通过多孔约束-收缩致密化的协同策略，构建具有相变性能的PI增强石墨烯网络材料，以实现优异的热管理效果

《Polymer》：Construction of PI-Enhanced Graphene Network Phase Change Materials for Thermal Management Performance via Synergetic Strategy of Porous Confinement-Shrinkage Densification

本研究提出基于3D限域驱动的石墨烯致密化策略，通过聚酰亚胺基体收缩效应构建PI/Gr/MS-PCM材料。该材料实现1.91 W/mK超高热导率（较PEG 4K提升516%），具备快速热响应（100秒内稳定）和优异稳定性，解决了传统相变材料导热与稳定性矛盾问题，适用于5G芯片等高功率电子设备。

　　在现代科技迅速发展的背景下，电子设备的性能和可靠性日益受到关注。随着智能手机、平板电脑和高性能计算机等产品的广泛应用，这些设备已成为社会运作的重要基础设施。电子组件的性能直接影响到整个系统的运行效率，因此，实施有效的热管理策略对于保障设备稳定运行、提升整体性能以及延长使用寿命至关重要。面对电子设备不断增长的发热需求，传统的热管理方法已显现出局限性，尤其是在高功率电子器件的应用中。因此，寻找高效、稳定且易于规模化生产的热管理材料成为当前研究的重点。

相变材料（Phase Change Materials, PCMs）因其在吸热和释热过程中的高效性，被广泛应用于电子设备的热管理领域。然而，现有的相变材料在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，传统的固-液相变材料（Solid-Liquid PCMs, SLPCMs）往往存在相变泄漏和热导率低等问题，这限制了其在高精度电子系统中的应用。为了解决这些问题，研究者们提出了多种改进策略，包括构建三维多孔骨架以封装相变材料，以及开发固-固相变材料（Solid-Solid PCMs, SSPCMs）。其中，三维多孔骨架可以通过毛细作用有效降低泄漏风险，而固-固相变材料则通过分子链设计避免了泄漏问题。聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）作为一种常见的SSPCM，因其高潜热、无毒性和可调节的相变温度而受到青睐。然而，这些材料在热传导效率和温度响应速度方面仍存在不足，影响了其在实际应用中的表现。

为了克服传统相变材料在热传导效率和温度响应速度方面的局限，研究者们开始探索将高导热性填料与相变材料结合的策略。这类策略通常涉及将碳纳米管、金属纳米颗粒等高导热性材料与相变材料复合，以构建高效的热传导网络。这种方法不仅保留了相变材料的能量存储优势，还通过界面热传导通道加速了热量的扩散，从而显著提升了热管理系统整体的性能。其中，石墨烯（Graphene, Gr）因其独特的二维碳结构和极高的理论热导率（高达5300 W/mK），成为提升相变材料热导率的理想选择。然而，尽管石墨烯具有优异的导热性能，但其在复合材料中的应用仍面临一些挑战，如填料取向不均导致热导率受限、材料在高温下的结构稳定性不足，以及复杂的加工工艺需要外部场力（如磁力对齐）等。

针对上述问题，本研究提出了一种基于热收缩效应的自组装策略，即“三维约束驱动石墨烯致密化”（3D confinement-driven graphene densification）。该策略通过利用聚酰亚胺（Polyimide, PI）基体的热收缩特性，使石墨烯片层在三维空间中紧密排列，从而构建出连续的热传导网络。同时，通过三维约束结构，实现了对相变材料的高效封装，提升了材料的结构稳定性和热管理性能。该方法的优势在于其无需复杂的外部场力即可实现填料的有序排列，且具有较低的加工成本和较高的可扩展性，为大规模生产提供了可行的路径。

具体而言，该研究采用了一种分层结构设计，将石墨烯、聚酰亚胺和氨基甲酸酯海绵（Melamine Sponge, MS）有机结合，构建出一种新型的相变材料——PI/Gr/MS-PCM。其中，氨基甲酸酯海绵作为三维多孔骨架，为石墨烯片层提供了足够的空间进行排列和相互连接。而聚酰亚胺则作为支撑骨架，通过其高强度、高模量、耐高温和抗化学腐蚀等特性，确保了材料在高温环境下的结构稳定性。通过这种协同作用，材料不仅实现了优异的热导率（1.91 W/mK，比原始PEG 4K高516%），还具备较高的相变潜热（67.52 J/g）、快速的热响应能力（在100秒内达到稳态）以及出色的稳定性。这些性能的综合提升，使得该材料在高功率电子设备的热管理中展现出广阔的应用前景。

本研究通过实验验证了所提出的策略的有效性。在复合材料的制备过程中，首先通过透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）对石墨烯的剥离质量和微观结构进行了表征。结果显示，石墨烯片层具有良好的分散性和结晶性，且其层间结构保持完整。随后，通过热缩聚反应使聚酰亚胺基体发生收缩，从而将石墨烯片层紧密排列，形成连续的三维热传导网络。这种网络不仅减少了界面热阻，还显著提升了材料的热导率。此外，通过极性基团（如-C=O和-NH-）的相互作用，聚酰亚胺骨架与石墨烯片层之间形成了增强的界面，从而进一步提升了材料的热传导效率和结构稳定性。

值得注意的是，该材料的设计理念不仅解决了传统相变材料在热导率和高温稳定性方面的矛盾，还为热管理材料的开发提供了一种新的思路。通过“约束诱导-热缩致密化-网络互联”的多尺度优化策略，本研究成功构建了一种兼具高热导率和高相变潜热的复合相变材料。这种材料在应对瞬态热冲击时表现出优异的热重分布能力，能够实现热传导与能量存储之间的动态平衡。这一成果不仅在高功率电子设备（如5G芯片和电动汽车逆变器）中具有重要应用价值，还为航空航天、能源存储系统等先进科技领域提供了新的材料选择。

本研究的创新之处在于其巧妙地利用了聚酰亚胺的热收缩特性，通过自组装的方式实现了石墨烯片层的致密化排列。这一过程无需外部场力的干预，简化了材料的制备流程，降低了生产成本。同时，通过构建三维约束结构，材料在高温环境下的稳定性得到了显著提升，使其能够在极端条件下保持良好的性能。此外，该材料的热导率和相变潜热均达到了较高的水平，显示出其在热管理领域的广泛应用潜力。

从应用角度来看，这种新型相变材料不仅适用于电子设备的散热管理，还可以拓展到其他需要高效热管理的领域。例如，在航空航天领域，设备在极端温度环境下运行，对热管理材料的稳定性和导热性能提出了更高的要求。而在能源存储系统中，相变材料被广泛用于热能的储存与释放，提升系统的整体效率。因此，本研究提出的“三维约束驱动石墨烯致密化”策略，为这些领域的热管理材料开发提供了新的思路和技术支持。

此外，本研究还强调了材料设计的多尺度优化策略。在微观尺度上，通过石墨烯片层的致密化排列，构建出高效的热传导网络；在介观尺度上，利用氨基甲酸酯海绵的三维多孔结构，实现了对相变材料的封装和约束；在宏观尺度上，聚酰亚胺骨架提供了足够的机械强度和结构稳定性，确保了材料在复杂环境下的可靠性。这种多层次的优化设计，使得材料在性能和应用范围上都得到了显著提升。

综上所述，本研究提出了一种创新的材料设计策略，成功解决了传统相变材料在热导率和高温稳定性方面的技术瓶颈。通过构建一种兼具高热导率、高相变潜热和良好稳定性的复合相变材料，该研究为高功率电子设备的热管理提供了新的解决方案。同时，这一策略也为其他需要高效热管理的领域，如航空航天、能源存储等，提供了重要的技术参考。未来，随着相关技术的不断成熟，这种新型相变材料有望在更广泛的应用场景中发挥重要作用，推动热管理材料领域的进一步发展。