天大封伟教授团队 Nano Today：构筑固液独立双重网络通道以实现动态目标的自主热管理

2024-11-24 来源：高分子科技

在科技迅猛发展的时代，5G、新能源汽车等前沿领域蓬勃兴起，设备功率密度持续攀升，热失控问题日益严峻，研发能与环境智能响应，实现动态目标自主充/散热的高性能热管理材料的需求变得极为迫切。因此，为了实现精准的智能热控，需要设计一种能够自动适应环境、与粗糙和动态的接触表面实现紧密贴合，并且还能作为传感层与外部环境互动，实现智能热控的高性能热界面材料。通过聚合物分子设计，构建高形变、低模量特性，并与固-液高导热填料相结合，为实现聚合物基导热复合材料的动态目标自主热控提供了可能性。

近日，天津大学封伟教授团队设计合成了一种兼具传感和导热的新型聚合物基软弹性的导热复合材料。通过真空辅助浸渍工艺将垂直排列的石墨烯气凝胶（VGA）与改性聚二甲基硅氧烷（mPDMS）结合。进一步采用激光蚀刻技术在VGA/mPDMS复合材料中构建了互连的液态金属网络通道，最终形成液态金属/石墨烯气凝胶/改性聚二甲基硅氧烷复合材料（LM-VGA/mPDMS）（图1）。固液双连续通道独立的由液态金属和石墨烯气凝胶所组成，不仅具有出色的热导率，还展现了良好的变形能力，显著提升了热传导性能。此外，得益于LM-VGA/mPDMS独特的双连续网络结构，其中液态金属网络充当电极，VGA/mPDMS作为摩擦与封装层，该材料能够通过运动物体产生的电信号精准地检测运动模式和物体位置，为动态目标自主热管理系统的研究与开发提供了重要的理论支持与实践指导。

相关研究成果近期以“Encapsulated solid-liquid dual continuous pathways with low modulus and high thermal conductivity for dynamic target autonomous thermal management”为题发表在最新一期的《Nano Today》。天津大学博士生何青霞为第一作者，封伟教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科技委重点基金项目支持。

图1. LM-VGA/mPDMS导热复合材料的制备流程图及其在热管理与运动检测领域的应用。

通过引入甲基氢硅氧烷-二甲基硅氧烷低聚物降低聚合物链段间的相互作用力，增加了聚合物分子链的移动性，降低聚合物模量（图2）。复合基体经等离子体处理后，VGA/mPDMS与液态金属兼容性良好。在高压缩比下也能迅速恢复初始状态，表现出优秀的弹性和韧性。同时有限元模拟表明独立固-液连续通道有效降低了复合材料的压缩强度和模量。

图2. mPDMS及LM-VGA/mPDMS复合材料的力学性能。（a）mPDMS分子结构示意图。（b-c）不同外部增塑剂含量下mPDMS的剪切储能模量和压缩应力-应变曲线。（d-e）含60 wt%增塑剂的mPDMS最大压缩应力-应变曲线及其压缩与释放过程实物照片。（f-g）经等离子体处理前后，LM-VGA/mPDMS中VGA/mPDMS复合基体与液态金属界面的SEM图像及其兼容性增强机制示意图。（h）不同VGA含量下VGA/mPDMS和LM-VGA/mPDMS复合材料的压缩应力-应变曲线。（i） mPDMS、SYLGARDTM 184、VGA/mPDMS-3和LM-VGA/mPDMS-3复合材料在20%应变下的压缩应力与模量。（j） LM-VGA/mPDMS与VGA/mPDMS在20%压缩后应力分布的有限元模拟。

通过优化固液热填充物的几何及界面设计，有效减少了液态金属与聚合物之间的热阻。在不同网络结构（矩形、三角形、平行四边形）的热传导性能模拟中，矩形网络显示出最佳的热传导效率。固液双连续导热通道显著降低了液态金属与基体之间的界面热阻，改善了声子传输。热循环测试表明，LM-VGA/mPDMS具有优异的热循环可靠性。该复合材料结合了高热导率、良好的柔性和韧性，表现出在可穿戴电子、软机器人和柔性设备中的潜力（图三）。

图3. LM-VGA/mPDMS复合材料的热性能。（a）LM-VGA/mPDMS内部固-液独立双连续网络的构建。（b）相同体积含量下点、线和网络液态金属热传导路径的有限元分析结果。（c）不同网络结构单元的热传导有限元分析。（d）不同VGA负载下VGA/mPDMS和LM-VGA/mPDMS的热导率。（e） LM-VGA/mPDMS的κ_⊥随高/低温循环的变化。（f）LM-VGA/mPDMS在不同弯曲曲率界面下的热传导及点“p”处时间-温度曲线的演变。（g）LM-VGA/mPDMS复合材料与以往报道的弹性热导材料的热导率与弹性模量对比。

复合材料 LM-VGA/mPDMS具有超低的模量、回弹性及高导热性能，在有效填充界面间的微小空隙，降低接触热阻的同时，还能起到缓冲作用，提高传热能力（图4）。与其他商用高性能TIM，如铜、硅胶垫相比，LM-VGA/mPDMS在高频振荡测试及静态环境中均表现出更为优异的传热能力。此外，在冷热冲击试验中也表现出良好的导热稳定性，在实际应用中具有良好的应用前景。

图4. LM-VGA/mPDMS作为热界面材料（TIM）在高频振动和静态环境中的散热能力。（a）高频振动下热界面材料测试示意图。（b）不同TIMs下加热器在高频振动中的温度波动变化。（c-d）LED芯片中心温度随加热功率变化，直至稳态。（e）LM-VGA/mPDMS复合材料作为TIMs的热循环稳定性。（f）三种冷却系统的红外热成像图：无TIM、Larid Tflex700和LM-VGA/mPDMS，随加热时间的变化。

LM-VGA/mPDMS复合材料能够作为自供能的非接触式传感器，利用液态金属网络作为电极，VGA/mPDMS作为摩擦和封装层。这种材料能够在无需物理接触的情况下，通过移动物体产生的静电感应来检测物体的位置和状态。LM-VGA/mPDMS复合材料作为自供能非接触传感器，能检测物体位置、运动频率和趋势，智能识别衣物，适用于运动监测和室内定位。

图5. NTENG传感器设计与运动检测、材料识别领域的应用。（a）LM-VGA/mPDMS (NTENG传感器)的设计与工作原理。（b） LM-VGA/mPDMS传感器在不同频率的电压输出。（c）不同速度下垂直移动至墙面的示意图。（d）实验者在不同距离下原地踏步时LM-VGA/mPDMS传感器的信号输出。（e）运动速率与LM-VGA/mPDMS传感器的信号输出曲线。（f）不同速度下，单人和双人模式平行移动至墙面的示意图。（g）峰值电压与速度的拟合曲线及插值曲线。（h）双人模式在不同速率运动的信号输出。（i）信号输出监测设备的实物图。（j）不同衣物材质的电信号输出曲线。

LM-VGA/mPDMS复合材料在电动汽车电池温度调节中具有潜在的应用价值。该复合材料不仅具有高热导率，还能作为自供能的非接触式传感器，实时监测车辆位置并控制车辆运动，实现电池的自动温度调节。通过与微控制器单元（MCU）和机器人车辆结合，该系统能够在低温时加热电池，在高温时冷却电池，保持电池温度在最佳范围内，从而提高电池性能和寿命。这一系统展示了复合材料在智能热管理领域的应用前景。

图6. LM-VGA/mPDMS在动态目标自主热管理领域的应用。（a）LM-VGA/mPDMS在电动汽车自主定位与电池热管理中的示意图。（b）车辆平行移动至LM-VGA/mPDMS传感器时的信号输出-时间曲线。（c）自主车辆自定位热管理操作及反馈机制。（d）基于传感器定位的电池热管理信号输出-时间曲线。（e-f）电池在低温触发加热系统与高温触发冷却系统过程中的温度-时间曲线。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013224004055

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（责任编辑：xu）

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