影响因子83.3！《Nature》大子刊综述：相变材料热管理多尺度设计

第一作者：王思齐（上海交通大学）、陈晓（北京师范大学）、韩寒（上海交通大学）

通讯作者：李廷贤（上海交通大学）

合作单位：北京师范大学、英国伯明翰大学、北京大学

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41578-026-00959-7

热能的产生、转换、储存与调控约占全球能源消耗的90%，热管理已成为高功率电子、新能源汽车、可再生能源和低碳建筑发展的共性瓶颈。传统风冷、液冷虽能及时排热，却需持续消耗能源，且难以应对波动性热负荷。相变材料（PCMs）利用熔化、凝固等相变过程中的潜热，在较窄温度范围内近等温地储存和释放大量热量，如同可反复充放的“热电池”，能够实现被动温控、削峰填谷，并缓解热供需的时空错配，是能源转型与碳中和背景下极具战略价值的功能材料。然而，传统PCMs普遍存在导热性能不足、熔化后易泄漏、循环稳定性有限等问题，尤其是储热能力与充放热速度之间的矛盾，严重制约其工程化应用。

针对上述挑战，近日，上海交通大学李廷贤团队联合北京师范大学陈晓、北京大学邹如强、英国伯明翰大学丁玉龙团队在 Nature Reviews Materials（影响因子：83.3）发表综述论文 “Phase-change materials for thermal management”。文章从相变材料的基本热力学原理出发，围绕相变温度、能量密度和功率密度三大核心指标，系统总结了PCMs“分子‑材料‑单元-器件‑系统” 多尺度设计原则，并进一步探讨了PCMs在电子散热、可再生能源储存、建筑节能及智能热管理等领域的应用前景，为下一代高性能热管理材料的创新迭代与工程化应用提供了系统性设计思路。

一、热力学基础：一阶相变是热管理首选

从热力学看，相变材料可分为一阶PCMs与二阶PCMs。一阶相变中Gibbs自由能连续，但化学势对温度、压力的一阶偏导不连续，导致熵、体积和焓突变，因而能在近等温相变中吸放大量潜热，兼具高储热密度与自主温控能力；二阶相变仅二阶偏导不连续，储热依赖热容累积，能量密度低，多用于特殊场景。一阶PCMs按相变类型分为固–液、固–固、固–气、液–气，按组成分为有机、无机和共晶。固–液综合性能较好；固–固形态稳定但焓值低；含气相潜热高但体积变化大、密封难。有机材料循环稳定、腐蚀低，但导热差、易燃；无机材料导热较高、成本低，却易过冷、相分离和腐蚀；共晶可调温区，但继承母体局限。因此，材料选择只是起点，必须跨尺度协同优化。

图1相变材料的热力学基础及多尺度设计框架

二、统一评价指标：相变温度、能量密度、功率密度

综述以相变温度Tp、能量密度q、功率密度P构建统一评价框架。Tp决定适用温区，受压力、应变、外场和组成调控，遵循Clapeyron关系；动态可调Tp是匹配波动工况的关键。q由显热与潜热构成，窄温区内潜热ΔH主导；但器件级能量密度必须计入封装、支撑骨架和换热器的质量与体积，材料ΔH不等于器件有效储热。P由传热系数K和换热面积A决定，K受对流、界面热阻、导热层厚度与导热系数共同影响。多数原始PCMs本征导热低，因此高能量密度与高功率密度常相互制约，必须材料与器件协同优化。

图2相变材料的核心热物性指标及性能对比

三、分子与材料尺度：调温区、提焓值、增导热

动态Tp可通过光、电、磁、机械等外场实现。偶氮苯等光开关分子经紫外/可见光顺反异构，改变分子构型、极性和堆积，从而可逆调节Tp；物理混合、直接共混或共价接枝均可引入光响应单元。提升ΔH则依靠增强固–液分子间作用力差异：离子相互作用、极性基团与氢键、纳米限域均可提高焓值，但过强作用会抑制链段运动和结晶可逆性。对无机PCMs，成核剂可抑制过冷，共晶设计可调温区并改善储热。

图3分子与材料层面的相变温度和能量密度调控策略

导热强化：分子层面可通过链取向、共轭结构、π–π堆叠和分子/离子掺杂等策略降低声子散射；材料层面引入0D、1D、2D、3D高导热填料，并借助热压、剪切、挤出、电场/磁场、原位生长和模板诱导等策略构建连续、定向、低界面热阻网络。核心权衡是：填料提高导热，却挤占PCMs、降低能量密度，因此低填充、高取向、连续网络是难点。

图4相变材料导热性能的多尺度优化策略

四、单元与器件：稳定封装与功率强化

单元尺度主要解决泄漏、相分离和循环稳定性。物理策略包括共混、多孔浸渍、微胶囊、3D打印和静电纺丝等，工艺简单、易放大；化学策略包括交联、接枝和核壳封装等，稳定性更高但工艺复杂。封装引入非相变组分，必然降低有效能量密度；可通过累积多个相变过程，或耦合显热、潜热与反应热提升总储热。

图5相变储热单元的稳定性提升与能量密度优化

器件尺度决定充放热速率。金属泡沫、金属翅片和分形翅片可扩大换热面积、引导热流；碳基翅片因低密度、高导热、耐腐蚀更具潜力。紧密接触熔化让固体PCMs持续压向热源，维持薄液膜、降低界面热阻。

图6相变储热器件的功率密度提升策略

五、系统集成：从被动缓冲到主动调控

系统层面，PCMs可用于工业余热回收、电–热转换、光–热转换等，缓解可再生能源供需时序错配；在热调控中，可用于电子器件、电池、建筑围护、人体热管理和极端热负荷防护。其本质是以潜热吸放充当自主热缓冲器，降低温度波动，且无需外部能量输入。进一步，PCMs正从被动缓冲走向主动能量调控，与辐射冷却、太阳能加热、热电模块、热泵等耦合，可实现热–电–化学能协同、按需释放和跨时空调配。此外，还可以利用相变体积/形态变化，发展形状记忆抓取器、药物释放载体和血管支架等。不同场景对温区、功率、循环、成本、安全与柔性要求差异显著，系统设计必须与真实热负荷匹配。

图7相变材料在不同应用场景中的系统集成

六、展望

下一代PCMs热管理需在动态Tp、高能量密度、高功率密度、循环稳定、安全、低成本与全生命周期可持续之间取得综合最优。分子/材料层面，应发展生物基、可再生PCMs，构建分子结构、工艺与宏观热物性的数据库，结合AI预测与高通量实验，实现多目标协同设计，突破传统试错瓶颈。器件层面，需开发可规模化、低成本的有序导热复合结构，揭示结晶动力学与传热传质耦合机制，实现熔化吸热与凝固放热的双向强化。系统层面，可结合梯级相变、温度梯度精准匹配与热泵主动调控，推动PCMs从被动热缓冲介质升级为智能化、可控化的主动能量调控单元。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。

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