综述：面向柔性可穿戴器件的新型热管理策略

《Next Energy》：Emerging thermal management strategies for flexible wearable device

　　

随着智能可穿戴设备与贴肤柔性电子器件向更高集成度与更高功率密度方向发展，热管理已成为制约其性能、佩戴舒适度与安全性的实际瓶颈。本综述系统梳理了面向柔性可穿戴设备的热管理技术，将现有工作划分为被动式、主动式及混合式三类策略。被动式方法涵盖导热复合材料、相变热缓冲材料、辐射冷却层及蒸发结构，能够以极低能耗缓解局部热点，但其在传热效率、透气性、柔软性及汗液侵蚀、水洗与反复形变下的耐久性之间存在耦合权衡。主动式方案包括热电制冷（Thermoelectric Cooling, TEC）、电热效应（Electrocaloric Effect, ECE）与磁热效应（Magnetocaloric Effect, MCE）调控以及微流控冷却，可实现可控且快速的温变调节，但往往受限于驱动功率或电压、热端排热、集成复杂度及长期可靠性。混合设计则通过耦合多种机制拓展工作边界，但也引入了额外的封装负担、匹配要求及寄生损耗。基于上述分析，本综述从面内/面外散热能力、可持续性、佩戴舒适度与安全性、柔性与寿命、可集成性及可制造性等多维度对比了代表性材料与系统，并总结了下一代可穿戴热管理的核心工程发展方向。

1. 1.
   引言
   随着材料科学与制备工艺的持续进步，智能可穿戴设备已逐步融入人们的日常生活。此类器件电子集成度日益提升，导致产热量显著增加。人体需维持约37℃的核心温度，而在舒适条件下平均皮肤温度约为33℃，这一生理约束使得智能可穿戴设备的热管理技术变得至关重要。此外，设备在长期使用中需承受拉伸、晃动等复杂机械应力，要求采用兼具热管理功能（如隔热、低发射率）的柔性材料。因此，优化散热机制与创新材料选择成为该领域的核心研究方向。当前研究主要聚焦于筛选高性能功能纳米材料，以优化热传导与辐射传热过程。本综述针对智能可穿戴设备及贴肤柔性电子器件，从热管理能力、能量需求、柔性与长期可靠性、皮肤舒适度与安全性、可集成性及可制造性等角度，系统讨论了代表性材料、结构及系统构型，比较了不同策略的优势、局限性与适用场景，并进一步探讨了面向实用化的主要工程挑战。根据工作原理的差异，可穿戴热管理策略通常分为被动式热管理、主动式热管理及混合式热管理三大类。被动式无需外部能量输入，依靠材料或结构自身调控热流，常见手段包括导热材料、相变材料（Phase Change Materials, PCMs）、辐射冷却材料及蒸发冷却材料。主动式则需要外部能量或驱动信号以实现可控热调节，主要包括热电制冷、电热/磁热效应及微流控冷却。混合式则是多种策略的耦合，例如将相变材料与热电器件结合以延长温控时长并实现精准调控，或将高导热填料与相变材料复合以提升响应速度与能量缓冲能力。尽管各类策略原理不同，但其实际应用价值不仅取决于热性能，还与能耗、舒适度、可靠性及集成度密切相关。单一策略在特定工况下的优势，在综合考虑柔性、透气性及长期使用的稳定性后往往会减弱，因此需要根据具体应用场景进行多维度的综合评估。
2. 2.
   被动式热管理
   2.1 导热材料
   导热材料凭借优异的热导率将热源热量高效传递至环境，是缓解器件局部过热的核心研究对象。鉴于柔性可穿戴设备对热性能与佩戴舒适度的双重需求，以非金属基体与高导热填料为主的复合导热材料是当前主流方向。然而，填料在基体内的随机分布常导致热传导路径不连续，限制了特定方向热导率的提升。为此，取向结构设计成为关键突破点。例如，研究者提出了膨胀流动辅助取向法，在高粘度氮化硼（Boron Nitride, BN）/硅凝胶（Silicone Gel, SG）混合物中引入膨胀流场，使BN片层重排形成梯度弯曲结构，制备出厚度方向热导率从1.01提升至5.65 W/m·K的柔性复合材料，同时保持了优异的绝缘性与散热能力。针对填料与基体间的界面热阻瓶颈，冰模板自组装技术被用于构建三维互联的立方砷化硼（BAs）导热网络，配合聚合物熔体浸润，获得了热导率达21 W/m·K、界面热阻低至0.05 K·cm²/W的材料，远优于传统导热界面材料。此外，为解决导热与透气性的矛盾，图案化石墨烯氮化硼纳米片（BNNSs）涂层与静电纺丝热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）多孔基底相结合的结构被提出，在实现0.844 W/m·K热导率的同时，仅使透气率从27.54略微降至21.43 mm/s，并在2000次弯曲循环后保持稳定，有效平衡了散热与长期佩戴舒适性。

2.2 相变材料

相变材料利用其潜热储存与释放特性，在固液相变过程中吸收大量热量，为柔性电子器件提供温度缓冲。传统相变材料刚性大且易泄漏，难以满足柔性需求。通过湿法纺丝制备的石墨烯-氮化硼（Graphene-Boron Nitride, GB）杂化纤维非织造布，结合真空辅助浸渍烷烃类相变物，实现了高达206 J/g的储能密度与0.83 W/m·K的热导率，其疏水表面与纤维网络结构有效抑制了80℃下的泄漏。另一种采用聚偏氟乙烯-氮化硼（Polyvinylidene Fluoride-Boron Nitride, PVDF-BN）多孔骨架限域石蜡的方案，在获得0.52 W/m·K热导率与约105 J/g潜热的同时，展现出1.9×10⁵Ω·m的体积电阻率，确保了电气绝缘安全，且在1000次热循环后潜热衰减小于2%。此外，将热致变色微/纳米胶囊引入聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）/水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane, WPU）基体，开发出了兼具38.9 J/g储能密度与可逆颜色响应的多功能薄膜，在25℃显蓝色，37-40℃褪为无色，为可穿戴温度传感与智能服装提供了创新平台。

2.3 辐射冷却材料

辐射冷却材料通过红外辐射实现零能耗散热。早期材料受天气限制多用于夜间，而微纳加工技术的进步使得构建兼具高太阳反射率与高红外发射率的双功能结构成为可能，实现了全天候辐射制冷。针对可穿戴场景，需同时解决强太阳辐射阻隔与人体热辐射透过的难题。将氧化锌（Zinc Oxide, ZnO）纳米颗粒嵌入红外透明聚乙烯（Polyethylene, PE）基体，利用ZnO的高反射与PE在大气窗口的透过特性，使模拟皮肤温度在正午保持在33.5℃，较棉织物低12.1℃，估算净辐射冷却功率约230 W/m²。进一步的设计还需适应户外出汗、降雨与粉尘环境，例如四层复合结构的冷却电子纺织品（Cooling Electronic Textile, CET），结合NanoPE层的高反射与碳化织物层的高红外发射率，在烈日下可将器件峰值温度控制在34℃，较无覆盖组低21℃，并兼具压力传感与出色的耐洗涤稳定性。针对高集成度表皮电子器件，超薄软质辐射冷却界面（Ultra-soft Radiation Interface, USRI）利用聚苯乙烯-丙烯酸酯基体与中空二氧化硅（SiO₂）微球，实现了91%的太阳反射率与97%的红外发射率，在柔性线路与无线表皮电子设备中可获得高达56℃的降温效果，并在50%应变下保持性能稳定。

2.4 蒸发冷却材料

蒸发冷却材料利用汗液汽化潜热降温，其多孔亲水结构通过毛细作用快速导汗并扩大蒸发面积。仿生Janus双层织物通过疏水层与超亲水层间的非对称锥形微孔，实现了汗液从皮肤侧向外的单向传输，单向输水率达1246%，水蒸气透过率（Water Vapor Transmission Rate, WVTR）达0.017 g/cm²·h，且湿粘附力接近于零。为应对汗液油污导致的性能衰减，兼具防污、导汗与散热功能的FP-Cool织物被开发出来，其外层经化学处理形成超疏水/疏油界面，内层为多孔亲水网络，在3000次机械磨损后仍能保持超疏油性与单向导汗能力。对于虚拟现实（Virtual Reality, VR）等高发热设备，仿生皮肤冷却系统（Skin-like Cooling System, SCS）利用聚N-异丙基丙烯酰胺（Poly-N-isopropylacrylamide, PNIPA）水凝胶的热敏排水特性，在环境温度超过其低临界溶解温度（Lower Critical Solution Temperature, LCST，约33℃）时排出水分并蒸发散热，使21 W VR设备表面温度降低7-11℃，且在450小时高温高湿老化与60次吸脱附循环后保持性能稳定。

1. 3.
   主动式热管理
   3.1 热电制冷
   基于帕尔贴效应（Peltier Effect），热电制冷器件（Thermoelectric Devices, TEDs）无运动部件且可通过切换电流方向实现双向温控。针对可穿戴高热阻环境，通过降低填充因子（Fill Factor, FF）并优化纵横比（Aspect Ratio, AR）设计的微型热电模块，在FF<15%且AR=1-2时表现最佳，其中超低FF（约5.2%）模块在前臂测试中实现了8.2℃的降温，效果为商用模块的1.7倍。柔性夹层结构的热电臂配合双Ecoflex弹性体封装与空气间隙热阻层，可在自然对流下实现7.3℃的稳定制冷，并通过闭环控制将皮肤温度精确维持在32℃，在超过8小时连续运行与1000次弯曲循环后性能无明显衰减，解决了热端排热难题。

3.2 电热效应/磁热效应

电热效应（Electrocaloric Effect, ECE）与磁热效应（Magnetocaloric Effect, MCE）均属无运动部件的固态制冷技术。ECE源于铁电体系极化与熵的耦合，早期依赖锆钛酸铅（PZT）等陶瓷材料，驱动电场高且刚性大。弛豫铁电聚合物如P(VDF-TrFE-CFE)体系展现出巨大电热效应，通过高熵聚合物设计可进一步提升温变并降低驱动场强。器件层面，同轴电卡纤维结构将导电芯层、电热聚合物层与外电极结合，在约100 V/μm电场下产生0.7-1.0℃的温变，并在2.5 mm弯曲半径下循环2000次后性能稳定。最新的多层电热聚合物堆叠结构通过超薄化与淬火晶粒控制，在36 V低压下即可实现1.4 K的瞬时温变，由一节AA电池供电可持续输出0.86 W功率超过150小时，并能将手部皮肤温度从35℃降至约31.9℃。MCE方面，通过磁控溅射与物理剥离制备的自支撑柔性钆（Gd）金属厚膜，在1-7 T磁场下熵变达2.7-10.5 J/kg·K，且在约1.1 mm弯曲半径下磁性能稳定。石墨烯-VO₂复合超晶格则利用二维限域与应变调制效应，将磁熵变提升至约0.4 J/kg·K，为柔性磁热器件提供了新材料体系。

3.3 微流控冷却

微流控冷却利用微通道内的液体强制对流实现高热通量散热。早期的硅基微通道在约1 cm²加热面积上实现了790 W/cm²的散热能力。多歧管微通道设计通过缩短流动路径，在维持努塞尔数（Nusselt Number, Nu）约16与壁面传热系数约2.4×10⁵W/m²·K的同时，显著降低了压降。针对柔性基底，聚二甲基硅氧烷-氧化石墨烯（Polydimethylsiloxane-Graphene Oxide, PDMS-GO）复合材料将热导率从0.07提升至0.18 W/m·K，相应的微流道模块在100 μL/min流速下使热点温度降低约3.3 K。为进一步减少对外挂冷源的依赖，电热微流控毛细管利用BSTO-P(VDF-TrFE-CFE)复合聚合物的局域温变特性，在100 MV/m电场与5 mm/s流速下使硅油温度降低约0.7 K，86.1%的热量被转移至流体侧，实现了702.1 mW/cm³的比冷却功率密度，且无需额外封装，为高度集成的液冷设计提供了新思路。

1. 4.
   混合式热管理
   单一策略往往难以兼顾能效与舒适度，因此多种机制的耦合成为重要趋势。一种腕带式混合散热结构结合了三维导热骨架（泡沫镍与氮化硼）、相变储热层（聚乙二醇）与热电冷板，在0.45 A驱动电流下使热电冷端温度较环境降低13.1 K，模拟皮肤条件下仍保持8.8 K的稳态温差，且变形1.5 cm或450次循环后性能衰减小于5%，稳态制冷能力较纯导热结构提升55%以上。另一种热电-水凝胶个人冷却服将热电热端与水凝胶蒸发器耦合，在55℃环境与30%相对湿度下净制冷功率高达338 W/m²，即便在高达88%相对湿度的极端条件下，皮肤侧温度仍能维持在35.8℃以下，配合5 mm厚水凝胶可持续运行超过6小时，通过PID控制器调节热电阵列功率，实现了动态环境下的自适应温控。尽管混合设计提升了性能，但也增加了系统重量与集成复杂度，未来需在散热效能与佩戴体验间寻求更好平衡。
2. 5.
   结论与展望
   随着智能可穿戴设备在健康监测、人机交互及运动康复等领域的普及，热管理已从次要问题演变为系统级挑战。未来研究应聚焦于跨尺度结构设计与多物理场协同优化，开发兼具高导热、高透气与自修复能力的多功能复合材料；推进柔性主动热管理器件与低功耗驱动技术的集成，探索基于环境能量采集的自供电系统；构建面向极端环境的自适应混合热管理系统，结合传感器与反馈算法实现动态智能调控；并重视材料与器件的全生命周期环境友好性，发展可降解、可回收或低毒性的体系及绿色制造工艺。通过多学科交叉融合与产学研协同，推动可穿戴热管理向更高效率、更强智能、更佳舒适度与更可持续发展的方向迈进。