基于氨基化多壁碳纳米管封装相变微颗粒的电子器件热管理材料设计与光热转换性能研究

电子设备热管理面临相变材料(PCMs)导热性差、易泄漏等挑战。上海理工大学团队创新性地采用无乳化剂乳液聚合法结合高速剪切技术，制备出氨基化多壁碳纳米管(NH2-MWCNT)封装石蜡(PW)的相变微颗粒，其导热系数达2.90 W/(m·K)，光热转换效率97.1%，经1000次循环仍保持稳定。该研究为柔性电子设备在极端环境下的热管理提供了新材料解决方案。

　　

随着智能手机等便携式电子设备的普及，其高功率元件产生的热量严重影响性能与寿命。传统相变材料(PCMs)虽能通过相变潜热储能调温，但存在导热系数低（通常<0.5 W/(m·K)）、液态易泄漏两大痛点。更棘手的是，在寒冷环境下，设备既需要快速升温又需维持温度稳定，这对材料的导热性和光热转换能力提出了双重挑战。

上海理工大学的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表的研究中，受蚕茧结构启发，开发出一种"丝层"状复合相变微颗粒。他们摒弃传统乳化剂，通过高速剪切使NH₂-MWCNT（氨基化多壁碳纳米管）自发包裹石蜡(PW)，形成类似蚕茧的封装结构。这种独特设计既避免了聚合物外壳导致的导热衰减，又通过轴向排列的碳管构建了高效热传导网络。

关键技术包括：1）无乳化剂乳液聚合结合高速剪切制备核壳结构；2）通过氨基修饰增强碳管与PW的界面结合；3）采用流延成型法制备PVA基复合薄膜(PAMCF)。研究团队系统测试了不同NH₂-MWCNT含量样品的形貌、热物性和光热性能。

【结构与化学组成】
扫描电镜显示，当NH₂-MWCNT含量达15wt%时（PW@NH₂-MWCNT-3），PW被完全包裹形成直径约50μm的规整微球。FTIR证实氨基与PW形成氢键，XRD显示碳管轴向排列促进导热。

【热性能与循环稳定性】
最优样品导热系数达2.90±0.02 W/(m·K)，是纯PW的14.5倍。DSC测试显示相变焓保持158.7 J/g，经1000次冷热循环后仅衰减2.3%，远优于传统微胶囊材料。

【光热转换性能】
在1 kW/m²光照下，PW@NH₂-MWCNT-3表面温度10分钟内升至68°C，光热转换效率达97.1%。将其集成到锂离子电池组，可使-20°C环境下的放电容量提升19.6%。

【柔性复合薄膜应用】
PAMCF薄膜导热系数比纯PVA提高100%，弯曲500次后仍保持结构完整。在柔性电路板测试中，可使芯片工作温度降低8.3°C。

该研究突破性地将NH₂-MWCNT同时作为封装壳层和光热转换介质，实现了三大创新：1）通过仿生封装解决泄漏问题；2）构建轴向导热通道使热导率提升一个数量级；3）赋予PCMs主动光热加热能力。这种"储能-导热-产热"三位一体设计，为极端环境下的电子设备热管理提供了新范式，尤其适用于航空航天、极地装备等特殊领域。