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高效散熱與電磁屏蔽新突破：2.92W/mK熱導率的纖維素基復合材料

文章來源：賢集網更新時間：2024-09-29 15:31:38

在當今科技飛速發展的時代，電子設備的小型化和集成化趨勢愈發明顯，對高性能材料的需求也日益迫切。近日，西北工業大學周永存教授及其團隊成功研發出一種纖維素基復合材料，為電子設備的熱管理和電磁屏蔽問題提供了創新解決方案。

一、創新成果：纖維素基復合材料的卓越性能

西北工業大學周永存教授及其團隊精心研發的纖維素基復合材料，這種纖維素基復合材料本質上是一種極具創新性的復合薄膜。其熱管理能力堪稱卓越，最大熱導率達到了令人矚目的 2.92W/mK。這一出色的熱導率數值，意味著該材料在熱傳導方面具有極高的效率，能夠迅速將熱量從熱源處傳導出去，為電子設備等發熱元件提供了高效的散熱解決方案。

為了實現如此優異的性能，團隊通過精心調整 MXene、銀納米線（AgNWs）以及空心四氧化三鐵的比例，在復合薄膜中巧妙地構建出導電 - 磁結構的梯度分布。這種獨特的結構設計，使得材料在面對電磁波時，能夠充分發揮各組分的優勢，極大地提高了對電磁波的吸收效果和屏蔽效果。

其中，MXene 作為一種二維過渡金屬碳 / 氮化合物，憑借其獨特的層狀結構、可與金屬媲美的導電性以及豐富的表面官能團，為材料的導電性能和電磁屏蔽性能奠定了基礎。銀納米線具有較高的長寬比、優異的導電性和導熱性，為材料的熱傳導和電磁屏蔽增添了強大的助力。而空心四氧化三鐵則為材料帶來了磁性特性，進一步增強了對電磁波的吸收和屏蔽能力。

多維粒子的協同效應在這種復合材料中發揮得淋漓盡致。各組分之間相互配合，不僅能夠有效地降低界面熱阻，使得熱量能夠更加順暢地在材料內部傳導，而且還極大地提高了熱傳導效率。這種協同效應使得該材料在熱管理方面表現出了卓越的性能，能夠為電子設備提供穩定而高效的熱傳導路徑，有效解決電子設備在工作過程中因發熱而導致的溫度過高問題，從而顯著提高設備的處理速度和穩定性。

在電磁屏蔽方面，這種復合材料同樣表現出色。導電 - 磁結構的梯度分布使得電磁波在材料內部形成多重反射和吸收，極大地增強了對電磁波的屏蔽效果。無論是來自電子設備內部的電磁干擾，還是外部環境中的電磁波輻射，該材料都能夠有效地進行屏蔽，為電子設備的正常運行提供了可靠的保障。

二、廣泛應用：多領域展現強大實力

（一）電子設備領域

隨著智能手機、筆記本電腦、服務器和數據中心的中央處理器（CPU）和圖形處理器（GPU）性能的不斷提升，散熱問題愈發重要。這種復合薄膜可以作為良好的熱管理材料，為電子設備提供有效的熱傳導路徑，解決工作溫度過高的問題，提高處理速度和穩定性。

（二）航空航天領域

在航空航天領域，設備的輕量化和高效能至關重要。航空航天設備在運行過程中會產生大量熱量，并且對電磁干擾非常敏感。該復合薄膜可用于飛機和衛星內部，提供高效的熱管理和電磁干擾屏蔽。

（三）柔性電子領域

在柔性顯示屏、柔性傳感器和柔性能源存儲設備中，需要既輕又薄的材料來提供熱管理和電磁屏蔽。這種復合薄膜恰好滿足這些應用需求，為柔性電子領域的發展提供了新的可能。

（四）可穿戴健康監測設備領域

在智能紡織品領域，輕質、柔性且具有多功能的電子紡織品需求日益增長。這種材料可用于可穿戴的健康監測設備，提高設備的準確性和舒適性，同時減少外部電磁干擾對設備性能的影響。

三、研發背景：應對電子設備發展挑戰

隨著 5G 通信技術的普及與發展，電子設備在高功率運行時產生的電磁干擾和熱量積累等問題日益嚴重。這些問題不僅會嚴重影響精密電子設備的工作壽命，同時也會對人體健康產生巨大危害。

傳統的銅和銀等金屬材料雖然具有高導熱和高導電性，具備良好的電磁屏蔽性能和散熱功能，但隨著電子設備的逐漸小型化、輕量化和便攜化，其密度高、柔韌性能差、耐腐蝕性低等缺點嚴重制約了在電子設備等新興領域的實際應用。

而導電聚合物復合材料憑借重量輕、機械柔性高、耐腐蝕性好、加工成本低等優勢，成為替代金屬材料作為電磁屏蔽材料的理想選擇。MXene 作為一種二維過渡金屬碳 / 氮化合物，憑借獨特的層狀結構、可與金屬相媲美的導電性以及豐富的表面官能團，在儲能、海水淡化、電磁干擾屏蔽等方面得到廣泛應用。

四、研發歷程：精心探索與突破

為了解決現有電磁屏蔽材料在小型化、輕量化電子設備中應用受限的問題，并提高材料的熱管理能力，周永存教授團隊通過分析現有材料的局限性，厘清了電子設備在熱管理和電磁干擾屏蔽方面的需求和挑戰，制定了詳細的研究計劃。

他們選擇使用 MXene、銀納米線、空心四氧化三鐵和碳納米纖維作為初始材料，通過調整材料的組成和結構，實現了導電 - 磁性雙梯度結構。分別制備了導電填料二維 MXene、一維銀納米線和空心磁性填料四氧化三鐵等材料，然后使用碳納米纖維作為復合薄膜基體，通過逐層真空輔助抽濾工藝，制備出含有三層梯度結構的復合薄膜。

針對各種材料，課題組通過掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X 射線衍射儀、X 射線光電子能譜等表征手段進行微觀結構表征，并對復合薄膜的熱導率、電導率和電磁干擾屏蔽效能進行性能測試。

目前，該復合薄膜電磁屏蔽效能達到 45dB，能夠滿足商用電磁屏蔽的目標值（20dB），但在一些特定場所仍需進一步提高其電磁屏蔽效能。為此，團隊計劃通過實驗針對 MXene、銀納米線和四氧化三鐵的形態、尺寸和表面改性進行調整，并優化導熱性能，降低多種不同粒子界面處的界面熱阻。

同時，團隊還將針對復合薄膜進行長期耐久性和穩定性測試，包括機械穩定性、耐化學性和耐熱性測試，以確保其在實際應用環境中的性能表現。此外，他們將研究如何將實驗室規模的制備工藝擴展到工業規模生產，涉及材料合成、薄膜制備和性能測試的規模化以及成本效益分析等。

西北工業大學周永存教授團隊研發的纖維素基復合材料，為電子設備的熱管理和電磁屏蔽問題帶來了新的突破，有望在多個領域發揮重要作用，推動科技的不斷進步。

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來源：賢集網
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