随着电子设备的微型化和电子元器件的高度集成，散热问题已成为制约电子设备工作效率和使用寿命的瓶颈，同时高密度分布的电子元器件或高频电路所产生的电磁污染也日益突出。因此，亟需开发兼具良好热管理和电磁屏蔽功能的材料以解决电子设备温度过高和电磁污染问题。相变材料是一类通过相变过程实现近乎恒温储热/放热过程的材料，能有效防止电子设备的工作温度急剧上升，有望用于电子设备的高效热管理。

  近期，西南交通大学材料科学与工程学院的王勇教授团队以密胺泡沫(MF)为柔性骨架，负载银纳米线(AgNW)搭接的MXene杂化填料，进而灌装聚乙二醇(PEG)，构筑了集热能存储、形状记忆与电磁屏蔽功能于一体的相变复合材料。该成果以“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”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》(DOI: 10.1021/acsami.1c23303)。通讯作者为西南交通大学材料科学与工程学院祁晓东博士和王勇教授。该研究得到了国家自然科学基金和四川省青年科技创新研究团队等项目的资助。

  该工作选择具有三维多孔结构的密胺泡沫(MF)作为模板，在其骨架上涂覆MXene/AgNW (MA)杂化填料以构建三维导电/导热网络，进而通过真空浸渍法将聚乙二醇(PEG)灌装到MF@MA弹性泡沫中，开发出多功能集成的相变复合材料(图1)。MF@MA/PEG相变复合材料具有高潜热(141.3 J/g)、高尺寸保留率(96.8%)、良好的导电性(75.3 S/m)和显著增强的热导率。结合PEG的结晶-熔融相转变和三维MA网络的光/电响应，MF@MA/PEG复合材料表现出优异的光/电致形状记忆功能。该复合材料可以在温度刺激（光/电/热驱动）下实现压缩形变的固定和形状回复，从而通过压缩和解压实现电磁波传输和屏蔽之间的可逆转换，其电磁屏蔽效率可以在12.4 dB ~ 30.5 dB之间进行动态调节(图2)。通过COMSOL有限元模拟软件计算，结果表明对于曲面电子设备的热管理，柔性相变复合材料能够与受控部件表面保持紧密贴合，从而降低了接触热阻。相比于刚性相变复合材料，受控部件温度下降了18.9 %，有效延长芯片工作时间335.2 %(图3)。这类具有优良热能存储、形状记忆及可调节电磁屏蔽功能的柔性相变复合材料在电子电气、军事航空等领域中具有巨大的潜力。

图1：(a) MXene@AgNW(MA)杂化填料和(b) MF@MA/PEG相变复合材料的制备示意图。

图2：(a) MF@MA/PEG的导电率；(b) X波段MF@MA/PEG的SE_T曲线；(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处于原始状态和压缩状态下的SE_T曲线；(e) 原始状态和(f) 压缩状态下MF@MA3/PEG微观结构的扫描电镜图；(g) 可调节电磁屏蔽机理的示意图。

图3：(a) 芯片，(b) 芯片+MF@MXene3/PEG和(c) 芯片+MF@MA3/PEG的有限元模拟温度分布图；(d) 芯片温度随工作时间的变化曲线。

  该工作是团队近期关于密胺泡沫基柔性相变复合材料研究的最新进展。传统相变材料常常面临因刚性大而与热控器件表面接触不佳，热阻过高导致热管理效率降低的问题，或者因不能变形而难以安装进受限空间的设备中。为此团队发展了密胺泡沫封装相变材料的方法，一方面基于密胺泡沫的轻质多孔特点，相变复合材料可具有高热焓值和良好的封装定形效果；另一方面结合密胺泡沫的高弹性和相变材料的固液相转变特性，相变复合材料在温度刺激下实现刚性与柔性的可逆转变(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 19252)。进一步以密胺泡沫为三维模板在其表面和内部组装功能填料网络，在低填料含量下构筑了一系列蓄/传热增强(Chem. Eng. J., 2019, 365, 20; Nanoscale, 2019, 11, 18691; 2020, 12, 4005; Composites Part A, 2021, 146, 106420)、光/电/热能存储(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)的柔性相变复合材料。团队近期详细论述了三维填料网络的构筑方法及其用于制备高性能/多功能有机相变材料的研究进展(Chem. Eng. J., 2021, 419, 129620)。团队通过探索利用密胺泡沫作为组装模板构筑三维连续填料网络以及作为支撑骨架构筑柔性相变材料的新方法，将为相变复合材料的结构设计和性能调控提供借鉴。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c23303