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高效散热与电磁屏蔽新突破：2.92W/mK热导率的纤维素基复合材料

文章来源：贤集网更新时间：2024-09-29 15:31:38

在当今科技飞速发展的时代，电子设备的小型化和集成化趋势愈发明显，对高性能材料的需求也日益迫切。近日，西北工业大学周永存教授及其团队成功研发出一种纤维素基复合材料，为电子设备的热管理和电磁屏蔽问题提供了创新解决方案。

一、创新成果：纤维素基复合材料的卓越性能

西北工业大学周永存教授及其团队精心研发的纤维素基复合材料，这种纤维素基复合材料本质上是一种极具创新性的复合薄膜。其热管理能力堪称卓越，最大热导率达到了令人瞩目的 2.92W/mK。这一出色的热导率数值，意味着该材料在热传导方面具有极高的效率，能够迅速将热量从热源处传导出去，为电子设备等发热元件提供了高效的散热解决方案。

为了实现如此优异的性能，团队通过精心调整 MXene、银纳米线（AgNWs）以及空心四氧化三铁的比例，在复合薄膜中巧妙地构建出导电 - 磁结构的梯度分布。这种独特的结构设计，使得材料在面对电磁波时，能够充分发挥各组分的优势，极大地提高了对电磁波的吸收效果和屏蔽效果。

其中，MXene 作为一种二维过渡金属碳 / 氮化合物，凭借其独特的层状结构、可与金属媲美的导电性以及丰富的表面官能团，为材料的导电性能和电磁屏蔽性能奠定了基础。银纳米线具有较高的长宽比、优异的导电性和导热性，为材料的热传导和电磁屏蔽增添了强大的助力。而空心四氧化三铁则为材料带来了磁性特性，进一步增强了对电磁波的吸收和屏蔽能力。

多维粒子的协同效应在这种复合材料中发挥得淋漓尽致。各组分之间相互配合，不仅能够有效地降低界面热阻，使得热量能够更加顺畅地在材料内部传导，而且还极大地提高了热传导效率。这种协同效应使得该材料在热管理方面表现出了卓越的性能，能够为电子设备提供稳定而高效的热传导路径，有效解决电子设备在工作过程中因发热而导致的温度过高问题，从而显著提高设备的处理速度和稳定性。

在电磁屏蔽方面，这种复合材料同样表现出色。导电 - 磁结构的梯度分布使得电磁波在材料内部形成多重反射和吸收，极大地增强了对电磁波的屏蔽效果。无论是来自电子设备内部的电磁干扰，还是外部环境中的电磁波辐射，该材料都能够有效地进行屏蔽，为电子设备的正常运行提供了可靠的保障。

二、广泛应用：多领域展现强大实力

（一）电子设备领域

随着智能手机、笔记本电脑、服务器和数据中心的中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）性能的不断提升，散热问题愈发重要。这种复合薄膜可以作为良好的热管理材料，为电子设备提供有效的热传导路径，解决工作温度过高的问题，提高处理速度和稳定性。

（二）航空航天领域

在航空航天领域，设备的轻量化和高效能至关重要。航空航天设备在运行过程中会产生大量热量，并且对电磁干扰非常敏感。该复合薄膜可用于飞机和卫星内部，提供高效的热管理和电磁干扰屏蔽。

（三）柔性电子领域

在柔性显示屏、柔性传感器和柔性能源存储设备中，需要既轻又薄的材料来提供热管理和电磁屏蔽。这种复合薄膜恰好满足这些应用需求，为柔性电子领域的发展提供了新的可能。

（四）可穿戴健康监测设备领域

在智能纺织品领域，轻质、柔性且具有多功能的电子纺织品需求日益增长。这种材料可用于可穿戴的健康监测设备，提高设备的准确性和舒适性，同时减少外部电磁干扰对设备性能的影响。

三、研发背景：应对电子设备发展挑战

随着 5G 通信技术的普及与发展，电子设备在高功率运行时产生的电磁干扰和热量积累等问题日益严重。这些问题不仅会严重影响精密电子设备的工作寿命，同时也会对人体健康产生巨大危害。

传统的铜和银等金属材料虽然具有高导热和高导电性，具备良好的电磁屏蔽性能和散热功能，但随着电子设备的逐渐小型化、轻量化和便携化，其密度高、柔韧性能差、耐腐蚀性低等缺点严重制约了在电子设备等新兴领域的实际应用。

而导电聚合物复合材料凭借重量轻、机械柔性高、耐腐蚀性好、加工成本低等优势，成为替代金属材料作为电磁屏蔽材料的理想选择。MXene 作为一种二维过渡金属碳 / 氮化合物，凭借独特的层状结构、可与金属相媲美的导电性以及丰富的表面官能团，在储能、海水淡化、电磁干扰屏蔽等方面得到广泛应用。

四、研发历程：精心探索与突破

为了解决现有电磁屏蔽材料在小型化、轻量化电子设备中应用受限的问题，并提高材料的热管理能力，周永存教授团队通过分析现有材料的局限性，厘清了电子设备在热管理和电磁干扰屏蔽方面的需求和挑战，制定了详细的研究计划。

他们选择使用 MXene、银纳米线、空心四氧化三铁和碳纳米纤维作为初始材料，通过调整材料的组成和结构，实现了导电 - 磁性双梯度结构。分别制备了导电填料二维 MXene、一维银纳米线和空心磁性填料四氧化三铁等材料，然后使用碳纳米纤维作为复合薄膜基体，通过逐层真空辅助抽滤工艺，制备出含有三层梯度结构的复合薄膜。

针对各种材料，课题组通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X 射线衍射仪、X 射线光电子能谱等表征手段进行微观结构表征，并对复合薄膜的热导率、电导率和电磁干扰屏蔽效能进行性能测试。

目前，该复合薄膜电磁屏蔽效能达到 45dB，能够满足商用电磁屏蔽的目标值（20dB），但在一些特定场所仍需进一步提高其电磁屏蔽效能。为此，团队计划通过实验针对 MXene、银纳米线和四氧化三铁的形态、尺寸和表面改性进行调整，并优化导热性能，降低多种不同粒子界面处的界面热阻。

同时，团队还将针对复合薄膜进行长期耐久性和稳定性测试，包括机械稳定性、耐化学性和耐热性测试，以确保其在实际应用环境中的性能表现。此外，他们将研究如何将实验室规模的制备工艺扩展到工业规模生产，涉及材料合成、薄膜制备和性能测试的规模化以及成本效益分析等。

西北工业大学周永存教授团队研发的纤维素基复合材料，为电子设备的热管理和电磁屏蔽问题带来了新的突破，有望在多个领域发挥重要作用，推动科技的不断进步。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_558756.html
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