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  隨著電子設(shè)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(shè)備工作效率和使用壽命的瓶頸，同時(shí)高密度分布的電子元器件或高頻電路所產(chǎn)生的電磁污染也日益突出。因此，亟需開發(fā)兼具良好熱管理和電磁屏蔽功能的材料以解決電子設(shè)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(shí)現(xiàn)近乎恒溫儲熱/放熱過程的材料，能有效防止電子設(shè)備的工作溫度急劇上升，有望用于電子設(shè)備的高效熱管理。

  近期，西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的王勇教授團(tuán)隊(duì)以密胺泡沫(MF)為柔性骨架，負(fù)載銀納米線(AgNW)搭接的MXene雜化填料，進(jìn)而灌裝聚乙二醇(PEG)，構(gòu)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(fù)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(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》(DOI: 10.1021/acsami.1c23303)。通訊作者為西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院祁曉東博士和王勇教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的資助。

  該工作選擇具有三維多孔結(jié)構(gòu)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(gòu)建三維導(dǎo)電/導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)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(fā)出多功能集成的相變復(fù)合材料(圖1)。MF@MA/PEG相變復(fù)合材料具有高潛熱(141.3 J/g)、高尺寸保留率(96.8%)、良好的導(dǎo)電性(75.3 S/m)和顯著增強(qiáng)的熱導(dǎo)率。結(jié)合PEG的結(jié)晶-熔融相轉(zhuǎn)變和三維MA網(wǎng)絡(luò)的光/電響應(yīng)，MF@MA/PEG復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的光/電致形狀記憶功能。該復(fù)合材料可以在溫度刺激（光/電/熱驅(qū)動）下實(shí)現(xiàn)壓縮形變的固定和形狀回復(fù)，從而通過壓縮和解壓實(shí)現(xiàn)電磁波傳輸和屏蔽之間的可逆轉(zhuǎn)換，其電磁屏蔽效率可以在12.4 dB ~ 30.5 dB之間進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)(圖2)。通過COMSOL有限元模擬軟件計(jì)算，結(jié)果表明對于曲面電子設(shè)備的熱管理，柔性相變復(fù)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(fù)合材料，受控部件溫度下降了18.9 %，有效延長芯片工作時(shí)間335.2 %(圖3)。這類具有優(yōu)良熱能存儲、形狀記憶及可調(diào)節(jié)電磁屏蔽功能的柔性相變復(fù)合材料在電子電氣、軍事航空等領(lǐng)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(fù)合材料的制備示意圖。

圖2：(a) MF@MA/PEG的導(dǎo)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(tài)和壓縮狀態(tài)下的SE_T曲線；(e) 原始狀態(tài)和(f) 壓縮狀態(tài)下MF@MA3/PEG微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖；(g) 可調(diào)節(jié)電磁屏蔽機(jī)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(shí)間的變化曲線。

  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于密胺泡沫基柔性相變復(fù)合材料研究的最新進(jìn)展。傳統(tǒng)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(dǎo)致熱管理效率降低的問題，或者因不能變形而難以安裝進(jìn)受限空間的設(shè)備中。為此團(tuán)隊(duì)發(fā)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(zhì)多孔特點(diǎn)，相變復(fù)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(jié)合密胺泡沫的高彈性和相變材料的固液相轉(zhuǎn)變特性，相變復(fù)合材料在溫度刺激下實(shí)現(xiàn)剛性與柔性的可逆轉(zhuǎn)變(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 19252)。進(jìn)一步以密胺泡沫為三維模板在其表面和內(nèi)部組裝功能填料網(wǎng)絡(luò)，在低填料含量下構(gòu)筑了一系列蓄/傳熱增強(qiáng)(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(fù)合材料。團(tuán)隊(duì)近期詳細(xì)論述了三維填料網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑方法及其用于制備高性能/多功能有機(jī)相變材料的研究進(jìn)展(Chem. Eng. J., 2021, 419, 129620)。團(tuán)隊(duì)通過探索利用密胺泡沫作為組裝模板構(gòu)筑三維連續(xù)填料網(wǎng)絡(luò)以及作為支撐骨架構(gòu)筑柔性相變材料的新方法，將為相變復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能調(diào)控提供借鑒。

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