氮化硼氣凝膠薄膜及其相變複合材料獲重要進展

  氣凝膠是一種具有三維多孔網絡結構的超輕固體材料,具有超低熱導率,能夠作爲一種超級隔熱材料,在航天航空、建築節能、電動汽車及便攜式電子設備等領域發揮重要作用。然而,目前大部分氣凝膠均爲宏觀塊體形態,不具備纖細、輕薄、柔長等特征。另一方面,氣凝膠材料自身所具有的弱力學強度,使得其後加工(如切割、壓縮)相對困難。因此,對于氣凝膠低維宏觀形態的設計依舊具有一定的挑戰性,制約了氣凝膠材料在限域空間熱量管理的功能發揮,如未來新興的5G便攜式/可穿戴電子系統的實際熱控需求。 

  爲實現氣凝膠材料的輕薄化設計,中科院蘇州納米所張學同研究員團隊和海南大學廖建和教授團隊合作,尋找到一種可切割、可壓縮的氣凝膠前驅體,進而發展出一種簡易的氣凝膠輕薄化設計方法。通過水-叔丁醇共溶劑體系,調控硼酸與三聚氰胺的氫鍵組裝,獲得由納米帶相互纏繞、搭接而成的三聚氰胺-二硼酸鹽(M·2B)氣凝膠塊體材料。該氣凝膠塊體具備可切割、可壓縮等特征,具有良好的可加工性能。經過簡易的切割、壓縮及後續的高溫熱解,成功獲得柔性、自支撐的氮化硼氣凝膠薄膜,如圖1所示。通過工藝參數調控,能夠有效實現對氮化硼氣凝膠薄膜厚度、密度、形狀及尺寸的調控,且所得氮化硼氣凝膠薄膜在室溫、液氮及火焰中,均可彎曲,表現出良好的力學柔性,如圖1所示。 

   

  1 三聚氰胺-二硼酸鹽氣凝膠塊體材料的可切割性(a-c)、可壓縮性(d),氮化硼氣凝膠薄膜的力學柔性(c-g)及微觀形貌(h-i)。 

  此外,以上述氮化硼氣凝膠薄膜作爲支撐材料,成功獲得氮化硼氣凝膠相變薄膜。得益于氣凝膠自身所具有的顯著毛細作用力,能夠有效束縛並限域熔融態的有機固-液相变材料,防止熔融态相变材料泄露。所得氮化硼气凝胶薄膜表现出良好的形状稳定性;所得氮化硼气凝胶相变复合薄膜具有高相变焓值,并具有优于目前商业化柔性相变材料的热导率,如圖2所示。 

   

  2 不同溫度下氮化硼氣凝膠相變複合薄膜的光學照片(a)、薄膜的微觀形貌(b-d)及熱性能(e-g)。 

  氣凝膠及其相變複合材料具有以下熱控管理潛能:1)氣凝膠薄膜具有低導熱率、輕薄等特征,可實現限域空間內熱量的隔絕;2)气凝胶相变复合薄膜能够在温度变化的环境中,可逆的吸收或释放热量,并维持自身温度相对恒定,实现对热能的限域与调制。研究者初步探究了氮化硼气凝胶薄膜及其相变复合薄膜在先进电子系统(如便攜式、可穿戴、5G等)多元化热控管理中的可行性,并以此提出了基于隔热与热能调制的两种热控管理策略及其应用形式与场景,如圖3所示。氣凝膠薄膜及相變複合薄膜能夠有效改變和調控熱流的傳輸方向,阻止熱量向附近生物組織及其他功能單元擴散,爲電子系統提供舒適的運行環境,並爲使用電子器件的人體提供舒適的佩戴或使用環境。 

   

  3 气凝胶薄膜及相变复合薄膜在便攜式电子系统中的热管理示意圖。 

  該研究工作爲氣凝膠材料的輕薄化設計及限域空間內熱能的多元化管理提供了理論支持及引導,有望在未來先進的5G便攜式电子设备中实现热控管理的多元化应用。 

  相關成果以Nanoporous Boron Nitride Aerogel Film and Its Smart Composite with Phase Change Materials”爲題發表在國際著名期刊ACS Nano上。碩士研究生王伯珑、博士李廣勇爲論文共同第一作者,中科院蘇州納米所張學同研究員與海南大學廖建和教授爲論文共同通訊作者。該論文工作獲得了國家重點研發計劃、英國皇家學會-牛頓高級學者基金的資助。 

  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.0c05931 


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