摘要：热管理涉及对系统、设备或电子产品中的温度进行精确控制，以确保最佳性能、稳定性、更高的效率和使用寿命，其中包括高导热性、超热绝缘以及主动和被动加热。碳纳米管（CNT）以密度低、机械强度高、导热和导电性能优异而著称，是轻质、高强度应用的理想材料，在智能热管理方面具

1成果简介

热管理涉及对系统、设备或电子产品中的温度进行精确控制，以确保最佳性能、稳定性、更高的效率和使用寿命，其中包括高导热性、超热绝缘以及主动和被动加热。碳纳米管（CNT）以密度低、机械强度高、导热和导电性能优异而著称，是轻质、高强度应用的理想材料，在智能热管理方面具有广泛的优势和潜力。本文，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所Jin Wang 、李清文研究员等在《ADVANCED SUSTAINABLE SYSTEMS》期刊发表名为“Carbon Nanotube-Derived Materials for Smart Thermal Management”的综述，探讨了碳纳米管在提高导热性、绝缘性、光热转换和电热方面的应用，强调了其在智能热管理系统中的独特优势和广阔应用前景。具体而言，文章概述了 CNT 材料在提高热效率、增强隔热性能和提高能量转换率方面的优势，为创造创新的下一代热管理材料提供了重要的科学和技术指导。通过系统分析和预测，本综述为高性能热管理材料的研发提供了战略方向，预示着CNT材料在未来研究中将发挥重要作用。

2图文导读

2.1 具有高导热性的CNT材料，用于散热。

由于重量轻、强度高、导热性能优异，碳纳米管被认为是最有希望用于电子设备热管理的材料之一。然而，宏观尺度 CNT 材料的热导率仍仅限于几十至几百瓦特/米-开尔文（W/m-K），大大低于单个 CNT。这一显著差异是由于结构因素造成的，如缺陷密度高、排列不整齐、管间热阻大等，这些因素限制了这些材料的整体热性能。然而，由于纳米管之间的界面接触不足以及跨平面多孔网络的形成，厚度方向上的热导率大幅降低，导致该方向上的热导率急剧下降。尽管将 CNT 集成到聚合物基体中可显著提高热性能和机械性能，如多壁 CNT（MWCNT）/树脂复合材料的热性能提高了 40%，但仍不足以满足实际应用的需要。通过改善 CNT-CNT 接触处的热阻、CNT 与聚合物之间的界面以及更好地分散和排列 CNT，可进一步提高热性能。

用于散热的基于 CNT 的复合材料。

图2、用于散热的基于CNT的复合材料。

2.2 用于隔热的低导热率 CNT 材料

通过创新设计材料的微观结构，有可能实现基于 CNT 的材料的热导率的变革性变化。结构设计，尤其是孔隙率的加入，可以改变材料的构型，将其转变为多孔结构。由于其独特的微观孔结构，多孔材料可以显著改变热传导途径，从而彻底改变热导率。导热系数的这种变化不仅仅是一种定量调整，而且从根本上改变了基于CNT的多孔材料中的传热机制。这种方法允许开发将高强度和韧性与承受极端环境能力相结合的材料，从而满足复杂和多变的应用场景的需求。此类材料可以在高、低、高辐射环境中保持稳定性，同时表现出优异的机械强度和韧性。在以下部分中，我们将深入研究基于CNT的多孔材料的热传导机制，并讨论它们的具体应用场景。

图3、用于热管理的基于CNT的泡沫。

图4、用于热管理的基于CNT的气凝胶。

2.3 用于被动加热的碳纳米管材料

碳纳米管具有出色的广谱光吸收能力，在太阳能热能转换领域前景广阔。碳纳米管的光吸收率高达 99% 以上，是太阳能热系统中的重要元素。其光热转换主要由内部分子机制促进，涉及电子激发和随后的能量弛豫。在分子水平上，碳纳米管的共轭 π 电子系统能有效地吸收光，这归因于其π键和π反键分子轨道之间的能隙较窄。光照射会促使π电子吸收能量并跃迁到更高的能态，它们返回基态时主要以热能的形式释放能量，从而实现光能到热能的嬗变。CNT 的固有特性使其广泛应用于各种被动加热领域，包括用于提高海水加热效果的光热脱盐、用于调节舒适温度的个人热管理系统、用于确保电子设备运行稳定性的热调节，从而展示了其在能量转换和热管理方面的多种能力。

图5、用于太阳能海水淡化的基于 CNT 的材料。

图6、用于 PTM 的基于 CNT 的材料被动加热。

2.4 用于主动加热的CNT材料。

与金属网和导电聚合物等传统电热元件相比，碳纳米管具有轻质、高强度和均匀电热转换等优点。碳纳米管精确控温和快速加热的能力有助于电子设备的精确运行，同时，其节能特性也大大有助于节能减排工作。CNT 电热技术已从实验阶段进入商业应用阶段。市场上已开发出紧凑高效的基于碳纳米管的加热器和冷却器，可提供稳定可控的温度管理，且无需额外的能源成本。此外，碳纳米管的生态友好和可持续特性也确立了其在当代绿色技术中的作用。本文讨论了CNT在电热转换中的潜在应用，将其与传统材料进行了比较，并分析了它们的优势及其在商业化过程中面临的挑战。

图7、CNT-based material Joule heating for PTM.

3小结

热管理技术在现代技术进步的各个领域都发挥着至关重要的作用，其应用范围从航天器和空间站等大型系统到微型电子芯片不等。高效的热管理系统对于维持这些设备的稳定运行至关重要，它可以及时散发多余的热量或提供必要的热量以创造最佳的运行环境，从而提高设备的性能和使用寿命。在热管理材料领域，碳纳米管因其卓越的导热性、导电性和结构适应性而备受关注。特别是在通过结构设计调节热导率方面，碳纳米管提供了前所未有的多功能性，使其成为先进热管理解决方案的变革性材料。本文回顾了利用 CNT 增强导热性、绝缘性、光热转换和电热能力的最新进展以及具体应用场景，并得出以下结论：

碳纳米管具有出色的导电性、导热性和机械坚固性，因此在智能热管理领域极具影响力。基于碳纳米管的复合材料和设备不仅具有卓越的热管理性能，还能在外部刺激（如电场和磁场）下实现精确控制。这些技术已成功应用于柔性电子产品、可穿戴设备和航空航天设备的热管理，显示出巨大的实用价值。

随着纳米制造技术的进步，对碳纳米管的结构和功能进行更精细的控制成为可能，从而能够在更宽的温度范围内改善热调节。通过将碳纳米管与其他创新材料相结合，可以开发出多功能、快速反应的热管理系统，为高效热调节提供多种选择。

在人工智能和物联网（IoT）不断发展的背景下，基于 CNT 的热管理系统有望进一步集成智能传感和控制技术。这种整合可实现自适应和自调节热管理解决方案，满足未来高复杂性应用的复杂需求。

凭借出色的电学、热学和机械特性，碳纳米管引领着智能热管理领域的创新。随着纳米制造和材料科学的发展，碳纳米管在智能热管理领域的应用必将不断扩大。与人工智能和物联网技术的深度融合将使基于碳纳米管的系统具备自适应、自调节功能，能够满足日益复杂和多样化的应用需求。

文献：