電子器件的“高溫綜合征”正成為科技發(fā)展的隱形殺手,手機(jī)頻繁過熱降頻、電動汽車電池包突發(fā)爆燃、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器因散熱不足宕機(jī)等,這些問題的核心癥結(jié)在于傳統(tǒng)熱管理材料的“先天缺陷”:盡管現(xiàn)有研究通過添加導(dǎo)熱或阻燃填料可局部優(yōu)化性能(如提升熱導(dǎo)率或降低燃燒速率),卻始終受限于被動防護(hù)模式,無法在熱量積累初期及時感知風(fēng)險并動態(tài)響應(yīng)。例如,當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部因瞬時電流沖擊產(chǎn)生微區(qū)高溫時,傳統(tǒng)材料僅能延緩熱量擴(kuò)散,卻無法像“智能哨兵”般通過可視化信號預(yù)警潛在火情。因此,開發(fā)一種集實時感知、快速導(dǎo)熱、主動防火于一體的智能復(fù)合材料,成為突破電子設(shè)備熱安全瓶頸的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
近期,上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)團(tuán)隊在前期研究的基礎(chǔ)上(Composites Science and Technology, 2025, 259: 110921;ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2024, 12, 17301;Chemical Engineering Journal, 2023, 473, 145417;International Journal of Biological Macromolecules, 2023: 129038;Composite Science and Technology, 2022,109758;Nano Energy, 2022, 100, 107513),從松果鱗片的分層互鎖結(jié)構(gòu)中獲得靈感,研發(fā)出一種仿生Janus材料,為電子設(shè)備穿上“智能鎧甲”-既能秒級感知危險,又能高效散熱,更能主動防火。松果鱗片能在濕度變化時自適應(yīng)開合,保護(hù)種子免受外界侵害。研究團(tuán)隊模仿這一結(jié)構(gòu),設(shè)計出“Janus互鎖”雙功能層。底層是3D幾何雪花圖案的PDMS骨架,通過真空浸漬MXene納米片形成“導(dǎo)熱高速公路”,高度互聯(lián)的三維MXene納米片框架,具有高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的阻燃性能,其熱導(dǎo)率提升680%;覆蓋層是熱致變色鈣鈦礦(MAPbBr?I?)通過機(jī)械互鎖嵌入骨架,溫度超閾值時觸發(fā)黃→橙→紅→黑的漸變預(yù)警,如同為設(shè)備安裝“溫度警報燈”。這種層次結(jié)構(gòu)設(shè)計在TIM應(yīng)用中顯示出巨大潛力,特別是在減少與微型化和高度集成電子設(shè)備相關(guān)的電氣火災(zāi)風(fēng)險方面。
圖1. PDMS/MXene/MAPbBrxIy復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備流程
實驗研究表明,得益于3D互鎖結(jié)構(gòu)中MXene骨架形成的連續(xù)導(dǎo)熱通道,連接到熱源的PDMS/MXene基層具有快速熱傳導(dǎo)能力。設(shè)計的互鎖結(jié)構(gòu)可通過相鄰高縱橫比脊柱之間的眾多脊柱-尖端接觸連接進(jìn)行靈敏的熱轉(zhuǎn)導(dǎo)。利用 MAPbBrxIy 的可變顏色的溫度依賴性,即不同的溫度梯度顯示不同的顏色,為可見溫度識別和熱警告提供了可行性。通過SEM觀察,MXene納米片在PDMS骨架表面形成致密的“魚鱗狀”互鎖網(wǎng)絡(luò),而MAPbBrxIy鈣鈦礦層則呈現(xiàn)均勻的顆粒分布。元素映射顯示,Ti元素(MXene)集中在骨架邊緣,Br元素(鈣鈦礦)均勻分散,證明功能單元在納米尺度上“各司其職”,卻又通過界面緊密結(jié)合,實現(xiàn)熱-化學(xué)信號的快速傳遞。
圖2. PDMS/MXene/MAPbBrxIy復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能
作者對復(fù)合材料的導(dǎo)熱/阻燃性進(jìn)行了一系列表征。傳統(tǒng)復(fù)合材料中,填料隨機(jī)分散,聲子傳播路徑曲折。而Janus材料的3D雪花骨架為MXene搭建了“直線跑道”,熱流傳播時間縮短。紅外熱成像顯示,其表面溫度15秒內(nèi)升至90 °C,又迅速降至45 °C,散熱速度快。當(dāng)火焰來襲,MXene網(wǎng)絡(luò)降解轉(zhuǎn)化為金紅石TiO2屏障,隔絕氧氣并催化成炭。錐形量熱測試顯示,熱釋放率峰值(PHRR)降低33%,殘?zhí)柯矢哌_(dá)90.3%,遠(yuǎn)超同類材料。更驚艷的是,垂直燃燒中材料20秒內(nèi)自熄且無熔滴,UL-94評級達(dá)到V-0,成為“電子設(shè)備的消防員”。
圖3. PDMS/MXene/MAPbBrxIy復(fù)合材料的阻燃及機(jī)理
此外,作者還通過溫度可視化測試評價互鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的溫度傳感能力。鈣鈦礦層的奧秘在于“熱致相變”:60 °C時Br/I比例變化引發(fā)晶格膨脹,導(dǎo)致吸收光譜紅移,顏色從黃漸變?yōu)楹凇嶒烇@示,1 wt%鈣鈦礦負(fù)載下,材料15秒內(nèi)完成變色,且循環(huán)多次性能無損,堪比“化學(xué)反應(yīng)型溫度計”。
圖4. PDMS/MXene/MAPbBrxIy復(fù)合材料溫度可視化
Janus 互鎖結(jié)構(gòu)賦予PDMS/MXene/MAPbBrxIy(3D)復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、阻燃性和敏感的溫度響應(yīng)特性,使其成為電子器件中有前途的熱界面層(TIM)。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域的溫度超過臨界作極限時,3D MXene框架會快速傳導(dǎo)熱能,通過鈣鈦礦相變誘導(dǎo)明顯的顏色轉(zhuǎn)變。同時,這種熱活化過程觸發(fā)的協(xié)同阻燃作用有效地阻止了燃燒的傳播,從而建立了針對電子系統(tǒng)中熱危害的雙重保護(hù)機(jī)制。在電池模組測試中,3 mm厚的Janus材料作為TIM,能夠使電池表面溫度降低19.1°C。紅外熱像圖與實時顏色變化同步顯示,材料在77 °C時變?yōu)?/span>橙色預(yù)警,同時MXene層快速導(dǎo)走熱量,阻止熱失控。這種“感知-響應(yīng)”閉環(huán),展示了智能熱管理的變革性方法。
圖5. TIM在電池組中的應(yīng)用
以上研究成果以“Bioinspired Janus Interlocked MXene/Perovskite-PDMS Composites for Integrated Thermal Visualization, Rapid-heat Dissipation, and Proactive Fire Safety in High-Power Electronics”為題發(fā)表于Composites Part B (DOI:10.1016/j.compositesb.2025.112615)。論文第一作者為上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士生楊旭,通訊作者為上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)副教授和李唯真教授。該研究獲得國家自然科學(xué)基金和上海市自然科學(xué)基金項目的支持,并感謝期刊編輯和審稿人對論文的幫助。
文章鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836825005165
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