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  隨著電子設備的微型化和電子元器件的高度集成，散熱問題已成為制約電子設備工作效率和使用壽命的瓶頸，同時高密度分布的電子元器件或高頻電路所產生的電磁污染也日益突出。因此，亟需開發兼具良好熱管理和電磁屏蔽功能的材料以解決電子設備溫度過高和電磁污染問題。相變材料是一類通過相變過程實現近乎恒溫儲熱/放熱過程的材料，能有效防止電子設備的工作溫度急劇上升，有望用于電子設備的高效熱管理。

  近期，西南交通大學材料科學與工程學院的王勇教授團隊以密胺泡沫(MF)為柔性骨架，負載銀納米線(AgNW)搭接的MXene雜化填料，進而灌裝聚乙二醇(PEG)，構筑了集熱能存儲、形狀記憶與電磁屏蔽功能于一體的相變復合材料。該成果以“Multifunctional Phase Change Composites Based on Elastic MXene/Silver Nanowire Sponges for Excellent Thermal/Solar/Electric Energy Storage, Shape Memory, and Adjustable Electromagnetic Interference Shielding Functions”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》(DOI: 10.1021/acsami.1c23303)。通訊作者為西南交通大學材料科學與工程學院祁曉東博士和王勇教授。該研究得到了國家自然科學基金和四川省青年科技創新研究團隊等項目的資助。

  該工作選擇具有三維多孔結構的密胺泡沫(MF)作為模板，在其骨架上涂覆MXene/AgNW (MA)雜化填料以構建三維導電/導熱網絡，進而通過真空浸漬法將聚乙二醇(PEG)灌裝到MF@MA彈性泡沫中，開發出多功能集成的相變復合材料(圖1)。MF@MA/PEG相變復合材料具有高潛熱(141.3 J/g)、高尺寸保留率(96.8%)、良好的導電性(75.3 S/m)和顯著增強的熱導率。結合PEG的結晶-熔融相轉變和三維MA網絡的光/電響應，MF@MA/PEG復合材料表現出優異的光/電致形狀記憶功能。該復合材料可以在溫度刺激（光/電/熱驅動）下實現壓縮形變的固定和形狀回復，從而通過壓縮和解壓實現電磁波傳輸和屏蔽之間的可逆轉換，其電磁屏蔽效率可以在12.4 dB ~ 30.5 dB之間進行動態調節(圖2)。通過COMSOL有限元模擬軟件計算，結果表明對于曲面電子設備的熱管理，柔性相變復合材料能夠與受控部件表面保持緊密貼合，從而降低了接觸熱阻。相比于剛性相變復合材料，受控部件溫度下降了18.9 %，有效延長芯片工作時間335.2 %(圖3)。這類具有優良熱能存儲、形狀記憶及可調節電磁屏蔽功能的柔性相變復合材料在電子電氣、軍事航空等領域中具有巨大的潛力。

圖1：(a) MXene@AgNW(MA)雜化填料和(b) MF@MA/PEG相變復合材料的制備示意圖。

圖2：(a) MF@MA/PEG的導電率；(b) X波段MF@MA/PEG的SE_T曲線；(c) X波段MF@MA/PEG的平均SE_T、SE_R和SE_A值；(d) X波段MF@MA3/PEG處于原始狀態和壓縮狀態下的SE_T曲線；(e) 原始狀態和(f) 壓縮狀態下MF@MA3/PEG微觀結構的掃描電鏡圖；(g) 可調節電磁屏蔽機理的示意圖。

圖3：(a) 芯片，(b) 芯片+MF@MXene3/PEG和(c) 芯片+MF@MA3/PEG的有限元模擬溫度分布圖；(d) 芯片溫度隨工作時間的變化曲線。

  該工作是團隊近期關于密胺泡沫基柔性相變復合材料研究的最新進展。傳統相變材料常常面臨因剛性大而與熱控器件表面接觸不佳，熱阻過高導致熱管理效率降低的問題，或者因不能變形而難以安裝進受限空間的設備中。為此團隊發展了密胺泡沫封裝相變材料的方法，一方面基于密胺泡沫的輕質多孔特點，相變復合材料可具有高熱焓值和良好的封裝定形效果；另一方面結合密胺泡沫的高彈性和相變材料的固液相轉變特性，相變復合材料在溫度刺激下實現剛性與柔性的可逆轉變(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 19252)。進一步以密胺泡沫為三維模板在其表面和內部組裝功能填料網絡，在低填料含量下構筑了一系列蓄/傳熱增強(Chem. Eng. J., 2019, 365, 20; Nanoscale, 2019, 11, 18691; 2020, 12, 4005; Composites Part A, 2021, 146, 106420)、光/電/熱能存儲(Chem. Eng. J., 2020, 379, 122373; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 46851; ACS Sustain. Chem. Eng., 2019, 7, 13532; Composites Part A, 2021, 143, 106291)的柔性相變復合材料。團隊近期詳細論述了三維填料網絡的構筑方法及其用于制備高性能/多功能有機相變材料的研究進展(Chem. Eng. J., 2021, 419, 129620)。團隊通過探索利用密胺泡沫作為組裝模板構筑三維連續填料網絡以及作為支撐骨架構筑柔性相變材料的新方法，將為相變復合材料的結構設計和性能調控提供借鑒。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c23303