功能耦合对热管理技术的革新潜力，未来需加强多尺度仿生设计与跨学科技术融合。
Muniran Tuluhong|Yaohui Zhu|Xuyi Lu|Xijia Zhou|Yarui Ji|Chunyao Qing|Zhirong Yang|Deqiu Zou
中国浙江省宁波市宁波大学海洋与交通运输学院，邮编315211
摘要
为了解决传统相变材料（PCMs）的局限性，如导热性能低和泄漏问题，研究人员通过整合自然结构特征和功能机制开发了仿生复合相变材料（CPCMs）。本文全面总结了仿生CPCMs在结构和功能仿生方面的最新进展。我们探讨了受生物启发的结构如何提高导热性能和结构完整性，以及刺激响应性和自修复能力如何实现动态反应性和自主修复。文章强调了结构-功能耦合在实现多功能性中的关键作用。最后，讨论了现有挑战和未来发展方向，并关注了下一代材料的相关理论见解和技术路径。
引言
随着全球能源危机的加剧，开发高效的热能存储技术已成为能源领域的迫切需求[1]。基于PCMs的潜热存储由于具有高能量密度和近乎等温的操作特性，在提高能源效率方面表现出独特优势[2]。然而，传统PCMs的固有缺点（如导热性能差和易泄漏）严重限制了其实际应用。为了解决这些问题，人们通过结合有机聚合物、碳基多孔介质和大分子载体开发了CPCMs，有效缓解了这些限制[[3], [4], [5], [6]]。
近年来，关于PCMs在潜热存储中的应用已有大量研究，现有文献系统地探讨了材料分类、封装方法和应用领域[7]。在这一背景下，出现了几种先进的PCM类型：柔性PCMs利用弹性聚合物网络或多孔柔性骨架制造，以实现可穿戴技术和非平面表面的优异变形能力；通过添加高导热填料（如石墨烯和碳纳米管）制备的热增强型PCMs，提高了热能存储和释放的动力学性能；3D打印PCMs通过先进的增材技术制造，能够精确实现复杂几何形状和集成功能，用于定制化的热管理[8]。尽管这些创新展示了下一代PCM发展的关键方向（见图1），但它们仍然主要局限于传统的性能驱动设计范式。
在新兴的创新路径中，从自然结构和功能机制中汲取灵感的仿生方法为PCM的发展带来了新的视角，这一点从文献计量学的增长中可见一斑（见图2a和b）。尽管仿生设计原理已在气凝胶[9]和水凝胶[10]等相关材料系统中成功应用，但其在PCM领域的应用尚未得到全面研究，特别是从结构-功能协同的角度来看。目前关于仿生CPCMs的研究主要集中在结构仿生方面。例如，已有研究利用MXene[11]和陶瓷[12]作为支撑基质来开发高性能CPCMs，以复制特定的生物结构。同时，也有研究根据模仿的生物结构类型（如层状、多孔或纤维状）对这些材料的设计原理进行了系统阐述[13]。这些结构仿生CPCMs的成功应用体现在多个领域，包括生命科学[14]、能量存储系统[15]、个人热管理[16]和电池热管理[17]。然而，仍存在显著的研究空白：现有研究很少将结构仿生与功能仿生（如自修复、刺激响应性或自主调节）整合到一个连贯的设计框架中。迄今为止，尚未有系统性的综述评估如何利用受生物启发的结构-功能耦合来克服性能 trade-offs，实现自适应、智能和可持续的热能系统。
因此，本文旨在通过结构和功能仿生的双重视角对仿生CPCMs进行系统分析，特别强调它们的协同整合。本文不仅总结了多种材料平台上结构仿生设计的进展，还探讨了新兴的功能仿生策略，包括智能响应和自修复机制。此外，人工肌肉系统作为实现多功能协同的代表性平台也被重点介绍（见图3）。基于这一全面综述，本文提出了一个将生物灵感与先进材料工程相结合的前瞻性框架，为下一代自适应和智能PCM系统的开发提供了新的设计原则。
PCMs简介
PCMs是一类在特定温度范围内通过相变吸收或释放大量潜热的材料。其核心工作原理基于可逆的相变过程：加热时，PCMs吸收热量并从低能量相转变为高能量相，温度保持稳定直到相变完成；冷却时，储存的潜热被释放，恢复到初始相态。
结构仿生CPCMs
结构仿生CPCMs通过模拟生物结构并与支撑基质结合而开发。通过优化结构设计，克服了传统PCMs的局限性，同时保持了热存储能力。这些材料因其与绿色技术的兼容性而被视为可持续的替代品，表现出高能量密度、长寿命和多功能性能。
功能仿生CPCMs
结构仿生通过优化材料物理形态来提高性能，而功能仿生旨在复制生物的固有功能。这种方法已成为提高CPCMs性能的关键技术途径。功能仿生使材料具备新的特性，如智能响应、自修复和人工肌肉功能，通过模仿生物的自适应控制、损伤修复和动态变形机制实现。
结构-功能协同仿生CPCMs
结构仿生和功能仿生分别为CPCMs提供了优化的热和质量传递架构，以及智能响应和自修复等动态能力。通过结合这两种仿生范式，可以释放协同效应。结构基质不仅用于支撑，还通过功能性能得到增强，从而优化了结构表现。
结论与展望
根据上述讨论，可以看出仿生CPCMs在面临多重挑战的同时也带来了重要的发展机遇。这一结论通过分析三个相互关联的维度得到了系统支持。
在结构上，针对不同基质类型建立了不同的仿生设计策略。陶瓷基质CPCMs的导热性能可提升至约20 W/(m·K)，同时保持较高的相变载荷。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：52271320、51976092）。
