电子器件的“高温综合征”正成为科技发展的隐形杀手，手机频繁过热降频、电动汽车电池包突发爆燃、数据中心服务器因散热不足宕机等，这些问题的核心症结在于传统热管理材料的“先天缺陷”：尽管现有研究通过添加导热或阻燃填料可局部优化性能（如提升热导率或降低燃烧速率），却始终受限于被动防护模式，无法在热量积累初期及时感知风险并动态响应。例如，当复合材料内部因瞬时电流冲击产生微区高温时，传统材料仅能延缓热量扩散，却无法像“智能哨兵”般通过可视化信号预警潜在火情。因此，开发一种集实时感知、快速导热、主动防火于一体的智能复合材料，成为突破电子设备热安全瓶颈的关键挑战。

  近期，上海工程技术大学宋仕强团队在前期研究的基础上（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），从松果鳞片的分层互锁结构中获得灵感，研发出一种仿生Janus材料，为电子设备穿上“智能铠甲”-既能秒级感知危险，又能高效散热，更能主动防火。松果鳞片能在湿度变化时自适应开合，保护种子免受外界侵害。研究团队模仿这一结构，设计出“Janus互锁”双功能层。底层是3D几何雪花图案的PDMS骨架，通过真空浸渍MXene纳米片形成“导热高速公路”，高度互联的三维MXene纳米片框架，具有高导热性和优异的阻燃性能，其热导率提升680%；覆盖层是热致变色钙钛矿（MAPbBr?I?）通过机械互锁嵌入骨架，温度超阈值时触发黄→橙→红→黑的渐变预警，如同为设备安装“温度警报灯”。这种层次结构设计在TIM应用中显示出巨大潜力，特别是在减少与微型化和高度集成电子设备相关的电气火灾风险方面。

图1. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y复合材料结构设计与制备流程

  实验研究表明，得益于3D互锁结构中MXene骨架形成的连续导热通道，连接到热源的PDMS/MXene基层具有快速热传导能力。设计的互锁结构可通过相邻高纵横比脊柱之间的众多脊柱-尖端接触连接进行灵敏的热转导。利用 MAPbBr_xI_y 的可变颜色的温度依赖性，即不同的温度梯度显示不同的颜色，为可见温度识别和热警告提供了可行性。通过SEM观察，MXene纳米片在PDMS骨架表面形成致密的“鱼鳞状”互锁网络，而MAPbBr_xI_y钙钛矿层则呈现均匀的颗粒分布。元素映射显示，Ti元素（MXene）集中在骨架边缘，Br元素（钙钛矿）均匀分散，证明功能单元在纳米尺度上“各司其职”，却又通过界面紧密结合，实现热-化学信号的快速传递。

图2. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y复合材料的导热性能

  作者对复合材料的导热/阻燃性进行了一系列表征。传统复合材料中，填料随机分散，声子传播路径曲折。而Janus材料的3D雪花骨架为MXene搭建了“直线跑道”，热流传播时间缩短。红外热成像显示，其表面温度15秒内升至90 °C，又迅速降至45 °C，散热速度快。当火焰来袭，MXene网络降解转化为金红石TiO₂屏障，隔绝氧气并催化成炭。锥形量热测试显示，热释放率峰值（PHRR）降低33%，残炭率高达90.3%，远超同类材料。更惊艳的是，垂直燃烧中材料20秒内自熄且无熔滴，UL-94评级达到V-0，成为“电子设备的消防员”。

图3. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y复合材料的阻燃及机理

  此外，作者还通过温度可视化测试评价互锁结构复合材料的温度传感能力。钙钛矿层的奥秘在于“热致相变”：60 °C时Br/I比例变化引发晶格膨胀，导致吸收光谱红移，颜色从黄渐变为黑。实验显示，1 wt%钙钛矿负载下，材料15秒内完成变色，且循环多次性能无损，堪比“化学反应型温度计”。

图4. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y复合材料温度可视化

  Janus 互锁结构赋予PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y（3D）复合材料具有优异的导热性、阻燃性和敏感的温度响应特性，使其成为电子器件中有前途的热界面层（TIM）。当监测区域的温度超过临界作极限时，3D MXene框架会快速传导热能，通过钙钛矿相变诱导明显的颜色转变。同时，这种热活化过程触发的协同阻燃作用有效地阻止了燃烧的传播，从而建立了针对电子系统中热危害的双重保护机制。在电池模组测试中，3 mm厚的Janus材料作为TIM，能够使电池表面温度降低19.1°C。红外热像图与实时颜色变化同步显示，材料在77 °C时变为橙色预警，同时MXene层快速导走热量，阻止热失控。这种“感知-响应”闭环，展示了智能热管理的变革性方法。

图5. TIM在电池组中的应用

  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”为题发表于Composites Part B （DOI:10.1016/j.compositesb.2025.112615）。论文第一作者为上海工程技术大学化学化工学院硕士生杨旭，通讯作者为上海工程技术大学宋仕强副教授和李唯真教授。该研究获得国家自然科学基金和上海市自然科学基金项目的支持，并感谢期刊编辑和审稿人对论文的帮助。

  文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836825005165