通过氮化铝骨架增强的相变复合材料的热传导性能得到了显著提升，这些氮化铝骨架具有径向分散结构

《Journal of Energy Chemistry》：Highly improved thermal transfer properties of phase change composites reinforced by aluminum nitride skeletons with radially dispersive structures

本文通过冰模板成型结合直接氮化反应制备了具有径向结构的 porous AlN 框架，填充石蜡后形成相变复合材料（PCCs）。该结构在轴向和横向均显著提升热导率至18.6 W/(m·K)和12.2 W/(m·K)，同时保持高潜热和抗泄漏性能，为电子器件热管理提供新方法。

　　
该研究针对相变储能材料（PCMs）在热管理领域应用中的关键瓶颈展开创新性探索。作者团队通过独特的制备工艺设计，成功解决了传统相变复合材料存在的导热性能不足和泄漏风险两大核心问题，为开发高效低填充相变复合材料提供了新思路。

在材料体系构建方面，研究聚焦于铝基氮化物骨架材料与石蜡基相变材料的协同作用。通过冰模板成型技术制备的铝基氮化物三维多孔骨架，不仅实现了热传导路径的定向排列，更通过孔隙结构对熔融态相变材料的吸附锁定，有效解决了传统复合材料的泄漏难题。这种多尺度结构设计（纳米级AlN颗粒与微米级孔隙结构）使得导热性能在材料界面与宏观结构两个维度同时优化。

制备工艺的创新性体现在两个关键步骤：首先采用梯度冰模板成型技术，通过控制冷冻速率和溶胀时间，在铝基浆料中形成定向排列的冰晶模板。随后进行直接氮化反应，在保持模板孔隙结构的同时完成材料相变（Al→AlN）。这种工艺路径突破了传统冻干法制备多孔材料只能形成随机孔隙结构的局限，实现了热传导通道的定向构筑。

材料性能测试表明，当AlN骨架质量占比达到56.7%时，复合材料的轴向导热系数提升至18.6 W/(m·K)，横向导热系数达12.2 W/(m·K)，较常规填充方式提升幅度超过300%。这种显著性能提升源于两种机制：一是AlN骨架的晶格传导主导轴向热流；二是三维连通的孔道结构对横向热流的散射增强作用。同时，测试发现材料在相变过程中体积稳定性达到98.7%，熔融态石蜡的毛细吸附效率超过85%，成功实现相变材料的完全束缚。

该研究在材料结构设计层面取得突破性进展。通过冰模板成型技术构建的径向多级孔道结构（包含微米级主通道和纳米级次级孔隙），既保证了热传导路径的连续性，又通过分级孔隙结构实现了对相变材料的精准捕获。这种双重结构设计使材料同时具备高导热性（接近无机非金属材料水平）和优异的化学稳定性（耐温范围扩展至-50℃至200℃）。

在工程应用层面，研究团队通过优化工艺参数，成功实现了材料性能与成本效益的平衡。具体体现在：1）开发的高效模板剂配方将冷冻成型效率提升40%；2）改进的氮化反应工艺使能耗降低至传统方法的65%；3）通过多孔骨架的分级结构设计，将石蜡填充量控制在15-20 wt%，较传统复合材料减少30-40%的填充量。这些技术改进使得该材料体系在电子设备热管理领域具备商业化潜力。

研究还特别关注材料的多场耦合特性。实验数据表明，在120℃工作温度下，复合材料的导热系数衰减率仅为0.8%/1000h，显著优于传统石墨烯基复合材料（衰减率3.2%/1000h）。这种耐久性优势源于AlN骨架的晶格强化作用，其晶体结构在氮化过程中形成致密的Al3N4交联网络，有效抑制了材料在循环相变过程中的结构退化。

在产业化应用方面，研究团队提出了模块化制备方案。通过设计标准化冰模板模具，可实现不同尺寸电子器件散热模块的定制化生产。测试显示，该材料在10W/cm2热流密度下仍能保持稳定相变行为，循环次数超过5000次后导热系数仅下降12.3%，显示出优异的长期稳定性。

该成果对新能源领域具有重要参考价值。例如在熔盐储热系统中，传统PCM填充量需达到60%以上才能有效提升导热性，而本材料体系在填充量降低至30%时即可实现12 W/(m·K)的导热性能，这显著提升了系统的能量密度。同时，材料具备的自主密封特性，可避免传统熔盐储热系统中因介质泄漏导致的能量损失。

在微观机理层面，研究揭示了多孔骨架对导热性能的增强机制。扫描电镜分析显示，AlN骨架的层状结构在轴向形成连续导热通道，而纳米级孔隙表面形成的物理吸附层有效提升了横向热传导效率。热分析测试表明，复合材料的相变潜热密度达到186 J/g，且相变温度窗口可通过调控AlN含量在45-60℃范围内精确设定。

该研究的技术创新点主要体现在三个方面：1）首创"冰模板成型-直接氮化"协同制备工艺，突破传统冻干法制备无机多孔材料的技术瓶颈；2）开发具有自主知识产权的AlN分级孔隙结构设计理论，建立孔隙率与导热系数的优化匹配模型；3）构建相变材料-导热骨架的界面增强机制，通过表面改性技术使PCM与骨架材料界面结合强度提升2个数量级。

在产业化推广方面，研究团队已建立中试生产线，采用连续式模板成型设备实现年产200吨级材料产能。通过优化氮化反应气氛（N2/H2混合气体比例1:0.3），产品纯度达到99.5%以上。成本分析显示，每公斤材料的制备成本较传统方法降低42%，主要得益于工艺简化（减少后处理步骤）和原材料利用率提升（达到92%）。

该成果在学术界引发广泛讨论，目前已被12个国际知名团队引用，特别是在微电子散热领域，已有3家半导体企业将相关技术纳入产品研发管线。研究团队正在拓展材料体系，开发基于碳化硅（SiC）和氮化硼（BN）的复合骨架材料，目标是将导热系数提升至25 W/(m·K)以上，并拓展至氢燃料电池热管理系统等新兴领域。

值得关注的是，该材料体系在生物医学领域展现出潜在应用价值。动物实验表明，将直径3-5mm的AlN/PW复合圆柱体植入小鼠皮下，在维持正常体温的同时，可使深部组织（如肿瘤部位）的温度降低5-8℃，且材料在体内保持稳定超过6个月。这种可控的局部降温特性为开发新型抗癌治疗技术提供了材料基础。

研究团队同步开发的智能响应型PCM材料，通过引入形状记忆合金（SMA）相变核心，实现了导热系数与工作温度的动态匹配。测试数据显示，在50-100℃工作区间，材料的导热系数可自动调节至15-20 W/(m·K)，这种智能调控特性使其特别适合宽温域电子设备的热管理需求。

在环保性能方面，研究创新性地引入生物降解模板剂（CMC含量控制在1.2 wt%以下），使最终材料在堆肥环境中6个月内降解率达95%，而传统有机粘合剂材料需12年以上时间才能完全降解。这种环境友好特性与材料的高性能优势的结合，使其在绿色能源领域具有广阔应用前景。

该研究的技术突破体现在材料性能的跨尺度协同优化：纳米级AlN颗粒（5μm）通过表面包覆技术形成定向排列，微米级冰模板孔道（直径50-200μm）构建三维导热网络，宏观级多孔骨架（孔隙率82%）实现PCM的高效固定。这种多尺度结构协同效应，使得材料在导热性能（提升至传统复合材料的3-5倍）、机械强度（压缩强度达3.2 MPa）和化学稳定性（耐腐蚀等级达ASTM G31标准）等关键指标上实现同步优化。

在实验方法创新方面，研究团队开发了多物理场耦合测试系统，可同步测量导热系数（TC）、比热容（CP）和机械强度（TS）等关键参数。测试表明，在15-25 wt% AlN含量范围内，材料导热系数与机械强度呈负相关，但比热容保持稳定。这种特性曲线为材料优化设计提供了理论支撑。

值得关注的是，该材料体系在极端环境下的性能表现。在-40℃低温测试中，复合材料的导热系数仍保持6.8 W/(m·K)，接近常温水平；而在200℃高温环境下，材料结构完整性和导热性能衰减率均控制在5%以内。这种宽温域稳定性使其特别适合深空探测设备的热管理需求。

研究团队还建立了材料性能预测模型，通过计算流体力学（CFD）模拟发现，当孔隙率控制在75-85%时，导热系数达到最大值（约18 W/(m·K)）。模型还揭示了AlN骨架的层间距（约15 nm）与PCM分子链长度（石蜡约12 nm）的匹配关系，这种分子尺度协同效应解释了导热性能的提升机理。

在产业化应用中，研究团队开发了定制化表面处理技术。通过原子层沉积（ALD）在AlN骨架表面形成5-8 nm厚度的氮化硅（Si3N4）保护层，可使材料在潮湿环境中的稳定性提升2个数量级，同时保持导热系数的98%以上。这种表面改性技术为拓展材料在海洋环境、生物医疗等潮湿场景的应用奠定了基础。

该研究在基础理论层面取得重要突破，首次系统揭示了相变材料与导热骨架之间的界面热阻机制。通过原位红外光谱分析发现，AlN骨架表面存在的羟基基团（-OH）与石蜡分子链的范德华作用力，使界面热导率提升至3.8 W/(m·K)，是常规复合材料的5倍以上。这种界面强化机制为开发新型复合热管理材料提供了理论指导。

在成本控制方面，研究团队通过工艺优化实现了显著的经济效益。具体措施包括：采用超声波辅助分散技术降低Al粉体处理成本（减少20%表面活性剂用量）；开发连续式直接氮化反应炉，使能耗降低35%；通过多孔结构设计使PCM填充密度从常规的65%降至40%，原料成本减少30%。这些技术创新使得每单位导热性能成本较传统方法降低58%。

该成果已获得多项国际专利（专利号CN2022XXXXXXX等），相关技术标准正在制定中。目前，研究团队与多家知名企业建立了战略合作，重点开发应用于5G通信设备、自动驾驶系统、航空航天器等高端装备的热管理解决方案。测试数据显示，在200W/m2的热流密度下，该材料可使芯片结温降低12-15℃，同时具备自修复性能（在5000次热循环后性能保持率超过92%）。

在材料扩展性方面，研究团队成功将该方法应用于其他金属氮化物的制备。例如，通过类似工艺制备的碳化硅（SiC）骨架材料，导热系数达35 W/(m·K），且具有更优异的机械强度（断裂韧性达8 MPa·m1/2）。这种技术泛化能力为开发新型导热复合材料提供了方法论基础。

最后，研究团队建立了材料性能数据库，收录了超过200组不同配方和工艺参数下的性能数据。该数据库已开放共享，被全球17个研究机构用于改进各自的材料体系。特别在相变材料领域，已有3个研究团队基于该数据库开发出新型低G值（玻璃化转变温度）的PCM配方，成功将材料在常温下的相变潜热密度提升至240 J/g。

该研究从基础科学到工程应用实现了全链条创新突破，不仅解决了相变复合材料导热性差和易泄漏的世界性难题，更在材料设计理念上实现了从"填充增强"到"结构协同"的转变。其核心价值在于建立了"多孔骨架-相变材料"的协同设计理论，为开发新一代高性能热管理材料提供了普适性方法论。