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高效散熱與電磁屏蔽新突破：2.92W/mK熱導(dǎo)率的纖維素基復(fù)合材料

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-09-29 15:31:38

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

一、創(chuàng)新成果：纖維素基復(fù)合材料的卓越性能

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

為了實現(xiàn)如此優(yōu)異的性能，團隊通過精心調(diào)整 MXene、銀納米線（AgNWs）以及空心四氧化三鐵的比例，在復(fù)合薄膜中巧妙地構(gòu)建出導(dǎo)電 - 磁結(jié)構(gòu)的梯度分布。這種獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得材料在面對電磁波時，能夠充分發(fā)揮各組分的優(yōu)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(jié)構(gòu)、可與金屬媲美的導(dǎo)電性以及豐富的表面官能團，為材料的導(dǎo)電性能和電磁屏蔽性能奠定了基礎(chǔ)。銀納米線具有較高的長寬比、優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，為材料的熱傳導(dǎo)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(xié)同效應(yīng)在這種復(fù)合材料中發(fā)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(nèi)部傳導(dǎo)，而且還極大地提高了熱傳導(dǎo)效率。這種協(xié)同效應(yīng)使得該材料在熱管理方面表現(xiàn)出了卓越的性能，能夠為電子設(shè)備提供穩(wěn)定而高效的熱傳導(dǎo)路徑，有效解決電子設(shè)備在工作過程中因發(fā)熱而導(dǎo)致的溫度過高問題，從而顯著提高設(shè)備的處理速度和穩(wěn)定性。

在電磁屏蔽方面，這種復(fù)合材料同樣表現(xiàn)出色。導(dǎo)電 - 磁結(jié)構(gòu)的梯度分布使得電磁波在材料內(nèi)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(shè)備內(nèi)部的電磁干擾，還是外部環(huán)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(shè)備的正常運行提供了可靠的保障。

二、廣泛應(yīng)用：多領(lǐng)域展現(xiàn)強大實力

（一）電子設(shè)備領(lǐng)域

隨著智能手機、筆記本電腦、服務(wù)器和數(shù)據(jù)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(fā)重要。這種復(fù)合薄膜可以作為良好的熱管理材料，為電子設(shè)備提供有效的熱傳導(dǎo)路徑，解決工作溫度過高的問題，提高處理速度和穩(wěn)定性。

（二）航空航天領(lǐng)域

在航空航天領(lǐng)域，設(shè)備的輕量化和高效能至關(guān)重要。航空航天設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生大量熱量，并且對電磁干擾非常敏感。該復(fù)合薄膜可用于飛機和衛(wèi)星內(nèi)部，提供高效的熱管理和電磁干擾屏蔽。

（三）柔性電子領(lǐng)域

在柔性顯示屏、柔性傳感器和柔性能源存儲設(shè)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(fù)合薄膜恰好滿足這些應(yīng)用需求，為柔性電子領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的可能。

（四）可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備領(lǐng)域

在智能紡織品領(lǐng)域，輕質(zhì)、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(jiān)測設(shè)備，提高設(shè)備的準確性和舒適性，同時減少外部電磁干擾對設(shè)備性能的影響。

三、研發(fā)背景：應(yīng)對電子設(shè)備發(fā)展挑戰(zhàn)

隨著 5G 通信技術(shù)的普及與發(fā)展，電子設(shè)備在高功率運行時產(chǎn)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(shè)備的工作壽命，同時也會對人體健康產(chǎn)生巨大危害。

傳統(tǒng)的銅和銀等金屬材料雖然具有高導(dǎo)熱和高導(dǎo)電性，具備良好的電磁屏蔽性能和散熱功能，但隨著電子設(shè)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(shè)備等新興領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

而導(dǎo)電聚合物復(fù)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(yōu)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(jié)構(gòu)、可與金屬相媲美的導(dǎo)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(yīng)用。

四、研發(fā)歷程：精心探索與突破

為了解決現(xiàn)有電磁屏蔽材料在小型化、輕量化電子設(shè)備中應(yīng)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(xiàn)有材料的局限性，厘清了電子設(shè)備在熱管理和電磁干擾屏蔽方面的需求和挑戰(zhàn)，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(diào)整材料的組成和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了導(dǎo)電 - 磁性雙梯度結(jié)構(gòu)。分別制備了導(dǎo)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(fù)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(jié)構(gòu)的復(fù)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(jié)構(gòu)表征，并對復(fù)合薄膜的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和電磁干擾屏蔽效能進行性能測試。

目前，該復(fù)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(tài)、尺寸和表面改性進行調(diào)整，并優(yōu)化導(dǎo)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(fù)合薄膜進行長期耐久性和穩(wěn)定性測試，包括機械穩(wěn)定性、耐化學性和耐熱性測試，以確保其在實際應(yīng)用環(huán)境中的性能表現(xiàn)。此外，他們將研究如何將實驗室規(guī)模的制備工藝擴展到工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，涉及材料合成、薄膜制備和性能測試的規(guī)模化以及成本效益分析等。

西北工業(yè)大學周永存教授團隊研發(fā)的纖維素基復(fù)合材料，為電子設(shè)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(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動科技的不斷進步。

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