摘要：如今，极端气候频发，导致人类日常生活中的热压力增加。个人热管理（PTM）是一种控制人体微环境的技术，已成为解决热应力问题的一项前景广阔的策略。传统的高性能纤维，如超细纤维、多孔纤维、高导热纤维和相变材料，虽然在普通环境下有效，但在应对恶劣条件或较大温度波动时却
如今，极端气候频发，导致人类日常生活中的热压力增加。个人热管理（PTM）是一种控制人体微环境的技术，已成为解决热应力问题的一项前景广阔的策略。传统的高性能纤维，如超细纤维、多孔纤维、高导热纤维和相变材料，虽然在普通环境下有效，但在应对恶劣条件或较大温度波动时却显得不尽人意。气凝胶是第三代超级绝缘材料，因其极低的密度和导热性，在建筑节能、交通和航空航天领域的热管理应用受到研究人员的广泛关注。虽然气凝胶历来面临机械强度弱和二次加工能力有限的挑战，但最近在开发用于 PTM 的可穿戴气凝胶方面取得了显著进展。这一进展突显了气凝胶在极端恶劣环境中作为自供电智能设备和传感器的潜在应用。
本文，苏州纳米所王锦研究员团队在《ACS Nano》期刊发表名为“Wearable Aerogels for Personal Thermal Management and Smart Devices”的综述，概述了可穿戴气凝胶及其PTM应用，尤其关注它们的可穿戴性和适用性。最后，讨论根据气凝胶的功能将 PTM 应用分为五种类型：隔热、加热、冷却、自适应调节（包括隔热、加热和冷却）以及将气凝胶用作可穿戴智能设备。
2图文导读图1.气凝胶的应用及其在热管理中的具体应用
图2.基于以下功能对PTM的可穿戴气凝胶进行分类
图3.（a） 气凝胶结构和传热机理示意图。（b） 文献数量与年份之比。
自 2000 年以来，气凝胶在非真空超绝热系统中的隔热应用有所增加，例如用于太空发射应用，热超绝缘，极高温的隔热，以及提高建筑物玻璃的能源效率。气凝胶作为PTM可穿戴材料的应用受到了研究人员的广泛关注，特别是自2020年以来，伴随着气凝胶纤维的进展，可以编织成织物。得益于导电气凝胶的发展以及被动加热和辐射冷却的蓬勃发展，气凝胶在热管理中的概念不再局限于隔热。气凝胶还可用于被动加热、焦耳加热、PRC 和双模加热和冷却，它们甚至被用作可穿戴设备的传感器。以下各节将回顾这一重大进展。
气凝胶对PTM的最大挑战是其佩戴适用性。尽管如此，其出色的隔热性和轻质性能引起了PTM的极大兴趣，例如气凝胶鞋垫和高海拔防护服，以气凝胶毯的方式将二氧化硅气凝胶集成到混合织物基质中。然而，气凝胶毯中的气凝胶颗粒很容易从无纺布材料上脱落，限制了气凝胶毯的进一步应用。为了解决这个问题，气凝胶毯在使用前被封装起来;然而，这对材料的柔韧性和透气性产生了负面影响，气凝胶的内部损坏和沉降仍然是不可避免的。有趣的是，气凝胶纤维的最新发展开启了可穿戴气凝胶的时代。除了气凝胶在被动隔热方面的传统应用外，它们在过去2或 3年中还证明了它们在被动加热、被动冷却、智能热调节和可穿戴设备方面的潜力，这表明用于 PTM 的可穿戴气凝胶正在兴起。
图4.气凝胶纤维的类型及其潜在应用
图5.层压织物气凝胶的制备工艺及其PTM应用
随着气凝胶的快速发展和跨学科研究兴趣的增加，气凝胶在热管理以外的应用方面取得了相当大的进展，例如可穿戴压力传感、能量存储和报警。其中，压力传感越来越受到研究者的关注。例如，Yang et al.报道了一种芳纶纳米纤维（ANF）和导电MXene基复合气凝胶薄膜，该薄膜具有分层多孔结构，并被证明具有压力传感器的功能。如图6所示，在可控的真空辅助过滤过程中，具有大长宽比和高表面积的ANF被展开并缠绕，并通过冷冻干燥转化为ANF气凝胶膜。ANFs经过质子化还原并组装成网络，MXene片穿插在ANFs的长链和包裹的ANF网络之间，形成层间骨架。ANF/MXene气凝胶薄膜具有柔韧性，抗拉强度为14.1 MPa，模量为455 MPa。因此，气凝胶薄膜在电加热和热屏蔽方面具有潜在的应用前景。此外，具有疏水结构的气凝胶膜实现了多功能传感应用。气凝胶膜传感器可以检测人体运动和微表情，灵敏度高（37.4 kPa–1）和快速响应时间（100 ms;图6）。
图6.气凝胶膜传感器的结构设计与性能之间存在内在联系
3小结与展望本综述概述了气凝胶在热管理应用中的历史。特别关注用于PTM和可穿戴设备的可穿戴气凝胶，分为五类：被动隔热;加热;冷却;具有加热、冷却和隔热功能的自适应热管理;以及可穿戴气凝胶设备作为传感器和智能皮肤。此外，还讨论了气凝胶对PTM的原理和优点。气凝胶的快速发展令人兴奋，特别是在穿着方面，已经实现了更轻、更薄的衣服用于极低温保护的目标。此外，气凝胶在热管理中的应用，由于其极低的导热性，并不局限于隔热。焦耳加热、太阳能加热、PRC 和自适应热调节等机制已被气凝胶证明。气凝胶合成的发展和最近对其能力的深入了解促进了它们的进步。此外，随着气凝胶纤维的发展，可穿戴气凝胶正在蓬勃发展，我们很高兴看到基于气凝胶的各种功能设备，例如智能皮肤和传感器。这些研究方向可能会发现有趣的应用，不仅限于个人服装，还可用于建筑、交通和高科技。
气凝胶由于其低导热性和轻质特性，有可能在极端环境中用于 PTM。然而，气凝胶织物的商业化仍然面临相当大的挑战，这主要是由于气凝胶的机械性能较弱和开放的多孔结构。例如，对穿着至关重要的透气性、耐洗性、耐久性、耐磨牢度和染色性等都应大大提高。此外，对于亲水性和疏水性气凝胶，耐洗性不仅需要高机械强度，还需要能够承受环境压力干燥，以防水进入其开放的孔隙。鉴于其出色的集成性能，迫切需要开发用于便携式应用的多功能气凝胶器件。此外，开发用于更极端场景的气凝胶装置是未来研究的一个关键方向。作者希望这篇综述，连同现有的关于气凝胶的杰出研究和我们对未来研究的想法，将促进这种有前途的材料的开发和商业化。
文献：
来源：晓霞论科技
