界面优化的细菌纤维素/氮化硼纳米片/MXene复合材料实现超高导热与光热转换性能

为解决聚合物基导热复合材料(PTCs)中填料-填料界面热阻(ITR)限制导热性能的难题，研究人员通过原位银纳米颗粒修饰氮化硼纳米片(Ag@BNNS)构建三维"枝-叶"结构网络，开发出导热系数达18.5 W m?1 K?1的BC/BNNS/MXene复合薄膜。该材料使智能手机工作温度降低4.4°C，并展现96.3%的光热转换效率，为微电子散热和太阳能利用提供创新解决方案。

　　

随着5G通信和微电子器件向微型化、高集成度发展，热管理已成为制约技术进步的瓶颈。聚合物基导热复合材料(PTCs)虽具有轻质、易加工等优势，但普遍存在导热系数低(<1 W m^?1 K^?1)的缺陷。更棘手的是，传统填料如氮化硼纳米片(BNNS)在聚合物基体中易形成"孤岛效应"，填料-填料间的界面热阻(ITR)严重阻碍声子传输。尽管研究者通过优化填料-基体界面取得进展，但ITR对导热网络的破坏机制仍不明确。

陕西科技大学的研究团队在《Journal of Materials Science》发表创新成果，提出"界面二次优化"策略。通过液相剥离获得胺基化BNNS，并采用原位化学还原法构建银纳米颗粒修饰的"点-面"异质结构(Ag@BNNS)，结合细菌纤维素(BC)桥接和MXene多功能填料，制备出具有"枝-叶"层级结构的复合薄膜。关键技术包括：液相剥离制备BNNS、原位银纳米颗粒生长、真空辅助过滤自组装技术，以及基于第一性原理计算的界面热阻模拟。

【材料表征】
FTIR和XPS证实Ag@BNNS成功制备，SEM显示银纳米颗粒均匀分布于BNNS表面形成"砖-瓦"结构。当Ag@BNNS填充量达30wt%时，MBAg30薄膜形成连续三维导热网络，银结点作为"热传输关节"显著降低接触热阻。

【导热性能】
热导率测试显示复合材料导热系数达18.5 W m^?1 K^?1，较纯BC提升402.7%。第一性原理模拟证实，银结点通过增强声子耦合使界面热导提升3.2倍。实际应用中，该薄膜使智能手机芯片温度从33.4°C降至29.0°C。

【光热转换】
得益于MXene的局部表面等离子体共振(LSPR)效应，复合材料在100 mW cm^?2光照下表面温度达83.6°C，转换效率96.3%。经7次循环仍保持稳定，在农业温室除冰实验中展现应用潜力。

该研究通过"界面优化-结构设计-功能集成"的创新路线，突破传统PTCs性能瓶颈。Ag@BNNS异质结构实现从"面-面"到"点-面"的接触模式转变，MXene的引入赋予材料多场耦合功能。这种"枝-叶"仿生结构为开发智能热管理材料提供新范式，在电子散热、光热诊疗等领域具有广阔前景。研究获得陕西省自然科学基础研究计划(2025JC-YBMS-479)和国家重点实验室开放课题(sklpme2024-1-30)支持。