研究背景
随着先进电子产品向集成化和小型化方向发展，解决运行过程中的瞬态热冲击和电磁干扰至关重要。相变材料可通过等温相变过程期间吸收和释放热量，在电子热管理领域展现出巨大潜力。然而，相变材料普遍存在液相易泄漏、导热性能差、功能单一等不足，限制了其在热管理领域的实际应用。
文章要点
受建筑框架的启发，本工作采用木材衍生的碳骨架(Carbonized wood, CW)作为“层”，原位生长的碳纳米管(Carbon nanotubes, CNTs)作为“柱”，构建了具有层柱结构的多孔载体(CW@Ni-CNTs), 进而封装聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)，制得相变复合材料CW@Ni-CNT/P。CW@Ni-CNTs 通过CW的微米级孔道和CNTs的纳米铆钉效应，确保PEG熔体的高效封装，CW@Ni-CNT/P在10 N应力下的尺寸维持率为94.3%，保持着优异的热机械稳定性。在碳化木材层间生长CNTs，有助于实现均衡的双向导热，其轴向和径向导热系数为0.60 W·m-1·K-1和0.56 W·m-1·K-1，轴向和径向分别提升了160.87%和143.48%。此外，微米级CW孔道中的多次反射、纳米级CNTs网络中的散射、以及氮掺杂和Ni纳米颗粒的界面贡献，使得CW@Ni-CNT/P的电磁屏蔽效能达到39.62 dB。结合PEG的高相变焓值和层柱结构赋予的双向热传导，CW@Ni-CNT/P相变复合材料在电子器件中表现出良好的热管理性能。
图文展示
图1. CW@ Ni-CNT/P的制备方法和多功能应用的示意图。(a) CW @ Ni-CNT/P的制备过程；(b) 多功能CW@ Ni-CNT/P的热机械稳定性、电磁屏蔽和热管理性能说明图。
图2. (a1, a2) CW@ Ni-CNT-700, (b1, b2) CW@ Ni-CNT-800和 (c1, c2) CW@ Ni-CNT-900的SEM表征图像; (d, e) CW@ Ni-CNT-700的EDS能谱面分布图及定量数据表征。
图3. (a-c) CW@ Ni-CNTs-700/P的SEM表征图像; PEG, CW/P和CW@ Ni-CNTs/P的 (e-f)在恒定压力下加热期间的尺寸保持率曲线和 (g) 在70 °C下泄漏的PEG的重量百分比 (wt. %); (h) CW@ Ni-CNTs/P的热机械稳定性机理图。
图4. PEG, CW/P和CW@Ni-CNTs/P的 (a, b) 冷却和加热过程中的DSC曲线; (c) 潜热值和 (d) 相变温度; CW@ Ni-CNT-900/P的 (e) 从多次DSC测试获得的热流图; (f) 相变焓和相变温度; (g) PEG和CW@ Ni-CNTs/ P的TGA曲线; PEG, CW/P和CW@Ni-CNTs/P的 (h) XRD图谱和(i)FTIR光谱。
图5. (a1,a2) PEG, CW/P和CW@Ni-CNTs/P的导热系数; (b1, b2) CW/P和CW@Ni-CNTs/P温度-时间曲线和 (c1, c2) 径向和轴向的实时红外热图像。
图6. CW/ P和CW@Ni-CNTs-700/P的 (a) 通过有限元分析模拟的瞬态热通量分布和 (b) 顶部中心的模拟时间-温度曲线; (c) 双向传热机制示意图。
图7. CW/P和CW@Ni-CNTs/P的 (a1,a2) X波段的EMI SET; (b1, b2) 平均EMI SE; (c1, c2) 功率系数和 (d) 径向和轴向的电导率; (e) CW@Ni-CNTs/P的EMI屏蔽机制图。
图8. (a) 用于测试热管理性能的器件示意图和图像; CW@ Ni-CNTs-900/P的 (b) 时间-温度曲线; (c) 在不同输出功率下的LED最高温度和 (d) 热冲击循环稳定性测试中的时间-温度曲线; (e) 多重热管理机制示意图。
本工作以“Hierarchical Wood-Derived Carbon Scaffold with Layer-Pillar Structure Enabling Thermomechanical Stability and Bidirectional Thermal Conductivity in Phase Change Materials”为题发表在中科院一区期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》 (IF:7.3)上。论文的第一作者为哆啦AV梦
2023级硕士生唐子承，通讯作者为哆啦AV梦
祁晓东副教授和王勇教授。
