蝴蝶翅膀启发的微纳层状固/孔交替结构：受限发泡过程的原位可视化与热调控机制研究

这篇研究通过微纳层状共挤出（MNL）技术结合物理发泡工艺，仿生构建了蝴蝶翅膀启发的聚碳酸酯（PC）/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）固-孔交替结构（17-513层）。原位可视化揭示了界面主导的成核机制和10 μm范围内的强空间限制效应，其中513层结构的太阳光反射率提升使温升比聚乙烯薄膜降低80%，热积累延迟时间延长至165秒（比天然蝶翅提升400%），其各向异性热导率可定向调控热传递路径，为电子器件热管理等领域提供了创新解决方案。

　　

蝴蝶翅膀启发的微纳层状结构设计

受鳞翅目昆虫Ulysses蝴蝶翅膀多尺度结构的启发，研究团队通过微纳层状（MNL）共挤出技术构建了聚碳酸酯（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）交替层状结构（17-513层）。这种仿生设计模拟了蝴蝶翅膀中刚性鳞片与多孔结构的协同布局，其中周期性排列的微孔（0.4-4 μm）可有效散射可见光至近红外光，与天然蝶翅的光子晶体结构功能相似。通过精确控制层厚（13-300 μm）和选择性发泡工艺，实现了对泡孔尺寸分布的精准调控。

受限发泡过程的原位可视化

创新性地采用蓝宝石视窗高压反应系统，首次实时观测到PC层对PMMA发泡行为的空间限制效应。研究发现：

1. 1.

   成核行为：界面异相成核占主导，PC/PMMA界面处的负压差（ΔP_local）使临界气泡半径（R_cr）减小，成核能垒（W_het）比体相成核降低30-50%

2. 2.

   生长限制：在界面10 μm范围内存在强限制区，129层样品（层厚20 μm）中观察到单排泡孔的特殊形貌

3. 3.

   泡孔演化：当层厚<20 μm时，气体扩散受限导致泡孔密度达10¹⁰ cells/cm³，比常规发泡提高2个数量级

热管理性能的突破性表现

在模拟太阳辐照测试中，513层仿生结构展现出卓越性能：

• •

  光热调控：太阳反射率93.5%，红外发射率91.2%，最大温升（ΔT）比PE薄膜降低80%，比天然蝶翅降低50%

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  延迟效应：达到半峰温升时间（t_1/2）延长至165秒，是传统三明治结构（40秒）的4倍

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  各向异性导热：厚度方向热导率仅29.7 mW·m^-1·K^-1，而面内方向保持连续PC层的高导热特性

机理分析与应用前景

研究揭示了三个关键作用机制：

1. 1.

   多界面光散射：PC/PMMA界面折射率差产生多重反射，513层结构的界面数量使光程增加15倍

2. 2.

   气孔限域效应：亚微米泡孔（0.4-2 μm）通过Mie散射有效阻挡400-2500 nm波段辐射

3. 3.

   热流定向调控：多孔PMMA层（孔隙率57%）与致密PC层交替构建"热二极管"结构

这种仿生设计为电子器件散热、建筑节能和航空航天热防护提供了新材料解决方案，其工业级共挤出生产工艺更具备规模化应用潜力。该工作首次通过原位实验验证了受限发泡的理论模型，为仿生功能材料的精确制备提供了新范式。