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氣凝膠具有超輕、超高孔隙率、超高比表面積、可調(diào)節(jié)的熱/電導(dǎo)率和機(jī)械柔韌性等特點(diǎn)，有望成為有效封裝相變材料的理想載體材料。新型氣凝膠復(fù)合相變材料具有高能量存儲(chǔ)密度，被認(rèn)為是一種先進(jìn)的熱能存儲(chǔ)技術(shù)。更吸引人的是，相變材料與氣凝膠的巧妙結(jié)合，加速了先進(jìn)多功能復(fù)合相變材料的發(fā)展，如機(jī)械柔韌性、形狀記憶、熱紅外隱身、阻燃、吸波等功能，這些先進(jìn)功能為相變材料提供了創(chuàng)新的應(yīng)用平臺(tái)，如可穿戴熱管理、溫度調(diào)節(jié)紡織品和智能抓取器等。

近日，北京科技大學(xué)王戈&北京師范大學(xué)陳曉等人系統(tǒng)地總結(jié)了高性能和多功能氣凝膠基復(fù)合相變材料的最新進(jìn)展，特別強(qiáng)調(diào)了先進(jìn)的多功能性，例如光-熱、電-熱、聲-熱和光-熱-電等能量轉(zhuǎn)換策略、柔韌性、阻燃性、形狀記憶、熱紅外隱身、智能抓取器和吸波等功能。系統(tǒng)闡明了不同種類氣凝膠在復(fù)合相變材料中的多功能作用以及它們的結(jié)構(gòu)和熱物理性質(zhì)之間的關(guān)系，此外還展示了氣凝膠和3D打印技術(shù)的跨學(xué)科研究進(jìn)展，這有助于開創(chuàng)更前沿的功能復(fù)合相變材料。該綜述以“Aerogels Meet Phase Change Materials: Fundamentals, Advances, and Beyond”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。

圖1各種氣凝膠基復(fù)合相變材料及先進(jìn)多功能應(yīng)用

圖2近年來氣凝膠基復(fù)合相變材料的主要進(jìn)展

1. 碳?xì)饽z基復(fù)合相變材料

碳?xì)饽z通常具有連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由相互連接的膠態(tài)碳粒子或聚合物碳鏈組成，可以在納米尺度上控制和調(diào)節(jié)。根據(jù)前驅(qū)體的類型，碳?xì)饽z可分為三類:酚醛樹脂源碳?xì)饽z、碳納米管和石墨烯源碳?xì)饽z和生物質(zhì)源碳?xì)饽z，通過有機(jī)氣凝膠的熱解或前驅(qū)體的自組裝路線生產(chǎn)。碳基氣凝膠具有氣凝膠的所有結(jié)構(gòu)特性，還具有導(dǎo)電能力。由于其具有超高孔隙率、超低密度和大比表面積等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)用于相變材料的封裝支撐材方面引起了廣泛的研究興趣。碳?xì)饽z的高孔隙率有利于提高相變材料的高負(fù)載量，確保復(fù)合相變材料的高儲(chǔ)熱能力，通過強(qiáng)大的毛細(xì)力防止融化的相變材料泄漏。同時(shí)，碳?xì)饽z的高度互聯(lián)的三維導(dǎo)熱框架改善了相變材料固有的低導(dǎo)熱率，提高了熱響應(yīng)速度。此外，碳?xì)饽z復(fù)合相變材料由于其優(yōu)越的太陽捕獲能力和高導(dǎo)電性被認(rèn)為是十分有前途的光-熱和電-熱能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)候選材料。

2. 硅氣凝膠基復(fù)合相變材料

近年來，二氧化硅氣凝膠由于其孔隙率大、比表面積大，被用于作為支撐材料，以保持相變材料的形狀穩(wěn)定性，防止相變過程中的泄漏。利用二氧化硅氣凝膠的超低導(dǎo)熱系數(shù)和相變材料的高儲(chǔ)熱能力，二氧化硅氣凝膠基復(fù)合相變材料在熱防護(hù)方面具有很大的應(yīng)用潛力。

3. 聚合物氣凝膠基復(fù)合相變材料

聚合物氣凝膠由于具有超低導(dǎo)熱系數(shù)、超輕密度、高孔隙率、優(yōu)良的力學(xué)性能和靈活的分子設(shè)計(jì)等特性，已成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能支撐材料。

3.1纖維素氣凝膠基復(fù)合相變材料

環(huán)境問題促使研究人員利用天然生物基材料開發(fā)先進(jìn)材料和應(yīng)用。從纖維素納米纖維（CNFs）、纖維素納米晶體（CNCs）或細(xì)菌纖維素（BC）中提取的纖維素氣凝膠，因資源豐富、生物降解性好、易降解和環(huán)境友好而受到廣泛關(guān)注。纖維素氣凝膠既具有傳統(tǒng)氣凝膠的輕質(zhì)、高孔隙率和大比表面積，又具有纖維素本身的優(yōu)良性能（良好的生物相容性和可降解性，高機(jī)械強(qiáng)度）。最值得注意的是，纖維素氣凝膠具有誘人的機(jī)械性能，如高壓縮強(qiáng)度和優(yōu)異的柔韌性。纖維素氣凝膠與相變材料的智能集成可以生產(chǎn)先進(jìn)的柔性多功能復(fù)合相變材料。

3.2合成聚合物氣凝膠基復(fù)合相變材料

合成聚合物氣凝膠結(jié)合了氣凝膠的優(yōu)點(diǎn)和聚合物工藝路線（聚乙烯醇、聚丙烯和聚酰亞胺等）的便利，在開發(fā)柔性、紅外隱身、形狀記憶和熱保護(hù)等先進(jìn)多功能復(fù)合相變材料方面具有很好的應(yīng)用前景。

4. 其他氣凝膠基復(fù)合相變材料

4.1金屬氣凝膠基復(fù)合相變材料

金屬氣凝膠是由金屬納米材料制成的三維多孔材料，它們結(jié)合了氣凝膠的多孔特性和某些金屬的典型特性。使用金屬氣凝膠來改善相變材料性能的一個(gè)關(guān)鍵動(dòng)機(jī)是由于其極高的固有熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性。

4.2氮化硼氣凝膠基復(fù)合相變材料

六方氮化硼（h-BN）結(jié)構(gòu)與石墨相似，又稱白石墨，具有優(yōu)良的電絕緣性能、高導(dǎo)熱系數(shù)、高熱穩(wěn)定性和抗氧化性。與碳基納米填料增強(qiáng)相變材料的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能不同的是氮化硼在提高相變材料高導(dǎo)熱性能的同時(shí)賦予相變材料更高的電絕緣性能，因此，將相變材料滲透到BN氣凝膠中將有助于制備高導(dǎo)熱但絕緣的復(fù)合相變材料，有望用于微電子器件熱管理。

4.3 MXenes氣凝膠基復(fù)合相變材料

MXenes是由MAX相或?qū)訝盍教蓟锖偷镅苌鴣淼亩S材料，自Gogotsi于2011年創(chuàng)造性地合成MXenes以來，它在基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用領(lǐng)域引發(fā)了各種新興的研究熱點(diǎn)。近年來，MXenes憑借其優(yōu)異的電磁波吸收、局域表面等離子體共振效應(yīng)（LSPR）和層間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出突出的光熱轉(zhuǎn)換性能，已成為相變材料有效利用太陽能的優(yōu)良支撐材料。

圖3氣凝膠復(fù)合相變材料的先進(jìn)多功能

圖4 各種氣凝膠基復(fù)合相變材料的優(yōu)缺點(diǎn)、能量轉(zhuǎn)換策略和先進(jìn)功能

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c05067

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