柔性电子器件需要高效散热，也需要抑制外界热量反向传入。热二极管利用正反向传热能力的差异实现热整流，为这一需求提供了可行方案。不过，固体导热型器件常受材料热导率限制，液汽相变型器件又多依赖金属外壳或刚性容器。如何兼顾高效热整流与柔性贴合，仍是材料设计面临的关键问题。

  近期，江南大学纺织科学与工程学院吕婧教授团队提出了芳纶气凝胶与水凝胶结合的异质结构，制备柔性对流热二极管（FCTD）。器件以吸湿芳纶水凝胶（HAH）为正极，以具有贯通通道的疏水芳纶气凝胶（CHAA）为负极，采用柔性阻湿膜封装。两种材料均采用芳纶纳米纤维骨架，在保持可弯曲性的同时，承担不同的储水与传热功能（图1）。

  2026年10月7日，相关研究以“Aramid Aerogel-Hydrogel Heterostructures for Flexible Convective Thermal Diodes”为题发表在《Advanced Functional Materials》上（Advanced Functional Materials 2026, 36, e78858.），论文第一作者为江南大学研究生汪婷婷，通讯作者为江南大学吕婧教授。该研究得到国家自然科学基金（52373257）、江苏省基础研究计划（BK20253059）及中央高校基本科研业务费（JUSRP202501045）的支持。

图1（a） 柔性对流热二极管的结构设计、两端材料的制备过程；（b）柔性热二极管在正向与反向工作中的传热机制。

  正极通过湿法纺丝制得芳纶水凝胶纤维，再引入PVA和LiCl组分，赋予正极纤维材料吸湿和保水能力。封装前，水凝胶从环境中吸收水分，封装后则作为内部工作液储库。动态水汽吸附测试显示，材料在90 ℃、4%相对湿度下可于30 min内释放超过90%的已吸收水分，为受热蒸发提供了实验依据。

  负极通过模板法形成毫米级贯通通道，干燥后再经MTMS气相沉积与氟碳树脂涂覆进行疏水改性。所得气凝胶的水接触角达到161°，滚动角仅为2.5°，水滴易于脱离表面，减少了凝结水滞留和堵塞通道的可能。其厚度方向热导率为0.039 W m^-1K^-1，在保留蒸汽输运空间的同时，为反向传热提供隔热作用。

  两种工作模式对应不同的主要传热方式。正向工作时，热源接触水凝胶端，内部水分蒸发，蒸汽经气凝胶通道迁移至冷端区域并冷凝放热。凝结水的再分配和水凝胶的再吸收支持持续的相变传热。反向工作时，热源接触气凝胶端，气凝胶抑制热量向水凝胶传入，蒸汽生成和输运随之减弱，器件主要依靠固体骨架及相对静止气体的导热传递热量。研究团队以正反向有效传热系数之比评价热整流性能，并在相同表面温度边界下比较两种朝向。当热端为90 ℃、冷端为20 ℃时，正向和反向有效传热系数分别为188.8 ± 19.6和16.4 ± 1.2 W m^-2 K^-1，热整流比达到11.49 ± 0.35。在另一组热端90 ℃、冷端暴露于室温环境的测试中，两种朝向的冷端稳态温度分别约为74 ℃和46 ℃，直观反映了传热差异（图2）。

图2 柔性对流热二极管的传热性能。（a）弯曲展示。（b、c）不同工作状态原理图与测试装置示意图。（d）室温自然冷却条件下的正反向温度响应。（e）不同弯曲状态下的传热表现。（f）液体负载率对热整流的影响。（g）最优结构下的热整流比及有效传热系数。（h）50次热循环稳定性。（i）FCTD与已有柔性热整流器件的比较。

  内部液体含量和厚度比也影响器件性能。保持两端厚度均为2 mm，仅改变工作液含量时，热整流比在72%的液体填充率下达到最高。液体不足会限制正向蒸发，过量液体则占据蒸汽输运空间。柔性展示中，器件的弯曲半径可达4.2 mm。传热测试显示，器件在6.7 mm和8.8 mm半径下仍保持非对称传热。经过50次弯折，热整流比保持为11.24 ± 0.29，在50次热循环中也保持稳定性能。贴合前臂的柔性加热片演示显示，恒功率加热下，使用器件后加热片与皮肤之间的稳态温度由55.82 ℃降至41.02 ℃，展示了其用于曲面热源调节的潜力。

图3 正反向传热的实验表征与数值模拟。（a、b）热端90 ℃、另一侧暴露于室温环境时的红外热像与模拟温度场。（c、d）90 ℃/0 ℃边界下的蒸汽体积分数及单通道截面蒸汽分数图。（e）90 ℃/20 ℃边界下的实测有效传热系数-时间曲线，插图为90 ℃/0 ℃边界下的模拟温度场。

  数值模拟进一步揭示了内部温度场和蒸汽分布的差异。正向模式形成更广泛的富蒸汽区域，并呈现明显的定向输运。反向模式中的蒸汽流动较弱，热量更多集中在受热气凝胶一侧。模拟结果与实验观察到的传热趋势一致，支持了不对称润湿结构调节相变传热的机理解释（图3）。该工作围绕工作液储存、通道润湿性与骨架隔热性进行协同设计，在可弯曲的器件中形成明显的正反向传热差异，为柔性电子和曲面热源的单向热管理提供了可参考的设计方案。

  论文链接 ：https://doi.org/10.1002/adfm.78858