碳基復合相變材料的研究進展

王成君，汪林強，馬晶，孟淑娟，段志英，孫初鋒，申濤，蘇瓊

（1 西北民族大學化工學院，甘肅 蘭州 730030；2 環(huán)境友好復合材料國家民委重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；3 甘肅省生物質功能復合材料工程研究中心，甘肅 蘭州 730030；4 甘肅省高校環(huán)境友好復合材料及生物質利用省級重點實驗室，甘肅 蘭州 730030；5 四川大學空天科學與工程學院，四川 成都 610065）

如今，隨著全球變暖、能源短缺和供應困難，化石燃料的耗竭持續(xù)增長，提高能源利用效率和開發(fā)新的可再生能源為緩解日益增長的全球能源需求和實現(xiàn)低碳未來提供了有效的解決方案。在各種可再生能源中，太陽能仍然是一種有前途的候選能源，可以為工業(yè)制造、建筑及家庭應用提供熱能[1-2]。然而，熱能供需之間存在時間和地理上的不匹配，因此采用熱能儲存（TES）來解決這一問題。目前主要有三種熱能存儲技術：顯熱儲能、潛熱儲能和熱化學反應儲能[3]?；跐摕醿δ艿南嘧儾牧希≒CMs）具有儲能密度高、潛熱高、能保持幾乎恒定的溫度等優(yōu)點，是應用最廣泛的熱能存儲材料。然而限制固-液相變材料大規(guī)模應用的主要問題之一是相變過程中的泄漏問題，因此在使用前必須將其結構穩(wěn)定[4-5]。許多學者通過設計形狀穩(wěn)定的相變材料來克服該技術問題，主要包括將相變材料包覆到微膠囊中或將相變材料吸附到多孔載體中[6]。除此之外，熱導率也是儲能系統(tǒng)中影響相變材料性能指標的重要參數(shù)之一，簡而言之，相變材料的熱導率直接影響儲能和釋能過程中的傳熱速率。鑒于多孔碳材料具有良好的光吸收性、高導電性、獨特的孔隙結構、化學穩(wěn)定性等諸多特點，在復合相變材料領域備受關注。本文綜述了用于TES的相變材料的熱傳導機制，碳基復合相變材料的設計、熱性能及先進應用。

1 相變材料的熱傳導機制

傳熱現(xiàn)象在自然界和工程技術領域中非常普遍，它的三種基本模式是熱傳導、熱對流和熱輻射。熱傳導通常出現(xiàn)在固體物質內部或固體/液體物質的接觸表面[圖1(a)]；熱對流通常出現(xiàn)在液體或氣體物質內部[圖1(b)]；溫度超過絕對零度的所有物質都能發(fā)出熱輻射[圖1(c)][7]。相比之下，熱傳導模式是最有效和最常見的，也是儲能相變材料中主要的傳熱模式。

圖1 PCM系統(tǒng)中三種基本傳熱模式的示意圖[7]

1.1 PCM的導熱機理

大多數(shù)商用儲熱相變材料在相變之前都是固體材料，如金屬、無機鹽、脂肪酸和石蠟。儲熱相變材料主要通過有序-無序的分子結構轉變實現(xiàn)可逆的熱能儲存和釋放。一般來說，固體材料的熱傳導機制可以分為三類：電子熱傳導、聲子熱傳導和光子熱傳導[8-9]。上述三種機制分別對應于不同的介質：自由電子、晶格振動波和電磁輻射[10]。光子熱傳導機制主要是通過光子的輻射傳導實現(xiàn)的，而光子的輻射傳導在大多數(shù)物質中占有相對較弱的部分。因此，大多數(shù)研究都集中在電子和聲子的熱傳導機制上[7]。

1.1.1 電子熱傳導機理

對于Cu、Ag、Al 等金屬固體，存在著大量的自由電子，金屬固體的熱傳導機理是金屬陽離子和自由電子相互碰撞的結果，金屬的熱導率主要取決于金屬鍵的強度。自由電子既能傳輸電能，又能傳導熱能。因此，熱導率與電導率是相關的。通常采用Wiedemann-Franz 定律來描述金屬材料的熱導率和導電率之間的關系[11]，如式(1)。

式中，L是洛倫茲數(shù)；σ是電導率；T是溫度。一般來說，金屬相變材料具有很高的熱導率[例如，銀的熱導率為429W/(m·K）]，這可以歸因于電子導熱機制。

1.1.2 聲子熱傳導機理

對于非金屬材料，由于非金屬材料中沒有自由電子，熱傳導過程主要是通過晶格振動波之間的相互作用來實現(xiàn)的。根據(jù)量子理論，晶格振動的能量被量子化。量子是由聲子激發(fā)的，聲子是晶格原子集體運動態(tài)的激發(fā)單元。晶格振動波與物質的相互作用可視為聲子與物質的碰撞，晶格振動波的傳播過程是通過聲子與其他聲子的碰撞、晶界、晶格缺陷等實現(xiàn)的[12]。碳材料的Wiedmann-Franz 比值范圍較大，表明碳材料的熱傳導是聲子主導的。據(jù)報道，聲子對碳材料的TC 貢獻率高達99%，聲子主導熱傳導的材料的TC 可以用Debye 方程[13-14]來描述，如式(2)。

式中，C是單位體積的比熱容；v是聲子的速度；L是聲子的平均自由程。在室溫下，碳材料的TC主要依賴于聲子運動的平均速度v和聲子的平均自由程L。L的大小取決于兩個過程：一種是與其他聲子碰撞引起的散射；另一種是與雜質、缺陷、晶界和晶體表面碰撞引起的散射，這兩種碰撞對聲子平均自由程的貢獻可以定量表示為式(3)[15]。

式中，Le是聲子-聲子散射路徑長度；Ld是不均勻相、缺陷、晶界等的間隔，碳材料結構的多樣性導致兩種類型的碰撞對碳材料TC 的貢獻不同，對于高結晶度的碳材料，由于缺陷和晶界較少，Le在整體聲子散射中起主導作用，而對于低結晶度的碳材料，結構不均勻引起的聲子散射占主導地位，因此整體聲子散射主要依賴于Ld，對于結晶度中等的碳材料，Le和Ld共同起作用[15]。從理論上講，不同尺寸碳材料的換熱效率呈現(xiàn)3D＞2D＞1D 的趨勢。一般來說，3D 碳材料的網絡互穿結構可以進一步加速晶格振動和聲子傳輸，并通過構建低界面熱阻來減少聲子散射，從而提高碳基復合相變材料的熱導率[16]。相變材料及其復合材料的組成和形貌是決定其導熱機理的關鍵因素，很難用單一的理論來解釋所有相變材料的導熱機理。最近，除了聲子傳導機制外，擴散驅動模型也得到了廣泛的研究，特別是對于高缺陷晶體和非晶態(tài)材料[17]。因此，未來仍需要對熱傳導機制進行更多的研究。

2 碳基材料

碳材料因其卓越的熱性能[18]、結構性能[19]和電性能[20]，在許多學科中引起了廣泛的興趣。如圖2所示，碳材料有各種形態(tài)結構，可分為一維碳納米材料（碳納米管/碳纖維）、二維碳納米材料（石墨烯/石墨納米片/氧化石墨烯）和三維碳納米材料（多孔碳/膨脹石墨/碳氣凝膠等）[21]，由于其具有高比表面積、可調控的表面性質、高溫穩(wěn)定性、本征熱導率高及無腐蝕性等顯著優(yōu)點，能有效提高PCM的導熱和改善純有機PCM的泄漏。

圖2 不同類型的碳納米結構[21]

在碳材料中，碳納米管理論上是由單層或多層石墨烯卷曲而成的具有獨特的一維圓柱形結構、較高的長徑比和極高的熱導率[22]。單壁納米管的縱向熱導率可高達3500W/(m·K)，多壁納米管約為3000W/(m·K)[23]。碳納米管的高熱導率主要取決于其較長的聲子平均自由程[24]，這使得它在改善復合相變材料的熱傳導和熱行為方面具有廣闊的發(fā)展前景。

碳纖維（CF）大部分是由化學工業(yè)生產的合成纖維經過高溫轉化得到的含碳量達到90%以上的無機纖維，CF 主要用作增強材料，以提高先進復合材料的強度和剛度，通常使用聚丙烯腈（PAN）、各向同性瀝青、中間相瀝青或再生纖維素作為前體纖維材料制備?！笆w維”是碳纖維于2000℃以上高溫熱處理后得到的一種新型增強纖維，石墨纖維（GF）碳的質量分數(shù)高于99%。它既具有碳材料的固有特性，又具有紡織纖維的可加工性。CF 和GF 的直徑在2～100nm 之間。CF 和GF的長度可達100μm，CF 和GF 具有較大的比表面積，使得與復合相變材料有較大的接觸面。GF 在纖維方向的熱導率高達1000W/(m·K)，低于CNT。然而與CNT相比，CF和GF的制備過程更簡單，成本更低[25]。

石墨是由碳原子組成的六方晶體，具有完整的片層結構[26]。石墨的加入不僅能提高相變材料的導熱性能，也能改善其力學性能。與其他碳材料相比，石墨來源廣泛、價格低廉。

石墨烯是一種新型的二維碳材料，由sp2鍵構成的具有六方蜂窩晶格結構的單層片組成，厚度只有一個碳原子，層厚約為0.34nm，理論比表面積為2630m2/g[27]。石墨烯的內部碳原子之間的連接較靈活。當外力作用于石墨烯表面時，碳原子將被彎曲而不被重排以適應外力作用。這種穩(wěn)定的晶格結構為石墨烯提供了良好的導熱性能，如熱導率高達3000～5000W/(m·K)[28]。氧化石墨烯（GO）是石墨烯片層內部和邊緣處被含氧官能團修飾的一種二維材料，GO經過熱還原或者化學還原可制備石墨烯。與一維碳基材料相比，二維碳基材料的層狀結構更有利于聲子的振動和傳熱，并且具有較低的表面熱阻。因此，與一維碳基復合材料相比，大多數(shù)二維碳基復合相變材料具有更高的熱導率。

近年來，三維（3D）多孔碳材料（生物質衍生炭、膨脹石墨、MOF 衍生炭、碳氣凝膠等）不僅為PCM 的封裝提供了足夠的空間，作為PCM 的支撐基體，也有利于熱量傳輸，因此被廣泛用于增強復合相變材料的熱性能。表1列出了用于熱能儲存的各類碳材料的優(yōu)缺點，與一維和二維碳材料相比，三維碳基材料因其高孔隙率、比表面積、熱導率及形狀穩(wěn)定性等諸多優(yōu)勢，在提升相變材料性能方面具有更廣泛的應用。

表1 用于熱能儲存的各種碳材料的優(yōu)缺點[16]

3 碳基復合相變材料的制備及熱性能

3.1 碳納米管基復合相變材料

碳納米管是一維納米結構材料，理論上孤立的碳納米管在室溫下的熱導率可以達到6600W/(m·K)[29]。碳納米管這種優(yōu)異的熱性能顯示出其在熱能儲存和轉換材料方面的無限應用潛力。碳納米管除了具有較高的熱導率外，還具有密度低、比表面積大、孔體積大、光吸收系數(shù)高、導電性好等特點[30]，在相變熱材料領域得到了廣泛的研究。

Qian 等[31]通過浸漬法制備了由單壁碳納米管（SWCNTs）和聚乙二醇（PEG）組成的新型納米復合材料PEG/SWCNTs。PEG/SWCNTs 的固、液相熱導率分別比PEG [0.24W/(m·K)]提高了1329%和533%。為了提高碳納米管的分散性，本文作者課題組[32]將多壁碳納米管（MWCNTs）進行酸化處理，制得不同含氧量的MWCNTs，與脂肪胺（FAs）相變材料復合，結果表明，復合相變材料的熱導率隨氧化MWCNTs 中氧含量的增加而增加。作為一種新型的有機復合相變材料，F(xiàn)As/c-MWCNTs具有較高的儲能密度（ODA/3%c-MWCNTs 的潛熱可達273.8kJ/kg）。Kuziel 等[33]全面研究了不同形態(tài)的CNTs 對石蠟PCM 納米復合材料熱物理性能的影響。Cao 等[34]制備了十六烷基丙烯酸酯功能化的SWCNTs和MWCNTs（HDA-g-SWCNTs和HDA-g-MWCNTs）基復合相變材料，SWCNTs 和MWCNTs既是導熱強化劑，又是導電填料，HDA-g-SWCNTs和HDA-g-MWCNTs 熱導率分別為0.47W/(m·K)和0.88W/(m·K)，電導率分別為718S/m和389S/m。該材料可以吸收電子器件運行過程中產生的熱能，在電子器件的熱管理方面具有廣泛應用。

為了改善隨機分布CNTs的團聚，進一步降低隨機碳納米管復合相變材料界面的熱阻。Aftab等[35]構建了陣列分布的碳納米管封裝聚氨酯（PU），PU@CNTs復合PCM沿軸向方向的熱導率為2.40W/(m·K)。如此優(yōu)異的導熱性是由于陣列排布的CNTs 協(xié)同增強了熱導率。Zhang 等[36]成功制備了一種各向異性導熱復合相變材料（RT100/CNT）。DSC 測試表明，復合材料的熔化溫度為87.5oC，潛熱為195.5J/g。制備的復合材料的熱導率比RT100 提高了51 倍，該材料可直接用于太陽能蓄熱系統(tǒng)。與純相變材料相比，復合相變材料在納米孔約束效應的作用下，熱物理性能普遍存在顯著差異。然而，實驗數(shù)據(jù)難以準確揭示相變材料與納米孔支撐材料之間的微觀分子相互作用機制。為了解決這一問題，Li等[37]系統(tǒng)地探索了具有不同官能團的C18-PCM 分子與甲基改性CNTs 之間的分子相互作用，利用分子動力學模擬分析了碳納米管孔中C18-PCM 分子的空間分布和熱特性，在分子尺度上對C18-PCM 分子與納米多孔CNTs 之間的微觀相互作用機制進行了全面地分析研究。這為有針對性地構建高性能碳納米管基復合相變材料提供了有意義的理論參考。傳統(tǒng)相變材料的單一熱特性嚴重阻礙了相變材料的前沿應用。在此，Lu等[38]制備了具有同時高效熱管理和電磁干擾屏蔽功能的石蠟/碳納米管海綿（PW@CNS）復合材料。Chen等[39]構建了分層互聯(lián)的三維獨立式柔性CNTs海綿，設計了先進的CNTs束組裝的柔性分層框架材料復合相變材料（圖3），用于變應性鼻炎的高性能熱療。全新的分級CNTs 海綿保證了吸入的空氣質量，提高了熱療效果。該方法可用于大規(guī)模生產，這為開發(fā)具有多功能應用的PCM 提供了契機。表2總結了基于碳納米管的不同復合相變材料的熱物性參數(shù)對比，由此可見，陣列分布的CNTs 能有效提高復合相變材料熱導率，因此，關于如何制備陣列分布的CNTs 及開發(fā)其新興應用是碳納米管基復合相變材料的關鍵研究方向。另外，以TDA 和ODA 為代表制備的復合相變材料具有較高的儲能密度，這說明基于脂肪胺的復合相變材料在熱能存儲領域非常有前景。

表2 基于碳納米管的不同復合相變材料的熱物性參數(shù)對比

圖3 復合相變材料的制備示意圖[39]

3.2 碳纖維基復合相變材料

碳纖維（CF）是另一種常用的一維碳基導熱添加劑，其沿面內方向的熱導率超過900W/(m·K)[40]。CF 具有質量輕、拉伸模量高、熱導率高、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在增強復合相變材料力學性能和熱性能方面顯示出巨大的應用潛力。

Nomura 等[41]以赤蘚糖醇為PCM，采用傳統(tǒng)的熔體分散法和新型熱壓法制備了赤蘚糖醇/碳纖維復合PCMs，熱壓法制備的PCMs 比傳統(tǒng)熔融分散法制備的PCMs 具有更高的熱導率。為了改善PCMs的低熱導率和形狀不穩(wěn)定性，Wu等[42]采用液相浸漬-真空干燥-熱壓成型方法制備了聚乙二醇-氯化鈣/碳-碳纖維氈（PEG-CaCl2/CCF）復合相變材料，CCF為三維（3D）為熱骨架，PEG-CaCl2為PCM。PCM 中的碳纖維呈現(xiàn)出3D 網絡結構且纖維排列呈各向異性，該結構有利于提高PCMs在纖維方向的熱導率，PEG-CaCl2/CCF PCMs 的平面內和平面外的熱導率分別可以達到3.35W/(m·K)和1.94W/(m·K)，此外，PEG-CaCl2/CCF PCMs具有優(yōu)異的形狀穩(wěn)定性。Liu等[43]采用溶膠-凝膠法制備了碳纖維/聚乙二醇/二氧化硅（CF/PEG/SiO2）復合相變材料。當CF 質量分數(shù)為3%時，CF/PEG/SiO2復合相變材料的熔融焓和結晶焓分別為142.6J/g 和154.4J/g，熱導率達到0.45W/(m·K)，可應用于太陽能光熱轉換領域。Zhang 等[44]通過將不同縱橫比的短碳纖維（SCFs）分散在赤蘚糖醇中制備了復合相變材料（PCCs），并對其熱性能進行了實驗研究。SCFs 的分布較為均勻，未發(fā)現(xiàn)聚集或耦合現(xiàn)象。當SCFs 長度為10%時，復合材料的最高熱導率為3.92W/(m·K)，比純赤蘚糖醇提高了407.8%。較長SCFs 填充的復合材料具有較高的熱導率，并對其機理進行了探討。因此，碳纖維長度對復合材料熱導率的影響機理還有待深入研究。

Sheng 等[45]對卷棉板直接碳化制備了垂直排列的不同密度的空心碳纖維。由于縱向排列的CF 框架相互連接，制備的復合相變材料具有良好的形狀穩(wěn)定性和各向異性的熱導率?？v向排列碳纖維沿軸向的熱導率[0.77W/(m·K）]高于橫向排列碳纖維的熱導率[0.58W/(m·K）]。Jiang 等[46]用石墨纖維和酚醛樹脂經過碳化制備了碳鍵合CFs單體，粉末狀的酚醛樹脂被熔化并在重力作用下沿著纖維表面滑行，從而形成連接點，將纖維黏合在一起（圖4）。在用石蠟浸潤CFs之后，由于CFs的各向異性，產生的復合PCMs 在其方向上表現(xiàn)出不同的熱導率值。復合PCM 的平面內熱導率是純石蠟的57 倍，而復合PCM的平面外熱導率是純石蠟的5.5倍。有趣的是，復合PCMs 熱導率的提高與CFs 的體積分數(shù)表現(xiàn)出近似的線性關系。

圖4 形成CBCF整體的鍵合過程示意圖[46]

3.3 石墨烯基復合相變材料

二維石墨烯是一種以六方晶格形式存在的碳原子單層晶體，由于其獨特的化學和物理性質，如耐高溫、光吸收能力強、高的電導率和熱導率等[47-48]。因此，2D石墨烯在提高復合相變材料的熱導率和能量轉換效率方面是一種很有前途的材料。此外，2D 石墨烯及其衍生物還可以組裝成石墨烯泡沫、石墨烯氣凝膠等3D 宏觀和輕質結構材料，進一步能提高復合相變材料的熱導率、光熱和電熱轉換效率。

有機相變材料因其相變焓大而在能量管理方面發(fā)揮著重要作用，但其固有的熱導率低和封裝性差嚴重制約了其應用。針對這些問題，Xue 等[49]制備出具有致密的多孔石墨烯氣凝膠（GNP）來浸漬石蠟，當GNP 質量分數(shù)為4.1%時，復合相變材料的熱導率高達1.42W/(m·K)，比純石蠟提高407%，同時相變潛熱幾乎沒有降低。同時，這種復合型相變材料不僅具有良好的光-熱、電-熱轉換能力，而且應用于延遲開關中也取得了良好的效果。Liu等[50]采用水熱還原氧化石墨烯/石墨烯納米片（rGO/GNPs）懸浮液制備了高質量的石墨烯氣凝膠，包覆1-十八醇，復合相變材料的太陽能光熱轉換效率高達84%。Yang等[51]通過自組裝和化學氣相沉積相結合的方法，將雜化石墨烯氣凝膠（HGA）包裹在石墨烯泡沫骨架（GF）中，得到了三維的GF/HGA（GH）雜化微結構。石蠟（PW）/GH 復合相變材料的熱導率比純PW和PW/GF復合相變材料分別提高了574%和98%。Kong 等[52]采用溶膠-凝膠和超高溫石墨化相結合的方法制備了具有三維連續(xù)網絡結構的大尺寸石墨烯氣凝膠。復合相變材料經30 次熱循環(huán)后，相變潛熱可保持在97.11%，且不會出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。以上工作為高性能石墨烯氣凝膠的制備提供了思路和實驗基礎，因此，開發(fā)界面熱阻小、具有豐富導熱路徑的三維石墨烯材料對解決相變材料的導熱低、相變時泄漏等問題具有非常重要的意義。

與碳納米管分布類似，在增強相變材料的導熱性方面，陣列分布的石墨烯通常比隨機分布的石墨烯更有優(yōu)勢，Min 等[53]將聚酰胺酸鹽與氧化石墨烯懸浮液定向冷凍形成垂直排列的單體，然后進行冷凍干燥，在300℃下進行亞胺化，2800℃下進行石墨化，制備出各向異性、輕質高質量的石墨烯氣凝膠（AGAs）（圖5）。隨著GO 濃度的增加，AGAs 石墨化程度提高。所得到的石蠟/AGAs復合PCM具有較高的熱導率，在縱向和橫向的熱導率分別為8.87W/(m·K)和2.68W/(m·K)，比純石蠟高24 倍。表3總結了基于石墨烯的不同復合相變材料的熱物性參數(shù)對比，不難看出，復合相變材料的導熱和石墨烯的含量、尺寸、孔洞及維度等密切相關。

表3 基于石墨烯的不同復合相變材料的熱物性參數(shù)對比

圖5 AGAs的制備原理圖[53]

Yu 等[54]在泡沫石墨烯和碳納米管的重組過程中引入微孔和介孔通道制備了雜化結構的泡沫石墨烯-碳納米管（GCNTs），提出了大孔隙提高負載能力，小孔隙提高支架-固定化能力的理論。該項研究將為多孔復合材料的主-客體相互作用機理的深層次研究奠定了基礎，為設計改善相變性能的新型復合相變材料提供理論依據(jù)。Yan 等[55]通過分子動力學模擬對赤蘚糖醇/石墨烯復合相變材的熱性能進行了預測，驗證了復合相變材料的熱導率隨石墨烯含量、尺寸和層數(shù)的增加而增加。當石墨烯的質量分數(shù)增加到8%時，其熱導率增加了一倍。通過改變石墨烯的數(shù)量、大小和層數(shù)可以有效地控制赤蘚糖醇的熔融溫度[56]。將理論、模擬與試驗的巧妙結合，可為兼具有高功率密度和優(yōu)異導熱性能的復合相變材料的可控制備提供思路，這將是未來制備石墨烯基形狀穩(wěn)定復合相變材料的發(fā)展趨勢。

3.4 膨脹石墨基復合相變材料

膨脹石墨（EG）因其具有較大的比表面積、較強的吸附能力和較高的導熱性，被廣泛用于有機相變材料的包埋[57-58]。在復合相變材料中，EG由于其強大的吸附能力和插層作用，不僅可以作為支撐材料解決相變材料的泄漏問題，而且由于其連續(xù)的碳網結構，可以提高相變材料的導熱性能。

Kenisarin 等[59]首次提出了利用Matlab 軟件定量評價復合相變材料中EG 分布的均勻性的統(tǒng)計方法。當EG 質量分數(shù)為6%時，a 型EG 組分的熱導率為0.977W/(m·K)，b 型EG 組分的熱導率為1.263W/(m·K)。Ma 等[60]將EG 分散到赤蘚糖醇中作為高導熱添加劑，2% EG/赤蘚糖醇復合PCM 具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性，熱導率明顯提高。復合相變材料的過冷度降低，在余熱回收、太陽能介質溫度集熱等領域具有新的應用前景。本文作者課題組[61]通過在混合黏土海綿中摻雜不同質量分數(shù)的EG 以提高復合相變材料的整體導熱性能，熱導率從0.147W/(m·K)提高到0.667W/(m·K)。此外，復合相變材料具有較高的儲能密度（214.2～239.2kJ/kg）和熱可靠性。

Li 等[62]通過將MOF 衍生物ZIF-67 煅燒并在EG上原位沉積，利用EG 和ZIF-67 衍生的空心多孔Co3O4構建了三維多孔互聯(lián)網絡結構，引入硬脂酸（SA）后，得到的復合相變材料的潛熱為218.6J/g，且具有比純SA 更快的熱響應速度，這得益于Co3O4/EG的有效分層熱傳遞路徑[63]。Wang等[64]采用ZIF-8 衍生的ZnO 對膨脹石墨（EG）進行化學改性，以提高PCM的導熱性能。所制備的ZnO/EG具有三維耦合網絡和分層多孔結構。同時，EG 能有效地防止MOF 衍生物的結構坍塌和聚集。復合相變材料PA@ZnO/EG-6%的熔化、凝固溫度分別為60.38℃和58.46℃，熔化和凝固潛熱分別為203.35kJ/kg 和207.87kJ/kg。PA@ZnO/EG-6%的熱導率比PA提高137.5%。

為了改善相變材料在實際應用方面的瓶頸問題，Lin 等[65]提出了一種方便、高效的方法來合成可擴展的形狀穩(wěn)定的復合材料，當EG 負載量為5%～30%（質量分數(shù)）時，復合相變材料的熱導率高達2.671～10.019W/(m·K)，相變潛熱高達155.4～211.9kJ/kg。該材料在電池熱管理和其他先進的熱管理應用方面具有廣闊前景。如圖6所示，Liu等[66]通過原位生長方法，合成了一種既能滿足高比表面積又能滿足導熱性能要求的多孔交聯(lián)聚合物（HCP）/EG 復合材料。結果表明，EG 與HCP 之間存在協(xié)同作用機制，EG 能有效抑制HCP 聚集，使PCM 在HCP 中具有較好的包封率，其封裝率可達89.4%，且無泄漏現(xiàn)象，熱導率可達3.7W/(m·K)。Du 等[67]利用癸酸（CA）、硬脂酸（SA）和軟脂酸（PA）制備了三元共晶材料。以膨脹石墨（EG）多孔基質為載體，采用真空吸附法制備了CA-SA-PA/EG，該材料具有較高的熱導率[3.059W/(m·K）]、良好的蓄熱性能以及穩(wěn)定的熱化學性能，這在降低室內溫度波動和設備的能耗等建筑行業(yè)具有廣泛的應用。

圖6 HCP/EG-PCM復合材料制備示意圖[66]

光熱轉換效率低是其高效儲能和光熱轉換的嚴重制約因素，Wen 等[68]報道以Ag 納米粒子修飾膨脹石墨（Ag-EG）為載體的復合PCM。月桂酸（LA）負載量為70.2%時，復合PCM的熔融溫度為47.2℃，潛熱為129.5J/g。同時，Ag-EG/LA 復合材料具有較高的熱導率和表面等離子體共振效應，其熱導率為2.85W/(m·K)，光熱轉換效率為81.2%。這種新型Ag-EG/LA 復合材料有可能應用于太陽能收集系統(tǒng)和電氣設備熱能管理領域。

3.5 石墨基復合相變材料

石墨是一種六方層狀晶體，熱導率大于2000W/（m·K），層間范德華力較弱，在相變材料中加入石墨可以顯著提高石墨基復合相變材料的導熱性能[69]。

Wu 等[70]提出了通過壓縮形成大尺寸取向石墨片來合成PCCs的方法。毫米級石墨片由微米/納米尺度的定向石墨納米片通過橫向范德華力粘接組成，當石墨負載量低于40.0%（質量分數(shù)）時，合成的PCCs 還表現(xiàn)出均勻、無泄漏和卓越的相變行為，通過將片材方向與熱傳輸方向相協(xié)調，可以輕松地將其設計成高效熱能收集裝置。這種方法為相變材料在熱能儲存、電子產品熱管理等領域的大規(guī)模和低成本應用提供了一條很有前途的途徑。泄漏問題是影響PCM 熱應用的瓶頸，尤其是獲得同時兼具有優(yōu)異的熱性能、力學性能和相變行為等高性能PCCs仍然具有挑戰(zhàn)性。在此基礎上，Wu等[71]報道了一種通過構建雙聚合物和石墨納米片層網絡作為功能基質來制備高導熱、柔性和防滲漏的復合相變材料的新方法。復合相變材料徑向熱導率可達4.2～32.8W/(m·K)。所制得的柔性復合薄膜在高放電率下將商用鋰離子電池的工作溫度降低了12℃以上，從而顯示出高效可靠的熱管理性能。Zhao等[72]成功設計了一種新型的二維定向多孔碳卷。碳卷軸是通過卷起的碳布得到的，碳布上附著二維石墨層，沿碳布和石墨層形成了導熱路徑。當碳填充量為28.5%（質量分數(shù)）時，PCCs 的軸向熱導率為7.38W/(m·K)，橫向熱導率為4.04W/(m·K)，蓄熱焓為157.2J/g。這些結果表明，石墨基PCCs在太陽能熱存儲和熱管理領域具有很大的潛力。

Li 等[73]采用超聲-球磨耦合（CUM）和剪切輔助超臨界CO2（SSC）相結合的方法直接從天然鱗片石墨（FG）中剝離超薄石墨片（UGSS）。將制備的UGSS 分別以3500r/min 和5000r/min 的速度離心以負載硬脂酸（SA）制備SA/UGSS。結構和形態(tài)表征表明，UGS5000的膜層厚度約為3.4nm，明顯小于天然FG。SA/UGSS的相變溫度為53.6～53.12℃，熔融焓和凝固焓分別為113.7J/g和112.9J/g，經50次熱循環(huán)后，SA/UGSS可保持較高的熱可靠性，熱導率為純SA 的10.08 倍。這些結果表明，SA/UGS-5000 在制冷、建筑節(jié)能和太陽能蓄熱等方面具有潛在的應用潛力。然而，相變材料固有的低熱導率和緩慢的熱傳遞是加速相變材料熱能收集和儲存的巨大挑戰(zhàn)。針對該問題，如圖7 所示，Li 等[74]報道了一種合成可伸縮的高導電性相變復合材料（PCCs）的協(xié)同策略，并通過在PCCs 內部排列自組裝的大尺寸網狀石墨納米片（RGNPs）來進行熱傳輸。垂直排列和分層的大尺寸RGNPs 使PCCs在RGNPs 負載低于25% 時的定向熱導率和電導率分別高達33.5W/(m·K)和323S/cm，在高溫下（＞186℃）光熱轉換與存儲效率為92.7%，在超低電壓驅動（＜0.34V）下實現(xiàn)快速電熱能量轉換和存儲，綜合性能優(yōu)于文獻報道的PCCs。

圖7 大尺寸RGNPs的壓力誘導組裝制備可擴展高導電性PCCs的原理圖[74]

3.6 MOF衍生碳基復合相變材料

金屬有機骨架材料（MOFs）是一種具有優(yōu)異結構、成分和形態(tài)特征的三維多孔有機-無機雜化材料，由有機配體和金屬離子/金屬團簇自組裝而成。它們具有結構拓撲多樣、孔徑可調、表面性質可控、比表面積大、孔隙率高、熱化學性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，是制備形狀穩(wěn)定復合相變材料的理想基體材料，在能量儲存和轉換等重大科學和工程領域受到廣泛關注[10]。

Luan 等[75]首先引入MOFs 作為支撐材料，系統(tǒng)研究了不同孔徑和官能團對MOFs及有機相變材料蓄熱性能的影響。結果表明，與相應的原始MOFs相比，氨基改性的MOFs 表現(xiàn)出更高的PCMs 裝載量，其增強機制是氨基官能團提供了更多的PCM化學吸附位點，以及PCM 與氨基官能團之間氫鍵的二次作用[76]。然而，它們的熱焓明顯低于理論值。令人驚訝的是，SA/MOF-5復合相變材料幾乎沒有潛熱（3.8J/g），這是由于MOF-5 的微孔引起的強約束效應。為了解決了MOF-5 對PCM 的強約束效應，Tang等[77]將MOF-5碳化制備納米多孔碳，形成由微孔、介孔和大孔組成的分級多孔碳（HPC）結構。MOF-5 衍生的納米多孔碳的孔徑為4.4nm，遠大于原始MOF-5的孔徑（1.3nm）。碳化后的BET比表面積和孔體積分別增加到2804m2/g和3.11cm3/g （MOF-5 為1060m2/g 和0.34cm3/g）。另外，MOF-5 孔隙表面性質也發(fā)生了變化。實驗結果表明，當PEG4000 質量分數(shù)達到92.5% 時，MOF-5 衍生的納米多孔碳復合相變材料具有較高的熔融焓為162J/g（純PEG4000為164.9J/g）。由于PEG4000在分級多孔納米碳中的自由相變行為，結晶率可以達到98.2%。研究結果表明，HPC很好地解決了原始MOF-5對相變材料較強的納米約束效應。而相應的復合相變材料的熱導率僅為0.42W/(m·K)[純PEG4000 為0.27W/(m·K）]。MOF-5 衍生的納米多孔碳雖然能夠有效穩(wěn)定PCM 并解決泄漏問題，但其低熱導率仍然限制了其實際應用。

為了提高MOFs衍生的納米多孔碳基復合相變材料的導熱性能，Atinafu 等[78]通過對Al-MIL-53-NH2進行碳化，合成了氮摻雜多孔碳（NPC-Al），制備PEG 基復合相變材料（圖8）。系統(tǒng)地研究了氮摻雜對負載量、相變焓、儲熱效率和熱導率的影響。結果表明，NPC-Al 對PEG 的負載率為90%（質量分數(shù)），儲熱能力為100.3%，熱導率提高了52%，高于相同煅燒過程中得到的無氮摻雜碳。不同的氮原子（吡咯-N、石墨-N和吡啶-N）通過氫鍵對PEG的吸附、分布和穩(wěn)定起著重要作用[79]。重要的是，高含量的均勻石墨化N有利于加速光子晶體的聲子傳輸，提高其熱導率[78,80-81]。

圖8 聚乙二醇@NPC-Al復合材料合成示意圖[78]

雖然MOFs衍生的氮摻雜納米多孔碳可以提高復合相變材料的熱導率，但增強效果仍然不夠。為了進一步提高MOFs衍生的納米多孔碳基復合材料PCM的導熱性能，Li等[82]通過碳化GO/MOF-5模板合成了3D HPC，在碳化過程中，MOF-5被轉化為高性能HPC。通過毛細管力和表面張力，SA 可以很好地浸漬于3D HPC 中。相互連接的三維網絡結構為SA分子的自由拉伸和結晶提供了足夠的空間，并為聲子轉移提供了連續(xù)的通道, 此外，SA與rGO之間的相互作用大大降低了界面熱阻，從而加速了聲子的傳輸。結果表明，PCM 加載量達到90%，結晶潛熱為168.7J/g，結晶度約為95.6%。與純SA[0.34W/(m·K)]相比，rGO/MOF-5-C/SA 復合PCM具有更高的熱導率[0.60W/(m·K）]。Li 等[83]設計了MOF-5 衍生的分級納米多孔碳/ZnO 納米顆粒雜化物作為雙高效光子收集器和分子加熱器，利用原位錨定策略協(xié)同提高PCM 的光熱轉換和存儲能力。表4總結了各類MOF衍生炭的比表面積及復合相變材料的熱物性參數(shù)，不難看出，MOF 衍生碳基支撐材料的比表面積大，復合相變材料的潛熱保持率高。因此，利用MOF 衍生炭高度多孔的結構和可調的主客體相互作用，使其成為復合PCM 的理想主體材料。通過其內部通道的孔形狀和大小的設計、框架拓撲結構和表面特性調控，有望解決PCM 的泄漏問題，同時其在建筑材料、溫控織物和太陽能存儲與轉換等應用中具有高度實用性。

表4 MOF衍生碳基復合相變材料的熱物性參數(shù)對比

3.7 碳氣凝膠基復合相變材料

碳氣凝膠因其良好的石墨化結構、低密度、相互連接的纖維結構、高孔隙率和優(yōu)異的導熱性等備受關注[84]。

本文作者課題組[85]以向日葵花托和向日葵稈的海綿質為原料，通過冷凍干燥和高溫碳化分別制得了三維生物質碳氣凝膠（r-CA，s-CA），利用十六胺（HDA）的高潛熱和生物質碳氣凝膠含有豐富的微納孔、良好的表面性質及光吸收能力強等優(yōu)點，可借助毛細作用力將HDA 負載，所制備的復合相變材料具有高相變焓值（239.4～271kJ/kg）。Lin 等[86]以資源豐富的植物秸稈為原料，制備了網格結構、大孔隙率、分層多孔結構的三維碳氣凝膠，所制備的聚乙二醇/碳氣凝膠復合材料具有較高的PCMs 負載率（＞97%）、較高的儲熱密度（＞185J/g）、穩(wěn)定的形狀和有效的太陽能/電熱轉換。柵格結構碳氣凝膠提供了高效的熱傳導和電子傳遞途徑，保證了復合材料的高效太陽能光-熱、電-熱轉換。聚乙二醇封裝在每個晶格中作為熱功能單元，實現(xiàn)熱存儲和熱管理。這對開發(fā)利用廉價、易得的生物廢棄物進行相變儲能具有很高的應用價值。

為了克服傳統(tǒng)碳氣凝膠的嚴重收縮和機械性能差的問題，Zhang 等[87]將生物質瓜爾膠的柔性碳資源與來自聚酰亞胺的硬脆碳相結合，構建了一種具有良好互連多孔結構的新型均質增強碳氣凝膠，包裹的聚乙二醇制備了具有良好結構穩(wěn)定性和綜合儲能性能的新型復合PCM。結果表明，復合PCM呈現(xiàn)出清晰的3D互連結構，其儲能容量分別為171.5J/g和169.5J/g，復合PCM表現(xiàn)出良好的防漏性能和出色的光熱轉換。該策略可以有效地用于開發(fā)具有改進的綜合熱性能和高光熱轉換率的新型復合PCM。開發(fā)新的策略來調節(jié)氣凝膠的微觀結構，防止其結構收縮和塌陷，提高其機械強度和吸附能力是未來碳氣凝膠的重要研究方向。此外，通過簡便的綠色方法制造具有優(yōu)異多孔結構和高機械強度的碳氣凝膠未來仍具挑戰(zhàn)性。

3.8 生物碳基復合相變材料

生物質衍生的碳材料通常表現(xiàn)出結構多樣性，有球狀、纖維狀、層狀和3D 結構，碳化后的生物質中含有大量的中孔和大孔，有利于PCM的包覆。生物質衍生炭通常保持相互滲透的網絡結構，有利于傳熱和擴散，從而提高復合相變材料的導熱性能[88]。

Luo 等[89]研究開發(fā)了一種基于活性大蒜皮的復合相變材料PA/AGP。AGP的比表面積達1309m2/g。經過200 次熱循環(huán)后，SSPCM 的潛熱損失率較低，約為1.5%?？Х仍且环N高度可循環(huán)利用的生物質，但往往被忽視和丟棄，進一步成為嚴重的環(huán)境威脅。Hu 等[90]通過引入1%～5%還原氧化石墨烯（RGO）改性SCG 構造三維多孔支撐材料來穩(wěn)定CPCMs 的形狀，SCGs@RGO 在全UV-vis-NIR 范圍內具有很強的吸收能力，因此它具有極強的光-熱轉換能力，經過100次的相變循環(huán)測試，復合相變材料具有良好的可重復使用性、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。Umair等[91]將摻有氧化石墨烯（GO）的廢舊香煙過濾嘴的乙酸纖維素纖維支架進行碳化，制備了一個導電的三維還原石墨烯/碳支架（GPC）。GO涂層保持了結構的完整性并提高了碳化支架的導電性。GPC支架的介孔特性能有效封裝石蠟，改善了在相變過程中的滲漏。GPC的電導率約為294.9S/m，GPC-PW復合材料的電熱轉換效率約為88%，GPC為PCM 在熱能儲存和熱管理裝置的實際應用方面提供了一條可持續(xù)和生態(tài)發(fā)展的路徑。

制備形狀穩(wěn)定、熱焓保持率高、熱導率高的復合相變材料是解決相變材料易泄漏、儲熱速度慢等實際問題的重要途徑之一。Li等[92]將生物質柚子皮通過簡單的碳化，然后用四種不同分子量PEG 的真空浸漬制備復合相變材料（PCC）。結果表明，幾種PCC的熔化焓約為160J/g，略低于純PEG，但相對焓效率仍超過90%。Tian等[93]在高溫碳化過程中，通過去除木質素和纖維素酶水解纖維素，使蘆葦莖的大孔通道與碳壁上豐富的微孔連接，獲得了具有三維多級孔隙結構。采用真空浸漬法負載石蠟制備了形狀穩(wěn)定的復合相變材料。CPCM具有較高的負載率（93.45%）、較高的儲能容量（141.47J/g）和良好的傳熱性能。表5總結了生物炭復合相變材料的熱物性參數(shù)，以生物炭為支撐基體的復合相變材料具有較高的相變潛熱和潛熱保持率。因此，開發(fā)具有高比表面積、發(fā)達的孔隙結構、穩(wěn)定的碳骨架和高導熱性等優(yōu)點的生物質碳材料作為PCM 的支撐材料，不僅為生物廢棄物的高值化利用，節(jié)能減排提供了有效途徑，也是實現(xiàn)雙碳目標的發(fā)力點。

表5 生物質碳基復合相變材料的熱物性參數(shù)對比

4 碳基復合相變材料的應用研究進展

隨著儲能和散熱技術的快速發(fā)展，對性能優(yōu)良的PCM 的需求越來越迫切。有機PCM 通過與碳基材料結合增強性能，在熱管理、能量轉換和存儲、智能可穿戴紡織品領域、紅外響應材料等方面具有更大的應用潛力。

4.1 熱管理領域

隨著電子設備的功能性和集成度的不斷提高，對散熱速率的要求也越來越高。有機PCM 具有潛熱大、成本低、穩(wěn)定性好、無毒、耐腐蝕等優(yōu)點，在熱管理（TM）的應用中得到了廣泛的研究，Alshaer 等[94]將 使 用 泡 沫 炭-PCM-MWCNTs 復 合材料對脈沖功率下電子器件進行TM的詳細實驗研究，由于熱增強，加熱器平均溫度降低了2.9～7.5℃，溫度峰值降低了4.8～9.5℃。在脈沖功率模式下，相變和熱增強導致溫度脈沖高度的衰減。目前，由于可再生能源的發(fā)展，電動汽車的推廣正在快速增長。對于電動汽車來說，電池熱管理是其中的關鍵技術之一，關系到電動汽車的安全要求[95]。解決方案是通過使用PCM 吸收冷卻過程中的熱量來對過熱電池進行熱管理。Zhao等[96]以3種不同物理結構的石墨為多孔基體制備了復合相變材料，并研究了其光熱轉換性能及其在電池熱管理中的應用。電池開始時，由于沒有SA/EG來管理熱傳遞和儲存，電池溫度迅速上升。在此條件下，電池表面溫度在138s內上升至65.7℃。當溫度超過安全溫度（60℃）時，實驗停止。添加SA/EG 的電池表面溫度上升速率僅為未添加SA/EG電池的三分之一。在138s時，添加SA/EG的鋰離子電池與不添加SA/EG的鋰離子電池的表面溫差達到29.8℃，表明SA/EG具有更好的冷卻性能。結果表明SA/EG對鋰離子電池具有良好的熱管理性能。

4.2 能量轉換與存儲領域

基于碳基材料具有優(yōu)異的太陽能吸收能力和電子導電性，碳基復合相變材料被廣泛研究用于光/電/磁/聲熱轉換[97-98]。

Gao 等[99]采用壓縮誘導石墨片自組裝的方法構建了三維定向膨脹石墨（EG），然后負載硬脂酸（SA）形成定向復合相變材料（EG/SA）。以三維定向EG/SA復合砌塊為基礎，制備了具有快速儲熱和放熱性能的儲能磚。最大蓄熱功率2.2kW，最大放熱功率2.6kW。儲能磚表面吸光率達94%左右。三維定向EG/SA帶的光熱轉換效率達到95.3%。該儲能磚具有良好的儲能和光熱轉換性能，在大規(guī)模工業(yè)應用中具有非常好的前景?？紤]到自然太陽能的間歇性，電-熱轉換和存儲是PCMs 的另一個很有前途的應用，Cai 等[100]通過在石墨烯氣凝膠中引入天然乳膠，初步制備了具有電-光熱轉換功能的超輕柔性石墨烯氣凝膠（LGA），然后以功能LGA 為支撐基體制備新型形態(tài)穩(wěn)定相變材料（PCMs）。基于LGA 優(yōu)異的光-電、光-熱轉換性能，在模擬光源下，形狀穩(wěn)定的PCMs 還表現(xiàn)出出色的光靈敏性，在8V 的低驅動電壓下，可以將73.5%的電能轉換為熱能。此外，形狀穩(wěn)定的PCMs能夠將光能轉換為熱能，轉換效率最高可達91.8%，與新型儲能系統(tǒng)相結合，可有效延長熱電發(fā)電機的輸出電壓時間。

除了由PCMs實現(xiàn)直接太陽能光-熱和電-熱轉換和存儲，磁-熱轉換和存儲是PCMs 的另一有前途的應用。Song 等[101]制備了碳化木棉纖維氣凝膠（CKF）基復合PCM，加入磁性Fe3O4納米粒子，封裝月桂酸（LA），得到LA/CKF@Fe3O4。這是目前第一個利用簡單而可再生的方法制備的碳氣凝膠基復合相變材料，同時還具有較高的潛熱存儲量，優(yōu)越的微波吸收性能和高效的太陽能-磁熱轉換性能。

超聲熱效應可以將聲波能量轉化為熱能，在去噪和微創(chuàng)熱療等領域具有重要的應用價值，在聲熱利用過程中，需要有效提高聲-熱轉換和熱能管理能力。Liu等[102]報道了一種新型PEG/Fe3O4-GO形態(tài)穩(wěn)定復合相變材料（PCMs），該材料具有高效的聲波吸收、聲-熱轉換和熱管理能力，通過原位封裝聚乙二醇（PEG）到氧化石墨烯（GO）中，繼而添加Fe3O4納米顆粒制備PCMs。三維（3D）結構不僅提高了熱傳輸路徑，而且有效地增強了吸聲能力，此外Fe3O4納米顆粒的磁振產熱進一步增強了聲-熱轉換。結果表明，該形態(tài)穩(wěn)定復合材料具有良好的儲能密度（173.7J/g）和聲-熱轉換性能。從而開辟了復合相變材料在聲-熱能量轉換和存儲領域的應用。

4.3 智能可穿戴紡織品領域

服裝是人體和環(huán)境熱調節(jié)的媒介，以在新興的可穿戴應用中實現(xiàn)熱舒適。相變調溫紡織品作為重要的調溫紡織品，通過在紡織品中添加PCMs，使紡織品達到智能調溫效果，因此，人們迫切希望開發(fā)具有質量輕、機械柔韌性、多重響應以及出色的溫度調節(jié)能力以實現(xiàn)高效個人熱管理的智能纖維和紡織品[103]。Li 等[104]制備了柔性、堅固和自清潔的石墨烯-氣凝膠復合纖維，在多種外部刺激下（電子/光子/熱）具有可調的熱轉換和存儲功能。由涂有疏水性氟碳樹脂的多孔石墨烯氣凝膠/有機相變材料制成的纖維具有寬范圍的相變溫度和焓（0～186kJ/kg）。另外，該纖維被捻成紗線并織成織物后，具有自潔超疏水表面。這種氣凝膠導向的智能纖維有望在智能可穿戴系統(tǒng)中得到廣泛應用。Sun等[105]成功地設計并制備了一種新型柔性石墨烯氣凝膠基復合相變薄膜（GAF-PW CPCF），它很容易附著在人體模型上，以增強人體在寒冷環(huán)境中的適應能力，展示了其先進的可穿戴熱管理性能，為可穿戴紡織品的發(fā)展提供了一個有前景的方向。

4.4 紅外響應材料領域

碳納米管和氧化石墨烯等碳基材料對紅外（IR）光具有相當大的敏感性，這引起了許多研究學者對紅外響應材料的關注[21,106]。Wang 等[107]制備了一種基于多壁碳納米管和聚乙二醇的柔性紅外響應材料。MWCNT的功能化是通過在表面接枝4-甲氧基苯基重氮進行的。PEG與三官能三苯基甲烷三異氰酸酯（TTI）反應以制備形狀穩(wěn)定的PCCs，然后與官能化MWCNT混合。經過超聲和干燥過程后，獲得了形態(tài)穩(wěn)定的PCCs。根據(jù)結果，在PCCs薄膜中觀察到了顯著的、可逆的和穩(wěn)定的紅外光響應（高達57000%）。這可以歸因于PCM 的熱穩(wěn)定性和MWCNT相當高的光吸收和熱導率。這表明，由于具有出色的結構和熱性能，這種PCCs在紅外傳感、熱成像和光通信中的應用前景廣闊。

5 結語

高性能碳基復合相變材料在熱能存儲技術方面具有廣泛應用，特別是在保護環(huán)境和節(jié)約能源方面具有突出作用，可以有效地促進可再生能源和可持續(xù)能源的發(fā)展。然而，復合相變材料仍然面臨著形狀穩(wěn)定性差、能量密度低，導熱性能差及能量轉換效率不高的現(xiàn)實問題。本文系統(tǒng)地總結了基于不同碳材料（CNTs、CFs、石墨烯/GO/rGO、MOF 衍生炭、石墨、EG、生物質衍生炭及碳氣凝膠）的復合相變材料用于熱管理、熱傳導、熱傳遞、能量轉換和多功能利用方面的研究進展，盡管目前的研究已取得豐碩成果，但仍有一些關鍵問題需要進一步研究和解決。

（1）與無序碳材料相比，具有有序分布取向的碳材料更有利于能量存儲與轉化，因此，探索簡單易行的有序分布取向碳材料的合成策略迫在眉睫。

（2）雖然利用碳材料增強相變材料導熱性能的研究很多，但大多數(shù)研究都停留在實驗研究階段，缺乏對機理的深入探討。基于理論、數(shù)值、模擬和實驗方法的結合，對熱傳遞規(guī)律進行多尺度研究為制備高導熱碳基復合相變材料提供理論指導。

（3）目前提高碳基復合相變材料的儲能密度主要集中在調節(jié)碳材料的表面性質、孔徑、孔尺寸等方面，關于碳材料孔尺寸、孔形狀和分級孔分布與相變材料之間的尺寸效應、約束效應等相互作用研究比較少，需要進一步借助分子動力學模擬等先進方法進一步研究。

（4）碳基復合相變材料盡管已經在實驗室裝置實現(xiàn)了高效的太陽能光熱轉換，由于目前的計算方法沒有考慮試驗裝置在暴露的外部環(huán)境下的熱損失，因此太陽能-熱、電-熱、磁-熱能量轉換效率的優(yōu)化計算方法還有待更深層次探索。

（5）碳基復合相變材料工業(yè)化大規(guī)模應用仍然受到限制，因此，抑制熱損失，提高其儲能密度、能量收集效率和長期循環(huán)穩(wěn)定性等方面需加大研究力度。與光-熱轉換效率相比，提高碳基復合相變材料的電-熱轉換和磁-熱轉換效率是未來的發(fā)展方向。

（6）為了拓寬相變材料在機械、光學、電子、聲學、磁學、生物和化學等相關領域的廣泛應用，應致力于開發(fā)先進的、綜合性能優(yōu)異的多功能碳基復合相變材料。