背景介绍

随着柔性电子、可穿戴传感器和智能便携设备的快速发展，兼具温度调控、能量利用与电磁防护功能的柔性热管理材料受到广泛关注。相较于传统依赖外部持续供能的加热或制冷方式，相变材料可利用固–液转变过程中的潜热，在近恒温条件下实现热量的高密度存储与释放，为低能耗甚至零能耗个人热管理提供了重要途径。与此同时，随着5G通信技术和高度集成电子器件的广泛应用，可穿戴设备面临的电磁干扰问题日益突出。因此，将热管理与电磁干扰屏蔽功能集成于同一柔性材料体系，对于提升智能可穿戴电子器件的综合性能具有重要意义。

然而，传统相变材料在面向柔性可穿戴应用时仍面临多重挑战。一方面，石蜡等有机相变材料在熔融过程中容易发生泄漏，且固态下具有一定刚性，难以适应弯曲、拉伸以及复杂曲面等使用场景；另一方面，其本征热导率较低，热量在材料内部传递缓慢，限制了快速储热与释热，而简单引入导热填料又难以构筑连续、高效的传热网络。此外，传统相变材料对太阳能、电能和磁能等外部能源的响应能力有限，同时缺乏有效的电磁干扰屏蔽性能，难以满足智能可穿戴电子器件对多源热响应与电磁防护协同集成的需求。尽管构筑三维多孔骨架能够在一定程度上改善上述性能，但现有制备方法往往涉及较为复杂的多步骤工艺和较高的能耗，同时受到模具尺寸及规模化生产条件的限制。

针对上述问题，研究团队提出了一种基于相转化与直接喷涂相结合的Janus型柔性相变复合膜设计策略。通过构筑GNP-Co@PVDF多孔骨架，并在其表面引入MXene@PTA功能层，在同一柔性相变材料体系中协同实现热传导强化、相变储热、多源能量响应与电磁干扰屏蔽。该策略兼顾材料的多功能集成与制备工艺的简便性，为面向智能可穿戴电子器件的多功能热管理材料设计提供了一种简单、低成本且具有规模化应用潜力的新思路。

成果简介

本研究构建了一种Janus型柔性相变复合膜。通过非溶剂诱导相分离方法，将异质GNP-Co杂化填料引入PVDF基体，构筑连续多孔的GNP-Co@PVDF骨架，在实现石蜡有效封装、抑制熔融泄漏的同时，形成高效的热传导与电磁波损耗通路；进一步结合等离子体处理和直接喷涂，在骨架表面构筑MXene@PTA功能层，并通过氢键作用增强层间界面结合。由此形成的Janus异质结构充分发挥GNP-Co@PVDF层的电/磁损耗作用和MXene@PTA层的高导电反射作用，通过“吸收–反射–再吸收”机制实现对电磁波的高效衰减，同时赋予材料优异的柔性、热驱动形状恢复能力以及光、热、电、磁多源能量响应性能。

所得复合膜的热导率达到2.12 W·m^-1·K^-1，相较纯石蜡提升约960%，同时仍保持146.9 J·g^-1的相变潜热；其电磁屏蔽效能达到38.9–62.5 dB，并在多次热循环后保持良好的结构稳定性与功能稳定性。在多源能源利用方面，该材料的光热转换效率达到91.2%，能够将太阳能高效转化并存储为相变潜热；进一步与热电器件耦合后，在0.5 W·cm^-2光照条件下可实现670.3 mV的输出电压和12.45 W·m^-2的输出功率密度，并可利用储存的热量在光照停止后继续发电。此外，该材料还表现出快速低电压焦耳加热和磁热转换能力：在3.0 V电压下可于94 s内升温至92.8 ℃；在交变磁场作用下，仅需短时间充能，即可借助相变储热实现持续热量释放。该研究实现了多源能量转换以及相变储热/电磁防护的多功能协同，为智能可穿戴电子设备、个人热管理以及复杂环境下便携式能源利用提供了新设计思路。

图文导读

图1 制备过程与微观结构表征。（a）GNP-Co杂化物的制备，（b）基于非溶剂致相分离法和喷涂法制备 Janus 型柔性PMG膜，（c）MG和PMG膜的断面SEM图，（d）大尺寸 PMG 膜照片，（e）PMG膜的柔性特征。

图2 化学键合与结构表征。（a）ZIF-67、GNP、GNP@ZIF-67和GNP-Co的XRD图，（b）GNP和GNP-Co的SEM和TEM图，（c）GNP-Co的XPS高分辨Co 2p和C 1s峰，（d）氧等离子体处理前后GNP-Co@PVDF骨架的XPS图（插图为接触角数据），和（e）对应的高分辨C 1s峰，（f）MXene和MXene@PTA的AFM图和XRD图，（g）PW和PMGX膜的XRD图和（h）FT-IR图，（i）PMGX的热驱动形状记忆功能。

图3 热物理与相变性能。（a）PMGX膜的热导率和导热增强率，（b）激光点热源-红外热成像装置图，（c）加热过程中不同PCMs的红外热成像图，（d）PMGX膜的DSC熔化-凝固曲线，（e）PMGX膜的相变焓和相变温度，（f）PMGX膜的防泄露性能照片，（g）经历52次熔化-凝固循环后PMG1的XRD图和（h）FT-IR图，（i）经历52次熔化-凝固循环后PMG1的相变焓、相变温度和吸热/放热曲线。

图4 电磁屏蔽性能（a）PMGX膜的电导率，（b）不同频率下PMGX膜的SE_T，（c）PMGX膜的平均SE_T、SE_A和SE_R，（d）经历100次热循环前后PMGX膜的SE_T，（e）不同厚度下PMG1的SE_T，（f）平均SE_T、SE_A和SE_R，（g）智能手机和无线充电器之间的信号阻断实验，表明PMG1膜出色的电磁屏蔽性能，（h）PMGx膜的电磁屏蔽机理，（i）与先前文献报道PCCs的综合性能对比。

图5基于PMGX膜的太阳能利用。（a）PMGX膜的紫外-可见光吸收光谱，（b）光热转换曲线，（c）不同光照强度下，PMG1膜的光-热转换曲线，（d）PMG1膜在90次循环过程中的光-热转换曲线，（e）人体模型的红外热成像图，（f）用于光-热-电转换的STEG装置示意图，（g）光照强度为0.2 W cm^-2时，空白、PG0和PMG1耦合STEG的输出电压，（h）不同光照强度下，PMG1耦合STEG的输出电压/电流曲线。

图6 电/磁热转换和存储。（a）不同电压下PMG1的表面温度变化，（b）红外热成像图，（c）梯度升/降电压时PMG1的表面温度变化，（d）不同电压下PMG1的电-热循环曲线，（e）Co、GNP-Co和PMG1的磁滞回线，（f）不同交变电流下PMG1的磁-热转换曲线。

作者简介

天津仁爱学院郭红副教授为第一作者，南开大学李保安教授和胡泊洋助理研究员为该文章的共同通讯作者。

郭红，天津仁爱学院副教授，主要研究方向为导热相变复合材料的设计制备与性能调控。研究成果在Compos. Part B Eng.、Chem Eng J.、J. Mater. Sci. Technol.、Small等期刊发表SCI论文20余篇，主持国家电网科技支撑项目、天津市教委科研计划项目等多项科研项目，曾获天津市环境保护科学技术一等奖、中国能建科学技术二等奖等。聚焦产学研技术成果转化，担任天津睿能高新技术有限公司总经理。

胡泊洋，南开大学环境科学与工程学院助理研究员，主要研究方向为导热屏蔽/吸波相变复合材料的结构设计与性能调控。研究成果在Nano Res.、Chem Eng J.、Compos. Part B Eng.、J. Mater. Sci. Technol.等杂志发表论文10余篇，申请国家发明专利13项，主持中国博士后基金面上项目，致力于产学研转化，担任天津睿能高新技术有限公司董事长。

李保安，南开大学环境科学与工程学院教授、博士生导师，国家重大人才项目人选者，主要研究方向为相变储能材料及先进热管理材料的性能调控与应用，以及MABR膜技术与水环境治理。发表SCI论文近200篇，团队授权专利100余项。主持国家重点研发项目、国家科技支撑计划重点项目、科技部国际合作项目、国家自然科学基金和天津市科技计划重点重大项目等。在高新技术的产业化方面取得了突破，担任天津海之凰科技有限公司董事长，天津睿能高新技术有限公司创始人。

文章信息

Guo H, Hu B, Shan H, et al. Janus-type flexible phase change composite for wearable thermal management and electromagnetic interference shielding. Nano Research, 2026, https://doi.org/10.26599/NR.2026.94909156.

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