图 相变材料基热管理应用的多尺度协同设计

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52325601、52293412）资助下，上海交通大学王如竹教授、李廷贤教授团队与北京师范大学陈晓副教授、北京大学邹如强教授和英国伯明翰大学Yulong Ding教授合作，在面向热管理应用的相变储热材料领域取得进展。相关成果以 “Phase-change materials for thermal management”为题，于2026年9月21日在线发表于国际学术期刊《自然综述:材料》（Nature Reviews Materials）。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41578-026-00959-7。

　　相变材料（PCM）凭借独特的等温相变特性，可在恒定温度条件下吸收与释放大量潜热，因而在电子器件与动力电池温控、可再生能源跨时域利用及建筑节能等领域具有广泛应用潜力。然而，现阶段相变材料普遍面临导热系数低、热稳定性差、能量密度与功率密度难兼顾等问题，由于缺乏相变材料/单元/装置不同层级的多尺度设计策略，难以实现综合性能协同优化。

　　针对上述问题，研究团队从热力学与动力学出发，以相变温度、能量密度和功率密度为核心评价指标，构建了涵盖“分子工程—材料合成—单元架构—器件设计—系统集成”的相变材料基热管理多尺度协同设计框架。热管理材料层面，阐明了一阶相变与二阶相变的本质差异，总结了外场响应分子设计、分子间相互作用调节相变温度、共晶组分设计及有序导热网络构筑等策略。热管理单元层面，分析比较了采用物理封装和化学交联构建热管理单元的构效关系与挑战，讨论了多重相变及显热、潜热与反应热耦合提升储热容量的新途径。热管理器件层面，评述了金属基翅片与碳基翅片、紧密接触熔化等创新性传热强化方法，强调协同提升储放热功率、能量密度、制造成本与循环可靠性的多目标优化策略。热管理系统层面，围绕工业余热回收、可再生能源存储、电子器件温控与建筑节能等场景，分析并阐述了相变材料工作温区、储放热动力学与实际热负荷的匹配关系。

　　研究指出，新一代相变材料基热管理技术应以相变材料多尺度协同设计理念与工程实际需求为出发点，在精准调控相变温区、同步提升能量密度与功率密度的前提下，兼顾系统安全性、循环稳定性、经济适用性以及全生命周期绿色可持续性。研究提出未来应建立标准化评价体系，融合人工智能与高通量实验手段，构建集能量捕获、转换、存储与需求响应于一体的智能调控热管理系统。该研究为推动相变材料由被动热缓冲介质向主动能量调控单元发展提供了新的设计思路。