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  電子器件的“高溫綜合征”正成為科技發展的隱形殺手，手機頻繁過熱降頻、電動汽車電池包突發爆燃、數據中心服務器因散熱不足宕機等，這些問題的核心癥結在于傳統熱管理材料的“先天缺陷”：盡管現有研究通過添加導熱或阻燃填料可局部優化性能（如提升熱導率或降低燃燒速率），卻始終受限于被動防護模式，無法在熱量積累初期及時感知風險并動態響應。例如，當復合材料內部因瞬時電流沖擊產生微區高溫時，傳統材料僅能延緩熱量擴散，卻無法像“智能哨兵”般通過可視化信號預警潛在火情。因此，開發一種集實時感知、快速導熱、主動防火于一體的智能復合材料，成為突破電子設備熱安全瓶頸的關鍵挑戰。

  近期，上海工程技術大學宋仕強團隊在前期研究的基礎上（Composites Science and Technology, 2025, 259: 110921；ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2024, 12, 17301；Chemical Engineering Journal, 2023, 473, 145417；International Journal of Biological Macromolecules, 2023: 129038；Composite Science and Technology, 2022,109758；Nano Energy, 2022, 100, 107513），從松果鱗片的分層互鎖結構中獲得靈感，研發出一種仿生Janus材料，為電子設備穿上“智能鎧甲”-既能秒級感知危險，又能高效散熱，更能主動防火。松果鱗片能在濕度變化時自適應開合，保護種子免受外界侵害。研究團隊模仿這一結構，設計出“Janus互鎖”雙功能層。底層是3D幾何雪花圖案的PDMS骨架，通過真空浸漬MXene納米片形成“導熱高速公路”，高度互聯的三維MXene納米片框架，具有高導熱性和優異的阻燃性能，其熱導率提升680%；覆蓋層是熱致變色鈣鈦礦（MAPbBr?I?）通過機械互鎖嵌入骨架，溫度超閾值時觸發黃→橙→紅→黑的漸變預警，如同為設備安裝“溫度警報燈”。這種層次結構設計在TIM應用中顯示出巨大潛力，特別是在減少與微型化和高度集成電子設備相關的電氣火災風險方面。

圖1. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y復合材料結構設計與制備流程

  實驗研究表明，得益于3D互鎖結構中MXene骨架形成的連續導熱通道，連接到熱源的PDMS/MXene基層具有快速熱傳導能力。設計的互鎖結構可通過相鄰高縱橫比脊柱之間的眾多脊柱-尖端接觸連接進行靈敏的熱轉導。利用 MAPbBr_xI_y 的可變顏色的溫度依賴性，即不同的溫度梯度顯示不同的顏色，為可見溫度識別和熱警告提供了可行性。通過SEM觀察，MXene納米片在PDMS骨架表面形成致密的“魚鱗狀”互鎖網絡，而MAPbBr_xI_y鈣鈦礦層則呈現均勻的顆粒分布。元素映射顯示，Ti元素（MXene）集中在骨架邊緣，Br元素（鈣鈦礦）均勻分散，證明功能單元在納米尺度上“各司其職”，卻又通過界面緊密結合，實現熱-化學信號的快速傳遞。

圖2. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y復合材料的導熱性能

  作者對復合材料的導熱/阻燃性進行了一系列表征。傳統復合材料中，填料隨機分散，聲子傳播路徑曲折。而Janus材料的3D雪花骨架為MXene搭建了“直線跑道”，熱流傳播時間縮短。紅外熱成像顯示，其表面溫度15秒內升至90 °C，又迅速降至45 °C，散熱速度快。當火焰來襲，MXene網絡降解轉化為金紅石TiO₂屏障，隔絕氧氣并催化成炭。錐形量熱測試顯示，熱釋放率峰值（PHRR）降低33%，殘炭率高達90.3%，遠超同類材料。更驚艷的是，垂直燃燒中材料20秒內自熄且無熔滴，UL-94評級達到V-0，成為“電子設備的消防員”。

圖3. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y復合材料的阻燃及機理

  此外，作者還通過溫度可視化測試評價互鎖結構復合材料的溫度傳感能力。鈣鈦礦層的奧秘在于“熱致相變”：60 °C時Br/I比例變化引發晶格膨脹，導致吸收光譜紅移，顏色從黃漸變為黑。實驗顯示，1 wt%鈣鈦礦負載下，材料15秒內完成變色，且循環多次性能無損，堪比“化學反應型溫度計”。

圖4. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y復合材料溫度可視化

  Janus 互鎖結構賦予PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y（3D）復合材料具有優異的導熱性、阻燃性和敏感的溫度響應特性，使其成為電子器件中有前途的熱界面層（TIM）。當監測區域的溫度超過臨界作極限時，3D MXene框架會快速傳導熱能，通過鈣鈦礦相變誘導明顯的顏色轉變。同時，這種熱活化過程觸發的協同阻燃作用有效地阻止了燃燒的傳播，從而建立了針對電子系統中熱危害的雙重保護機制。在電池模組測試中，3 mm厚的Janus材料作為TIM，能夠使電池表面溫度降低19.1°C。紅外熱像圖與實時顏色變化同步顯示，材料在77 °C時變為橙色預警，同時MXene層快速導走熱量，阻止熱失控。這種“感知-響應”閉環，展示了智能熱管理的變革性方法。

圖5. TIM在電池組中的應用

  以上研究成果以“Bioinspired Janus Interlocked MXene/Perovskite-PDMS Composites for Integrated Thermal Visualization, Rapid-heat Dissipation, and Proactive Fire Safety in High-Power Electronics”為題發表于Composites Part B （DOI:10.1016/j.compositesb.2025.112615）。論文第一作者為上海工程技術大學化學化工學院碩士生楊旭，通訊作者為上海工程技術大學宋仕強副教授和李唯真教授。該研究獲得國家自然科學基金和上海市自然科學基金項目的支持，并感謝期刊編輯和審稿人對論文的幫助。

  文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836825005165