由蒙脱石纳米片引导的高度有序水合盐复合材料，具有出色的热调节性能和阻燃效果

《Journal of Energy Storage》：Highly aligned hydrate salt composite directed by montmorillonite nanosheets for excellent thermal regulation and flame-retardant

　　

摘要

电子设备的集成与小型化要求高效的热管理及阻燃性能，以提高在高温环境下的安全性。本文通过自组装和冷冻干燥技术，利用二维蒙脱石纳米片引导制备出定向排列且多孔的气凝胶。随后将五水合硫代硫酸钠封装在气凝胶骨架中，形成水合盐复合材料。得益于定向排列和多孔的结构，这种具有高机械强度的复合材料具有较大的潜热、较高的热导率以及形状稳定性。应用于LED散热时，该复合材料能够将芯片温度降低72.2°C，并成功将温度控制在55°C以内。更重要的是，定向结构促进了不透水的盐层的形成，有效隔离空气和热量；同时非易燃的蒙脱石纳米片网络提供了强力支撑，加上水合盐的熱化學反應，使得材料在宽温度范围内具备出色的阻燃效果。这些优异的热管理与阻燃性能为提升电子产品的安全性提供了有力保障。

引言

电子元件的高度集成推动了现代电子产品的发展[1]。这一趋势带来了巨大的热量产生，给散热系统带来了挑战[2]。过热会导致电子元件故障，甚至引发燃烧或爆炸[3]。因此，具有热管理和阻燃性能的材料对于提高电子产品安全性至关重要。幸运的是，具有较大潜热且经济性良好的水合盐在被动热管理方面展现出了潜力[4]、[5]、[6]。更重要的是，水合盐在100至200°C之间的熱化學反應能够吸收大量热量，这对燃烧初期的阻燃效果至关重要[7]、[8]。

然而，纯净的水合盐在固液相变过程中会泄漏，并且热导率较低[9]、[10]。为克服这些问题，人们将高导热性的二维材料（如石墨烯）引入到水合盐复合材料中[11]。这些二维材料通常形成多孔骨架，有效提升热导率和防泄漏性能[12]、[13]、[14]。但导电填料会增加复合材料的导热性和电导率，同时降低其潜热。此外，基于碳的多孔骨架机械强度较低，在加载水合盐后会发生变形。大多数基于碳的填料（如石墨烯和碳纳米管）易燃，因此无法用于阻燃应用。

层状蒙脱石由极细的铝硅酸盐水合物晶粒组成，可通过超声波或球磨等简单机械方法剥离成纳米片[15]、[16]。蒙脱石纳米片（MMTNS）可通过亲水性聚合物交联，形成具有大比表面积、高机械强度和柔韧性的多孔气凝胶，是水合盐封装的理想候选材料[17]、[18]、[19]。此外，由于蒙脱石纳米片不可燃且能形成隔离层（如碳层），其在阻燃作用中也非常有效，可以延缓燃烧速度和有害气体的释放[20]、[21]。这种隔离层的形成通常发生在高温阶段（>300°C），弥补了水合盐在阻燃方面的局限性。

高度定向的结构为热传导提供了快速路径，从而显著提升热导率[22]、[23]。通过添加少量导电填料，基于定向排列和多孔骨架的水合盐复合材料可同时具备高潜热和高热导率。此外，蒙脱石纳米片的有序排列还能增强复合材料的稳定性，并促进不透水隔离层的形成，从而大幅提高阻燃效率。目前，已开发出多种方法（如定向干燥、模板导向和自组装）来制备定向排列和多孔的气凝胶[24]、[25]、[26]。其中，自组装方法无需模板和额外辅助手段，且可大规模生产产品。实际上，二维纳米片被用作骨架，促进了材料的各向异性生长[27]、[28]。在二维纳米片的引导下，自组装材料的生长方向可能得到进一步优化。

在二维蒙脱石纳米片的引导下，通过自组装和冷冻干燥技术制备出了高度定向排列且多孔的气凝胶（MMTNS/海藻酸钠/氧化石墨烯，简称SMSG）。随后将熔点约为50°C的五水合硫代硫酸钠（STP）封装在气凝胶骨架中，该材料在80至160°C范围内发生熱化學反應。这种柔韧且多孔的复合材料具有高机械强度，能够稳定存储大量水合盐STP，确保较大的潜热。由于高度定向的结构，其 plane 内热导率显著提高。凭借优异的综合热性能，SMSG复合材料（STP/MMTNS/海藻酸钠/氧化石墨烯）在LED散热应用中能有效降低芯片温度，并将其控制在目标范围内。更重要的是，定向结构促进了不透水盐层的形成，与不可燃蒙脱石纳米片网络和热化學反应共同作用，实现了宽温度范围内的阻燃效果。即使发生意外热失控，SMSG复合材料中的各组分也能协同作用，在宽温度范围内灭火，显著提高电子产品安全性。总之，这项研究基于经济实惠且可大规模生产的水合盐复合材料，同时实现了高温调节、热失控预防和阻燃效果，是过去定向相变材料复合材料的重大进步，为水合盐的高效利用和电子产品的高温安全提供了坚实的理论基础。

章节摘录

化学材料

蒙脱石（MMT，90%）购自中国湖南省的古 Zhang 山林实峪矿业有限公司。无水氯化钙（CaCl₂，AR级）、五水合硫代硫酸钠（STP，AR级）、十水合焦磷酸钠（SPD，AR级）和海藻酸钠（SA，AR级）购自中国上海的国药化学试剂公司。氧化石墨烯（碳含量58%，直径5–10 μm，厚度5 nm）购自中国广东省的科瑞纳米有限公司。

STP@MSG（SMSG）水合盐复合材料的制备

首先，取5克蒙脱石粉末……

SMSG复合材料的基本性质

通过超声处理得到的蒙脱石纳米片（MMTNS）尺寸小于1 μm（图S1），将其与氧化石墨烯（GO）和海藻酸钠（SA）混合，形成均匀溶液（图1a）。先前研究表明，厚度为100–200 nm的二维蒙脱石通常为多层结构[29]，这与我们的观察结果一致。在Ca²⁺的辅助下，MMTNS和GO通过海藻酸钠形成三维网络。有趣的是，由此形成了定向排列的气凝胶……

结论

在二维蒙脱石纳米片的引导下，通过自组装和冷冻干燥技术制备出了高度定向排列且多孔的气凝胶MMTNS/SA/GO（SMSG）。五水合硫代硫酸钠的封装使SMSG复合材料具备了较大的潜热（166.4 J/g）和高热导率（2.2497 W·m^?1·K^?1），以及形状稳定性。凭借优异的综合热性能，SMSG复合材料能将芯片温度降低72.2°C，并将LED温度控制在55°C以内

洪子阳：软件开发、方法论设计、数据整理、概念构思。雷北北：软件开发、方法论设计、数据分析。沈晓婷：方法论设计。廖顺莉：方法论设计。马佳宇：写作与编辑、初稿撰写、监督工作、资源协调、方法论设计、资金申请。

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项工作得到了中国国家自然科学基金（编号22108210）和湖北省人民政府地方科技发展项目（编号2025CSA015）的支持。

Ziyang Hong|Beibei Lei|Xiaoting Shen|Shunli Liao|Jiayu Ma|Miao Wang

中国武汉理工大学绿色高效磷资源开发国家重点实验室，武汉，430073