天津大学封伟团队《AFM》：仿蒲公英结构微球实现高效动态界面热管理

摘要：随着微纳电子器件热功率密度的迅速增长，尤其是柔性电子、航空航天等领域对设备在动态、振动环境下稳定运行的要求日益严苛，开发兼具高导热与优异机械柔顺性的热界面材料（TIMs）已成为科学和工业界的研究热点。然而，目前已报道的弹性热界面材料的导热效率远未达到预期，核心

随着微纳电子器件热功率密度的迅速增长，尤其是柔性电子、航空航天等领域对设备在动态、振动环境下稳定运行的要求日益严苛，开发兼具高导热与优异机械柔顺性的热界面材料（TIMs）已成为科学和工业界的研究热点。然而，目前已报道的弹性热界面材料的导热效率远未达到预期，核心矛盾在于复合材料的高导热率（κ）与软弹性难以兼顾。高κ依赖声子在有序的刚性晶体（如石墨烯、氮化硼）中高效传递，需要建立完整的导热通路。而软弹性则源于聚合物长链分子无规缠绕形成的非晶态结构，弱键合和分子链的滑移能力赋予了材料软弹性和可变形性。引入高导热填料会导致高界面热阻，且为形成有效导热网络常需高填充量，刚填料性网络会限制聚合物分子链的运动，使材料硬化，损害弹性，甚至导致界面脱粘和填料网络断裂。

近期，天津大学封伟教授领导的FOCC团队受自然界中蒲公英径向结构启发，设计并制备了一种负载液态金属的石墨烯气凝胶微球（LMGS），成功构建出兼具高导热、超柔软、抗泄漏和动态稳定性的仿生热界面材料（HLMGS/E）。该材料以径向排列的石墨烯气凝胶为“骨架”封装液态金属微粒，这种仿生径向结构可以实现热量的快速与各向同性扩散。同时，微球化的策略解决了传统连续气凝胶难以被聚合物完全浸润、界面结合差的难题。这项研究以“Dandelion-Inspired Radial Oriented Microspheres for Dynamic Interface Thermal Management”为题发表在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上。天津大学博士生何青霞为该论文第一作者，天津大学封伟教授和秦盟盟教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金重点项目和国家重大科研仪器研制项目的支持。

如图1所示，通过微纳结构工程与微流控辅助冰模板法，制备出具有类似径向结构的LMGS微球。在该结构中，石墨烯纳米片从微球核心向外呈放射状有序排列，形成了连续的二维导热通路；液态金属纳米颗粒则被均匀地锚定在石墨烯片层上，二者通过羧甲基纤维素的桥接作用稳定结合。多尺度的LMGS微球基元与软弹性Ecoflex复合构筑了HLMGS/E复合材料。LMGS微球基元与Ecoflex高分子基体软-硬相界面机械互锁，协同形成高效的应力缓冲体系与高导热传输路径，实现了复合材料高导热、低模量与低接触界面热阻。因此，复合材料在高频振动条件下能维持稳定贴合热源，并对不规则表面展现出色适应能力，适用于复杂工况的界面热管理。

图1 受蒲公英径向结构启发的LMGS微球仿生设计示意图及基于LMGS柔软弹性导热复合材料的热管理应用。

如图2所示，相比于连续气凝胶复合材料（LMGA/E）及随机取向复合材料（RLMG/E），微球气凝胶的渗透路径更短与穿透阻力更低，LNGS之间通过聚合物链紧密互联，形成机械互锁界面。复合材料具有优越的机械柔顺性，具备超低模量（502.8 kPa），高回弹性（40%应变下压缩100次，恢复率94.7%）。并且断裂伸长率为其断裂伸长率达到95.0%，韧性增加至273.1 kJ m-3，能紧密贴合不规则界面。与此同时，其兼具强大的动态稳定性：在振动、弯曲、拉伸等动态机械应力下，材料能保持稳定的结构且无液态金属泄漏，确保了长期使用的可靠性。

图2 HLMGS/E复合材料的力学性能。

受蒲公英种子径向排布结构启发，通过构建石墨烯/液态金属径向排布导热网络通路，显著提升热扩散效率，有效抑制局部过热现象。采用有限元分析法模拟了LMGS微球内填料网络的径向排布与网格分布结构对热传输效率的影响规律，发现填料的径向分布可显著提升填料-聚合物体系的热传递效率。如图3所示，基于仿生径向导热微球的高效热扩散效率及在基体材料中呈现高度紧密堆积，HLMGS/E复合材料具有优异的导热性能：κ高达6.64 W m⁻¹ K⁻¹，其specific （/vol%）达到了的11.1 W m⁻¹ K⁻¹/vol%，远超传统随机分散及模板法制备的液态金属基复合材料，成功实现了填充型复合材料高导热与低模量的兼顾。

图3 HLMGS/E复合材料的导热性能

如图4所示，HLMGS/E复合材料在模拟真实工况的测试中展现出巨大应用潜力。在高频振动与不规则界面环境下，其散热性能显著优于商业化的Laird Tflex 700和硬质石墨板，平均温度更低且温度波动极小。在静态液冷板散热系统中，它能使热源表面温度降低62.9 °C，冷却效率比商用材料提升了46.5%。HLMGS/E复合材料的界面接触热阻为Rc=14.2 K mm2-1，仅为Larid Tflex 700的49.7%。在经历约3000次热冲击循环后，HLMGS/E的热管理体系的最高温度和最低温度的波动范围仅为2.6 °C和2.8 °C，证明HLMGS/E具优异的热传导稳定性，其具有作为电子器件热管理系统中TIMs的优异潜力。

图4 HLMGS/E复合材料在静态及动态界面热管理的应用。

通讯作者简介：

秦盟盟，天津大学教授、博士生导师、中国复合材料学会导热复合材料分会秘书长、国家级青年人才，获得中国复合材料学会青年科技奖，入选中国科协青年人才托举工程。主要研究面向器件装备热管理的软弹性导热高分子复合材料，研究成果在Advanced Materials等期刊发表SCI论文50余篇，授权国内外发明专利20余项。主持国家级项目10余项，获得教育部技术发明奖、中国复合材料学会科学技术奖、天津市自然科学奖、技术发明奖等省部级一等奖5项。

封伟，天津大学二级教授、博士生导师。国家“万人计划”科技创新领军人才、国家杰出青年基金获得者，科技部中青年创新领军人才, 天津市杰出人才，天津市海河英才，天津市首批“131”创新型人才团队负责人，英国皇家化学会会士（FRSC），日本学术振兴委员会JSPS高级访问学者，享受国务院政府特殊津贴专家，某领域重点专项首席科学家。任第七届、第八届教育部科技委学部委员、中国复合材料学会常务理事、导热复合材料专委会首任主任委员、分会会长；中国机械工程学会材料分会高分子材料专业委员会委员，中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事、纤维材料改性与复合技术分会常务理事、SAMPE中国大陆总会智能复合材料专委会副主任委员等职。主要从事功能有机碳复合材料，高导热复合材料，光热能转换存储材料，高性能氟化碳材料以及智能响应功能复合材料方向研究，研究成果在Chem. Soc. Rev.、Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed等期刊上发表文章280余篇、出版中文学术专著1部、英文专著5部、授权中国发明专利80余项，授权国际专利5项。连续五年入选美国斯坦福大学全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力”和“年度科学影响力”榜单，入选国际学术机构ScholarGPS的2024年全球前0.05%顶尖科学家榜单（近五年）。获得教育部、天津市、中国复合材料学会等省部级自然科学奖、技术发明奖等一等奖5项。担任《塑料工业》、《功能高分子学报》、《Thermo-X》、《Engineering Science》、《Nanomaterials》、《Energy Materials》、《Smart materials and Devices》等期刊编委。