通过逐层组装方法制备的柔性相变/光热复合薄膜，用于实现双模式热管理

《Journal of Materials Science & Technology》：Layer-by-Layer assembled flexible phase-change/photothermal composite films for dual-mode thermal management

　　

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  开发出一种具有太阳能到热能转换功能的柔性复合相变材料（PCM）薄膜。
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  该薄膜采用PCM层和导热层交替堆叠的夹心结构。
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  该薄膜具有高导热性能和高潜热。
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  该薄膜具备良好的抗热冲击性能，并能有效管理电池热量。
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  阐明了这种夹心薄膜的各向异性导热机制。

引言

如今，随着新一代电子设备的小型化和功率水平的提高[1]，设备在运行过程中会产生大量热量，这不仅会降低性能[2,3]，还会缩短使用寿命，并带来严重的热失控风险[4,5]。如果热量不能及时散发并持续积累，可能会导致严重的安全隐患，包括火灾、爆炸和财产损失[6,7]。因此，开发高效的热管理系统对于电子设备至关重要[8,9]。

相变材料（PCMs）在相变过程中能够吸收和释放大量热量[10],[11],[12]，具有保持近乎等温状态和防止目标设备过热的显著优势[13],[14],[15],[16]。然而，诸如液体泄漏和低导热性（TC）等固有的缺陷限制了大多数固液相变材料（PCMs）的广泛应用[17],[18],[19]。通过多孔基质吸附[20],[21],[22]、静电纺丝[23],[24],[25]和微胶囊化技术[26,27]等方法，可以有效封装或稳定PCM，从而缓解能量存储和释放过程中的损耗、泄漏和腐蚀问题[28]，为PCM提供有效的保护[29],[30],[31]。顾某[32]等人通过将聚乙烯二醇真空浸渍到海藻酸钠-硅气凝胶中制备了一种新型复合PCM。泄漏测试显示，8小时后的泄漏率仅为2.9%，证实了其有效的封装效果。在5°C的放电速率下，这种夹心结构有效降低了约8.8°C的温度。冯某[33]等人制备了一种核壳异质结构复合PCM，即使在85°C的长时间加热下也能保持结构完整性且无泄漏现象。由于该材料具有快速导热（0.67 W m^?1 K^?1）和高储热能力（120.6 J g^?1）的双重机制，不仅可以降低温度峰值，还能使CPU的热量转换更加平稳和稳定。总之，这些封装策略通过保护PCM免受外部影响，确保了其长期的有效性和循环稳定性[34],[35],[36],[37]。

然而，传统的复合PCM通常具有脆性且机械强度不足，这严重限制了它们在电子设备热管理中的应用[38,39]。柔性PCM可以有效解决这些问题，适用于柔性电子设备的热管理[40],[41],[42]。因此，迫切需要开发柔性PCM，以探索其在高度集成芯片应用中的广泛潜力。刘某[43]等人使用石蜡和各种导热填料制备了一种双层柔性PCM（FPCM），用于电池热管理。该FPCM具有较高的机械强度（4.0 MPa），在5°C的放电速率下可将温度控制在46.9°C。范某[44]等人将氮化硼/碳纳米管混合体嵌入到石蜡/聚二甲基硅氧烷基质中，制备了一种新型聚合物基PCM（PPBC）。电池热管理测试表明，PPBC可使设备工作温度降低10°C至30°C以上。然而，设计和制造同时具备稳定相变性能、高储热能力、高效光热转换和良好机械性能的柔性PCM薄膜仍然是热管理研究中的一个重大挑战[45],[46],[47],[48]。

在此，我们开发了一种具有各向异性夹心结构的柔性多层相变复合材料（APM），实现了可逆相变与可持续太阳能加热的双模式热管理系统。首先，通过原位聚合合成微胶囊化的相变材料（MPCM），并对其进行表面修饰，得到改性的MPCM（Ag@MPCM）。改性的MPCM具有约173.5 J g^?1的熔化熵和超过73.22%的封装率，银壳有效降低了界面热阻。随后，采用层叠（LBL）组装技术制备了APM复合材料，由MXene-聚（乙烯醇）（标记为P层）和Ag@MPCM-MXene-羧甲基纤维素（标记为N层）交替组成，如图1所示。P层既作为坚固的机械支架，又作为超快面的热传导网络；N层作为热能存储区域，Ag@MPCM提供潜热存储能力。凭借这种各向异性的协同作用，所得的APM架构在缓冲瞬态热冲击方面表现出优异性能。总体而言，该复合材料具备快速的热传递和响应能力，满足了高效收集、存储和利用太阳能光热能的严苛要求，使其成为先进电子设备热管理领域的极具前景的候选材料。

章节摘录

MPCMs的形态和微观结构

采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析了MAX、MXene、MPCM和Ag@MPCM的微观结构。如补充材料中的图S1所示，MXene是通过选择性蚀刻工艺合成的[49]，具体细节见我们之前的研究[50,51]。图S2(b)显示了明显的层状结构，证实了Ti₃C₂T_X纳米片的成功制备。原子力显微镜（AFM）显示其厚度约为2.6 nm（图2(d)）。

结论

在本研究中，通过LBL组装技术合成和制备了APM薄膜。研究了Ag@MPCM和MXene掺量对APM相变储热、抗拉强度和导热性（TC）的影响。合成的Ag@MPCM具有规则的球形结构、明显的核壳结构以及狭窄的尺寸分布。此外，通过交替组装MXene-PVA和Ag@MPCM-MXene-NaCMC，实现了各向异性热功能材料的可控构建。

数据 availability

数据可根据需求提供。

CRediT作者贡献声明

范周：撰写 – 原稿撰写、验证、方法学设计。马艳琪：撰写 – 审稿与编辑、数据整理。赵文通：验证、研究、概念构思。张莉：资源协调、项目管理。陈颖：资源提供、研究支持。盛欣欣：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。

致谢

本项目得到了中国国家自然科学基金（编号52436003）、云南省重大科技专项（编号202602AB080041）和广东省基础与应用基础研究基金（编号2023A1515011985）的支持。盛欣欣感谢梅州市2025年“虹雁计划”对顶尖人才的支持。

范周|马艳琪|赵文通|张莉|陈颖|盛欣欣