在全球能源结构转型与双碳目标推进的背景下，热能存储与调控技术成为清洁能源高效利用的核心方向。其中基于相变材料（PCM）的潜热储能技术，凭借恒温储能、高储能密度的特性，在太阳能利用、建筑节能、电子热管理等领域展现出巨大应用潜力。但传统机械搅拌法制备的相变微胶囊，始终面临粒径均一性差、核壳结构可控性不足、包封效率低等行业痛点。而微流控技术的出现，为相变微胶囊的精密化、工程化制备提供了颠覆性解决方案，其依托微流控芯片的微尺度流体操控能力，可实现 1–1000μm 粒径微胶囊的精准调控，完成可编程核壳结构设计与高包封效率制备，成为当前相变储能领域的研究核心。
图1. 储能技术的示意图。
1. 微流控制备相变微胶囊的核心工艺体系
微流控技术的核心本质，是在微尺度流道内通过多相流体剪切与表面张力作用，将分散相流体剪切为液滴微球，其工艺落地的核心载体是微流控芯片。目前主流的微流控芯片材料包括玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、环烯烃共聚物（COC）与聚二甲基硅氧烷（PDMS），其中 PDMS 芯片凭借优异的生物相容性、光学透明性与加工灵活性，成为实验室研发与产业化应用的主流选择。PDMS 芯片加工以软光刻技术为核心，配套光刻机、PDMS 键合机、对准平台等设备形成完整工艺链，而光刻胶模具、SU8 模具的精密制备，是 PDMS 芯片浇筑成型与流道结构精准复刻的关键环节。同时 MEMS 微纳加工技术的持续迭代，包括深硅刻蚀、电子束光刻等工艺，为微流控芯片的超精密流道加工提供了核心技术支撑。
图2 常见相变微胶囊制备技术的优缺点
图3 液滴微流控三种常用方法的几何结构；(a) 同轴流动法；(b) T 型结法；(c) 流动聚焦法
当前主流的微流控液滴生成方法分为三类，分别适配不同结构相变微胶囊的制备需求。同轴流法通过同心毛细管结构实现分散相的连续剪切，可精准调控核壳结构的壁厚与粒径，是单分散核壳微胶囊制备的主流方案；T 型结法依托垂直交叉的微流道结构，在交汇处完成液滴断裂生成，芯片结构简单易加工，可便捷实现串行或并行排布，适配多包封与高通量制备场景；流动聚焦法以毛细管不稳定性为核心，通过两侧连续相对分散相的夹带聚焦作用实现液滴生成，粒径控制精度最高，变异系数（CV）可低至 2% 以下，是高单分散性相变微胶囊制备的核心技术。
图4 微流控法制备单分散微球；(a) 微流控辅助溶胶-凝胶法制备单分散介孔二氧化硅微球：(i) 微流控辅助液滴制备示意图；(ii) 单分散液滴的光学照片；(iii) 不同槽口宽度制备的单分散液滴尺寸范围；(iv) 槽口宽度对二氧化硅溶胶流速的影响[44]；(b) 热控微流控法生成单分散海藻酸盐水凝胶微球：(i) 工艺示意图；(ii) 微球的光学照片；(iii) 十字交叉通道处单分散液滴的生成；(iv) 生成阶段的Alg-RGD-Gel液滴以及在含氯化钙纳米颗粒的油相中形成的Alg-RGD-Gel单分散微球的尺寸分布[45]；(c) 单分散生物相容性核-壳微胶囊的制备：(i) 核-壳胶囊制备示意图；(ii) 微流控装置及胶囊的光学照片；(iii) 干燥胶囊的尺寸分布[46]。
在基础液滴生成技术之上，微流控技术形成了两大核心制备体系。其一为单包封与多核包封技术，单包封工艺可实现油包水（O/W）、水包油（W/O）体系的核壳微球制备，通过流速与流道尺寸的调控，完成微胶囊粒径与壳层厚度的独立定制；而双包封与多核包封技术，通过双 T 型结、嵌套同轴对流、双流聚焦芯片结构，可一步成型水包油包水（W/O/W）、油包水包油（O/W/O）等多腔室微胶囊，实现相变材料与功能纳米材料的分区包封，赋予微胶囊光热转换、导热增强等复合功能。其二为高通量并行化制备技术，针对单通道微流控芯片产量难以满足工业化需求的痛点，行业内通过二维矩阵排列、分支式流体分配网络，将成百上千个液滴生成单元集成于单块芯片，配合阶梯乳化技术，可将微胶囊制备通量提升至升每小时级别，千级并行流动聚焦单元芯片已实现 1.5L/h 的制备通量，同时保持粒径均一性，为相变微胶囊的工业化量产奠定了技术基础。
图5 液滴微流控法制备相变微胶囊；(a) 同轴液滴微流控制备聚脲壳正十八烷微胶囊：(i) 单分散微胶囊制备示意图；(ii) 微胶囊光学照片；(iii) 连续相流速对微胶囊尺寸的影响；(iv) 不连续相流速对微胶囊尺寸的影响[48]；(b) 多层石墨烯微球RT25的制备装置与生成过程：(i) 重力辅助并流微流控装置；(ii) 无多层石墨烯的湿相变材料胶囊光学照片及对应尺寸变异系数；(iii) 含2%质量分数多层石墨烯的湿相变材料胶囊光学照片及对应尺寸变异系数；(iv) 相变材料胶囊直径与内流\(Q_{i}\)及外流\(Q_{0}\)速率的关系[49]。
图6 多个剪切微胶囊的几何形态；(a) 多重流动聚焦法；(b) 多重T型结法；(c) 多重同轴对流法
2. 微流控工程化相变微胶囊的核心应用场景
微流控制备的相变微胶囊，凭借粒径均一、结构可控、性能稳定的核心优势，在四大核心领域实现了应用突破，推动相变储能技术从实验室走向产业落地。
在太阳能储能领域，微流控制备的核壳结构微胶囊从根本上解决了相变材料熔融泄漏的行业痛点，其相变潜热保留率可达 88% 以上，100 次熔融 – 冷冻循环后焓值保留率超 95%，通过在壳层或核内复合黑磷、MXene、氮化硼等光热纳米材料，微胶囊的光热转换效率最高可提升至 95% 以上，成为太阳能光热存储与热水系统的核心储能材料。
图7. 微流控技术放大液滴生成；(a) 千级规模液滴高通量生成[91]：(i) 千级规模液滴生成的示意图与光学图像；(ii) 不同流量比下生成液滴的尺寸分布；(b) 环形排布的流聚焦单元[92]：(i) 芯片上128个交叉微通道的示意图及微球的光学图像；(ii) 128个交叉微通道成型的光学图像；(iii) 不同通道数量下生成液滴的尺寸分布；(c) 阶梯乳化单元生成单分散液滴[93]：(i) 千足虫装置的示意图；(ii) 微球的光学图像；(iii) 不同流量下生成液滴的直径；(d) 400个阶梯乳化单元平行排布的“火山装置”[94]：(i) “火山装置”的示意图；(ii) 单个喷嘴可实现的最大流量与液滴直径的关系；(iii) 不同流量下生成液滴的光学图像；(iv) 火山装置的模具。
在建筑热调控领域，相变微胶囊可掺入硅酸盐水泥、地质聚合物混凝土、气凝胶与建筑涂料中，在降低建筑导热系数的同时，大幅提升墙体的热储能能力，实现室内温度的被动调控，减少暖通系统的启停频次与能耗。复合相变微胶囊的超疏水建筑涂料，可实现 90% 以上的太阳能反射，夏季被动降温幅度达 13.07℃，无需额外能源输入即可实现建筑室内温度稳定，而建筑领域的规模化应用，也反向推动了高通量微流控芯片加工与微胶囊量产技术的快速发展。
图8. 采用非常规方法放大液滴生成；(a) 120个流动聚焦单元的几何结构：(i) 分散相入口；(ii) 连续相入口；(iii) 等长入口通道；(iv) 连续相入口；(v) 分散相入口；(vi) 用于流体稳定的阻尼结构；(vii) 液滴出口[95]；(b) 采用液滴分裂法制备单重和双重乳液：(i) 分裂4次，得到16等份；(ii) 仅分裂3次，得到8等份[99]；(c) “空气中”微流控技术：(i) 芯片式微流控与“空气中”微流控的示意图；(ii) “空气中”装置的高速照片[100]；(d) 3D 28个并行流动聚焦单元放大微流控装置：(i) 28个并行流动聚焦单元液滴生成的示意图与光学图像；(ii) 单分散水滴的光学照片；(iii) 水介质中微凝胶的光学照片[101]。
在电子设备冷却领域，微流控制备的高单分散性微胶囊，可精准匹配电子器件的工作温度区间，在处理器高负载运行时通过相变吸热延缓温升，为移动电子设备、精密电子元件、航空航天电子系统提供了轻量化、无功耗的被动热管理方案。在智能纺织品领域，相变微胶囊可通过静电纺丝、浸渍涂层等工艺嵌入纺织纤维，实现人体体表温度的动态缓冲，复合微胶囊的纳米纤维纺织品相变焓值可达 92.6J/g，300 次洗涤循环后仍无泄漏，保持稳定的热舒适调控性能。
图9. (a) 聚焦流微流体制备微胶囊的示意图；(b)：(i) 相变微胶囊样品；(ii) 石蜡基相变微胶囊的扫描电镜图像；(c) 石蜡基相变微胶囊与纯石蜡的差示扫描量热曲线；(d) 石蜡基相变微胶囊第1次与第100次熔-冻循环的差示扫描量热曲线[103]。
图10 (a) 为RCh/PU相变微胶囊的制备与应用示意图；(b) 包含：(i) 主动式相变材料（APP）工作时的红外热像图；(ii) 主动式相变材料（APP）停止工作后的红外热像图；(iii) 主动式相变材料（APP）工作时表面温度的对应时间变化曲线；(iv) 主动式相变材料（APP）停止工作后表面温度的对应时间变化曲线[126]。(c) 为相变微胶囊散热器组件示意图；(d) 为填充有相变微胶囊-膨胀石墨（EG）复合材料且带有25根截面为9毫米的翅片的散热器示意图[127]。
图11。(a)：(i) 防护热板装置示意图；(ii) 微胶囊的扫描电镜显微图；(iii) 正十六烷/二十烷二元混合物相变微胶囊的差示扫描量热热谱图；(iv) 封装相变材料微胶囊的差示扫描量热热谱图[130]。(b)：(i) 纳米纤维织物制备工艺示意图；(ii) 微胶囊和纤维的扫描电镜显微图；(iii) 不同添加量相变微胶囊的差示扫描量热升温曲线；(iv) 不同添加量相变微胶囊的熔融焓与结晶焓；(v) 纳米纤维织物的耐洗性；(vi,vii) 热稳定状态下人体胸部处纳米纤维织物与纯棉织物的可见光和红外热成像照片[133]。
3. 技术挑战与未来产业发展方向
尽管微流控工程化相变微胶囊技术已取得显著进展，但其工业化落地仍面临三大核心挑战。在材料创新层面，当前主流的正烷烃类相变材料仍存在导热系数低、热循环稳定性不足的问题，亟需开发高潜热、高导热、低过冷度的复合相变材料体系；在制备工艺层面，亚微米级微胶囊的可控制备、粒径分级调控仍是行业难点，现有微流控技术在亚微米尺度下，难以同时保证单分散性与制备通量，需要微纳加工技术的进一步升级，包括光刻机精度提升、MEMS 加工工艺优化与 PDMS 芯片加工精度的突破；在规模化量产层面，并行化微流控技术在工业级长期运行中，仍面临多通道流体分配不均、流道堵塞、批次稳定性差等问题，成为产业化落地的核心瓶颈。
未来，微流控工程化相变微胶囊技术的发展，将围绕三大核心方向推进。一是材料体系的多功能化升级，开发兼具高储能密度、高导热、光热 / 电热转换功能的复合相变材料，拓展微胶囊的应用边界；二是制备工艺的精密化与智能化，结合微流控芯片设计优化、3D 打印快速制造技术，实现复杂结构微胶囊的可控制备，同时集成实时压力传感与闭环流体控制技术，解决高通量制备中的粒径均一性问题；三是产业链配套的完善，推动微流控芯片定制、MEMS 代工、芯片量产加工的产业链成熟，降低制备成本，推动微流控制备的相变微胶囊在新能源、建筑节能、电子热管理等领域的规模化应用，最终成为推动热能高效利用与全球能源转型的核心技术之一。
参考文献：https://doi.org/10.3390/mi16070830
ZH_CN 
EN