研究背景

随着电子设备向高速化和小型化发展，散热已成为制约其性能提升的关键因素。相变材料(PCMs)因其出色的潜热储存能力被广泛应用于电子器件的热管理。然而，相变材料存在液相易泄漏、刚性大和热导率低等问题,严重限制了其实际应用。因此，开发一种兼具优异形状稳定性、良好柔性和高热导率的新型相变材料复合材料，对于解决电子器件的散热难题具有重要意义。

文章要点

本文以石蜡(PW)作为热能存储单元,聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装PW并赋予复合材料柔性，1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐修饰的六方氮化硼纳米片(BPs)提高复合材料的热导率。首先通过湿法球磨工艺制备了高质量的BPs，其次利用刮涂过程中的强剪切力使BPs在PDMS/PW基体中沿刮涂方向定向排列，并形成完善的互连导热网络。这种独特的平行结构使得复合材料在15 wt% BPs含量下，面内热导率达到2.87 W·m^-1·K^-1，较PDMS/PW提高了1494%。特别是，PW利用其相变特性能够在热量激增时迅速吸收多余热量，在温度下降时又缓慢释放热量，有效平衡温度波动。在智能手机应用测试中，相变吸热和氮化硼定向散热的协同作用使手机工作温度降低11 °C，展现出优异的热管理效果。有限元分析进一步证实了BPs网络的平行排列能够提供快速传热通道，而PW的相变热能缓冲则有效抑制温度峰值，两者协同作用显著提升了复合材料的整体热管理性能。此外，PDMS/PW/BP复合材料还具有优异的阻燃和电绝缘性能，这对电子设备的安全性提供了额外保障。本研究在电子设备热管理领域展现出巨大的应用潜力，有望为下一代高性能电子产品的热管理问题提供有效的解决方案。

图文展示

图1. 基于逐层刮涂铸造工艺制备PDMS/PW/BP相变薄膜。

图2. (a) PDMS/PW/BP的面内导热率和面外导热率。(b) PDMS50/PW50和PDMS50/PW50/BP 的温度变化曲线。(c) 热传导机理图。(d) PDMS50/PW50和PDMS50/PW50/BP15在实际加热时的红外热成像图。

图3. (a) PW 在相变过程中的工作原理图。(b，c) PDMS50/PW50/BP的DSC曲线和 (d) 热焓值。(e) PW，PDMS50/PW50和PDMS50/PW50/BP的形状维持率和 (f，g) 在实际加热时的数码照片和POM图。

图4. (a) PDMS50/PW50/BP15的柔性测试图。(b) 智能手机的数码照片。(c) PDMS50/PW50、PDMS100/BP15和PDMS50/PW50/BP15用于手机热管理的温度-时间曲线和 (d) 红外热成像图片。

本工作以“Nacre-inspired flexible and thermally conductive phase change composites with parallelly aligned boron nitride nanosheets for advanced electronics thermal management”为题发表在复合材料类一区期刊Composites Science and Technology上。论文的第一作者为西南交通大学化学学院2022级硕士生黄子杰，通讯作者为西南交通大学化学学院祁晓东副教授和王勇教授。

祁晓东，副教授，硕士生导师，主要从事聚合物纳米复合材料、柔性相变储能材料的研究。主持国家自然科学基金青年基金、四川省科技厅重点研发项目等13项；以第一或通讯作者发表30余篇SCI论文，相关成果发表在Prog. Poly. Sci.、J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J等，ESI高被引论文3篇；授权国家发明专利5项，撰写英文专著章节1章，获2021年度四川省技术发明奖二等奖，入选2022年和2023年度斯坦福全球前2%科学家榜单。

王勇，教授、博士生导师、德国洪堡学者，主要从事结构/功能一体化先进高分子复合材料的研究。主持国家自然科学基金(5项)、教育部新世纪优秀人才基金、四川省青年科技创新团队、四川省科技厅重大成果转化项目、四川省杰出青年基金等项目30余项；在Prog. Poly. Sci.、Macromolecules等期刊发表论文300余篇，他引9000余次；授权发明专利24件。研究成果获得2021年度四川省技术发明二等奖、2018年度四川省自然科学二等奖、2006年度全国百篇优秀博士论文提名论文等。