天大封偉教授團(tuán)隊 Nano Today：構(gòu)筑固液獨立雙重網(wǎng)絡(luò)通道以實現(xiàn)動態(tài)目標(biāo)的自主熱管理
在科技迅猛發(fā)展的時代，5G、新能源汽車等前沿領(lǐng)域蓬勃興起，設(shè)備功率密度持續(xù)攀升，熱失控問題日益嚴(yán)峻，研發(fā)能與環(huán)境智能響應(yīng)，實現(xiàn)動態(tài)目標(biāo)自主充/散熱的高性能熱管理材料的需求變得極為迫切。因此，為了實現(xiàn)精準(zhǔn)的智能熱控，需要設(shè)計一種能夠自動適應(yīng)環(huán)境、與粗糙和動態(tài)的接觸表面實現(xiàn)緊密貼合，并且還能作為傳感層與外部環(huán)境互動，實現(xiàn)智能熱控的高性能熱界面材料。通過聚合物分子設(shè)計，構(gòu)建高形變、低模量特性，并與固-液高導(dǎo)熱填料相結(jié)合，為實現(xiàn)聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的動態(tài)目標(biāo)自主熱控提供了可能性。
近日，天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊設(shè)計合成了一種兼具傳感和導(dǎo)熱的新型聚合物基軟彈性的導(dǎo)熱復(fù)合材料。通過真空輔助浸漬工藝將垂直排列的石墨烯氣凝膠（VGA）與改性聚二甲基硅氧烷（mPDMS）結(jié)合。進(jìn)一步采用激光蝕刻技術(shù)在VGA/mPDMS復(fù)合材料中構(gòu)建了互連的液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)通道，最終形成液態(tài)金屬/石墨烯氣凝膠/改性聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料（LM-VGA/mPDMS）（圖1）。固液雙連續(xù)通道獨立的由液態(tài)金屬和石墨烯氣凝膠所組成，不僅具有出色的熱導(dǎo)率，還展現(xiàn)了良好的變形能力，顯著提升了熱傳導(dǎo)性能。此外，得益于LM-VGA/mPDMS獨特的雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)電極，VGA/mPDMS作為摩擦與封裝層，該材料能夠通過運(yùn)動物體產(chǎn)生的電信號精準(zhǔn)地檢測運(yùn)動模式和物體位置，為動態(tài)目標(biāo)自主熱管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供了重要的理論支持與實踐指導(dǎo)。
相關(guān)研究成果近期以“Encapsulated solid-liquid dual continuous pathways with low modulus and high thermal conductivity for dynamic target autonomous thermal management”為題發(fā)表在最新一期的《Nano Today》。天津大學(xué)博士生何青霞為第一作者，封偉教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科技委重點基金項目支持。
圖1. LM-VGA/mPDMS導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備流程圖及其在熱管理與運(yùn)動檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。
通過引入甲基氫硅氧烷-二甲基硅氧烷低聚物降低聚合物鏈段間的相互作用力，增加了聚合物分子鏈的移動性，降低聚合物模量（圖2）。復(fù)合基體經(jīng)等離子體處理后，VGA/mPDMS與液態(tài)金屬兼容性良好。在高壓縮比下也能迅速恢復(fù)初始狀態(tài)，表現(xiàn)出優(yōu)秀的彈性和韌性。同時有限元模擬表明獨立固-液連續(xù)通道有效降低了復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和模量。
圖2. mPDMS及LM-VGA/mPDMS復(fù)合材料的力學(xué)性能。（a）mPDMS分子結(jié)構(gòu)示意圖。（b-c）不同外部增塑劑含量下mPDMS的剪切儲能模量和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（d-e） 含60 wt%增塑劑的mPDMS最大壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其壓縮與釋放過程實物照片。（f-g）經(jīng)等離子體處理前后，LM-VGA/mPDMS中VGA/mPDMS復(fù)合基體與液態(tài)金屬界面的SEM圖像及其兼容性增強(qiáng)機(jī)制示意圖。（h）不同VGA含量下VGA/mPDMS和LM-VGA/mPDMS復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（i） mPDMS、SYLGARDTM 184、VGA/mPDMS-3和LM-VGA/mPDMS-3復(fù)合材料在20%應(yīng)變下的壓縮應(yīng)力與模量。（j） LM-VGA/mPDMS與VGA/mPDMS在20%壓縮后應(yīng)力分布的有限元模擬。
通過優(yōu)化固液熱填充物的幾何及界面設(shè)計，有效減少了液態(tài)金屬與聚合物之間的熱阻。在不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（矩形、三角形、平行四邊形）的熱傳導(dǎo)性能模擬中，矩形網(wǎng)絡(luò)顯示出最佳的熱傳導(dǎo)效率。固液雙連續(xù)導(dǎo)熱通道顯著降低了液態(tài)金屬與基體之間的界面熱阻，改善了聲子傳輸。熱循環(huán)測試表明，LM-VGA/mPDMS具有優(yōu)異的熱循環(huán)可靠性。該復(fù)合材料結(jié)合了高熱導(dǎo)率、良好的柔性和韌性，表現(xiàn)出在可穿戴電子、軟機(jī)器人和柔性設(shè)備中的潛力（圖三）。
圖3. LM-VGA/mPDMS復(fù)合材料的熱性能。（a）LM-VGA/mPDMS內(nèi)部固-液獨立雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。（b）相同體積含量下點、線和網(wǎng)絡(luò)液態(tài)金屬熱傳導(dǎo)路徑的有限元分析結(jié)果。（c） 不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元的熱傳導(dǎo)有限元分析。（d）不同VGA負(fù)載下VGA/mPDMS和LM-VGA/mPDMS的熱導(dǎo)率。（e） LM-VGA/mPDMS的κ⊥隨高/低溫循環(huán)的變化。（f）LM-VGA/mPDMS在不同彎曲曲率界面下的熱傳導(dǎo)及點“p”處時間-溫度曲線的演變。（g）LM-VGA/mPDMS復(fù)合材料與以往報道的彈性熱導(dǎo)材料的熱導(dǎo)率與彈性模量對比。
復(fù)合材料 LM-VGA/mPDMS具有超低的模量、回彈性及高導(dǎo)熱性能，在有效填充界面間的微小空隙，降低接觸熱阻的同時，還能起到緩沖作用，提高傳熱能力（圖4）。與其他商用高性能TIM，如銅、硅膠墊相比，LM-VGA/mPDMS在高頻振蕩測試及靜態(tài)環(huán)境中均表現(xiàn)出更為優(yōu)異的傳熱能力。此外，在冷熱沖擊試驗中也表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱穩(wěn)定性，在實際應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用前景。
圖4. LM-VGA/mPDMS作為熱界面材料（TIM）在高頻振動和靜態(tài)環(huán)境中的散熱能力。（a） 高頻振動下熱界面材料測試示意圖。（b）不同TIMs下加熱器在高頻振動中的溫度波動變化。（c-d）LED芯片中心溫度隨加熱功率變化，直至穩(wěn)態(tài)。（e）LM-VGA/mPDMS復(fù)合材料作為TIMs的熱循環(huán)穩(wěn)定性。（f）三種冷卻系統(tǒng)的紅外熱成像圖：無TIM、Larid Tflex700和LM-VGA/mPDMS，隨加熱時間的變化。
LM-VGA/mPDMS復(fù)合材料能夠作為自供能的非接觸式傳感器，利用液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)作為電極，VGA/mPDMS作為摩擦和封裝層。這種材料能夠在無需物理接觸的情況下，通過移動物體產(chǎn)生的靜電感應(yīng)來檢測物體的位置和狀態(tài)。LM-VGA/mPDMS復(fù)合材料作為自供能非接觸傳感器，能檢測物體位置、運(yùn)動頻率和趨勢，智能識別衣物，適用于運(yùn)動監(jiān)測和室內(nèi)定位。
圖5. NTENG傳感器設(shè)計與運(yùn)動檢測、材料識別領(lǐng)域的應(yīng)用。（a）LM-VGA/mPDMS (NTENG傳感器)的設(shè)計與工作原理。（b） LM-VGA/mPDMS傳感器在不同頻率的電壓輸出。（c）不同速度下垂直移動至墻面的示意圖。（d）實驗者在不同距離下原地踏步時LM-VGA/mPDMS傳感器的信號輸出。（e） 運(yùn)動速率與LM-VGA/mPDMS傳感器的信號輸出曲線。（f）不同速度下，單人和雙人模式平行移動至墻面的示意圖。（g）峰值電壓與速度的擬合曲線及插值曲線。（h）雙人模式在不同速率運(yùn)動的信號輸出。（i）信號輸出監(jiān)測設(shè)備的實物圖。（j）不同衣物材質(zhì)的電信號輸出曲線。
LM-VGA/mPDMS復(fù)合材料在電動汽車電池溫度調(diào)節(jié)中具有潛在的應(yīng)用價值。該復(fù)合材料不僅具有高熱導(dǎo)率，還能作為自供能的非接觸式傳感器，實時監(jiān)測車輛位置并控制車輛運(yùn)動，實現(xiàn)電池的自動溫度調(diào)節(jié)。通過與微控制器單元（MCU）和機(jī)器人車輛結(jié)合，該系統(tǒng)能夠在低溫時加熱電池，在高溫時冷卻電池，保持電池溫度在最佳范圍內(nèi)，從而提高電池性能和壽命。這一系統(tǒng)展示了復(fù)合材料在智能熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
圖6. LM-VGA/mPDMS在動態(tài)目標(biāo)自主熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用。（a）LM-VGA/mPDMS在電動汽車自主定位與電池?zé)峁芾碇械氖疽鈭D。（b）車輛平行移動至LM-VGA/mPDMS傳感器時的信號輸出-時間曲線。（c）自主車輛自定位熱管理操作及反饋機(jī)制。（d）基于傳感器定位的電池?zé)峁芾硇盘栞敵?時間曲線。（e-f）電池在低溫觸發(fā)加熱系統(tǒng)與高溫觸發(fā)冷卻系統(tǒng)過程中的溫度-時間曲線。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013224004055
