来源 | Nano Reserch

链接 | https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907700

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背景介绍

在当今科技飞速发展的时代，电子设备不断朝着高功率、小型化与柔性化方向迈进。这种发展趋势使得设备内部元器件的功率密度急剧攀升，随之而来的是大量热量的产生。若这些热量无法及时有效地散发出去，设备的运行稳定性、使用寿命都会受到严重影响，甚至可能出现卡顿、故障等状况。以柔性电子设备领域常用的聚二甲基硅氧烷（PDMS）为例，它虽然具备柔软、耐候性佳以及适用温度范围广等优点，但自身导热性能极差，导热系数仅约 0.2 W/(m・K) ，这一短板严重制约了其在高功率柔性电子设备中的进一步应用。

西北工业大学的顾军渭教授在功能高分子复合材料等研究领域建树颇丰。顾军渭教授长期专注于功能高分子复合材料和纤维增强先进树脂基复合材料的设计制备及成型加工研究。

在过往的研究中，他带领团队取得了众多令人瞩目的成果。例如，在《Advanced Materials》发表的有关低频吸波 / 导热一体化复合材料的研究成果中，通过 “喷雾干燥 - 烧结” 工艺将链状 CoNi 和片状 BN 自组装为绣球花状 CoNi@BN 异质结构填料，并与 PDMS 复合，当 CoNi@BN 体积分数为 44 vol% 且 CoNi 与 BN 质量比为 3:1 时，复合材料在低频段（3.92 - 6.32 GHz）展现出优异的吸波性能（最小反射损耗为 - 49.9 dB），同时面内导热系数达 7.31 W/(mK) ，约为纯 PDMS 的 11.4 倍，有效解决了低频吸波材料导热性能差的难题。

另外，在低反射电磁屏蔽复合材料的研究中，制备的 (MXene@Ni/PNF)-(MXene/PNF) 气凝胶，在 X 波段具备 71 dB 的高电磁屏蔽性能以及 0.10 的极低平均反射系数 。

顾军渭教授及其团队继续深耕，致力于探索如何通过创新的材料制备方法和结构设计，突破现有材料在导热等性能方面的局限，以满足高功率柔性电子设备等领域日益增长的需求。

02

成果掠影

近日，西北工业大学顾军渭联合西安理工大学宋萍通过原位生长和高温碳化法合成了具有磁响应的 “点 - 面” 异质结构氮化硼纳米片 @镍（BNNS@Ni）填料，利用磁场取向制备了H-BNNS@Ni/PDMS 复合材料（BNNS@Ni 在 PDMS 基体中水平排列）。当 BNNS 与 Ni 质量比为 8:1 且 BNNS@Ni 质量分数为 50 wt.% 时，该复合材料的面内导热系数达 5.50 W/(m・K)，是纯 PDMS 的 27.8 倍，显著高于同条件下随机分布的 R-BNNS@Ni/PDMS 复合材料（4.76 W/(m・K)）；在 CPU 冷却中可降低 19.2°C 的工作温度，同时具备优异的耐热性（耐热指数 248.0°C）、光热转换性能（1.31 W/cm² 近红外照射 30 s 表面温度达 199.8°C）和疏水性（水接触角 119.3°），在柔性电子设备中具有广阔应用前景。研究成果以“Horizontal array of BNNS@Ni for polydimethylsiloxane composites with high in-plane thermal conductivities and excellent photothermal performances”为题发表在《Nano Reserch》期刊。

03

图文导读

材料制备方法

BNNS 的制备：将 h-BN 与 PVP 在 IPA/H₂O 混合溶液中超声 6 h，离心分离得到 BNNS，其厚度约 1.31 nm，具有高分散稳定性。

BNNS@Ni 的合成：通过原位生长使 PDA-Ni²⁺复合物附着在 BNNS 表面，经 800°C 高温碳化得到 “点 - 面” 异质结构，制备了 BNNS 与 Ni 质量比为 12:1（I）、8:1（II）、4:1（III）的三种填料，其中 II 型 Ni 分布最均匀。

复合材料制备：将 BNNS@Ni、PDMS 及固化剂在正己烷中混合，施加 30 mT 水平磁场使填料取向，干燥固化得到 H-BNNS@Ni/PDMS；无磁场则为随机分布的 R-BNNS@Ni/PDMS。

关键性能测试结果

性能增强机理

导热性能：BNNS@Ni 水平排列形成连续面内导热路径，减少 phonon 散射；BNNS 的高面内导热性（理论达 1000 W/(m・K)）与 Ni 的磁响应协同作用，提升效率。

光热性能：Ni 微球的局域表面等离子体共振（LSPR）与 PDA 碳化形成的碳层的广谱吸收协同，高效将光能转化为热能。

图1 H-BNNS@Ni/PDMS导热复合材料的制备示意图。

图2 h-BN和BNNS的XRD谱图（a）、h-BN的SEM照片（b）、BNNS的SEM（c）、AFM（d）、TEM（e）和SAED（f）照片、h-BN和BNNS水分散液（g-g’）和BNNS丁达尔效应（h）的光学照片。

图3 BNNS、Ni和BNNS@Ni导热填料的XRD谱图（a）、XPS谱图（b）、BNNS、Ni和BNNS@Ni导热填料的磁滞回线（c）、BNNS@Ni-I（d-d’）、BNNS@Ni-II（e-e’）、BNNS@Ni-III（f-f’）的SEM照片。

图4 三种BNNS@Ni对H-BNNS@Ni/PDMS导热复合材料λ∥的影响（a）、不同导热填料用量对PDMS导热复合材料λ∥的影响（b）、H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料的XRD谱图（c）、10 wt% H-BNNS@Ni-II/PDMS复合材料（d）、50 wt% H-BNNS@Ni-II/PDMS复合材料（e）和50 wt% R-BNNS@Ni-II/PDMS复合材料（f）的SEM照片、温度对H-BNNS@Ni/PDMS导热复合材料λ∥的影响（g）和50 wt% H-BNNS@Ni/PDMS导热复合材料在20~200oC范围内反复升降温后的λ∥（h）、R-BNNS@Ni-II/PDMS（i）、H-BNNS@Ni-II/PDMS（i’）导热复合材料热传导的COMSOL有限元模拟。

图5 纯PDMS和H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料在恒温加热台上的红外热成像照片（a）、纯PDMS和H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料升温和降温过程的温度-时间关系图（b）、裸露的电脑主板的数码照片（c）及贴附有纯PDMS（c’）、50 wt% H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料（c”）的电脑CPU工作时的红外热成像照片。

图6 H-BNNS@Ni-II/PDMS（a）和R-BNNS@Ni-II/PDMS（b）导热复合材料的应力-应变曲线、H-BNNS@Ni-II/PDMS和R-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料的拉伸强度（c）、断裂伸长率（d）和杨氏模量（e）、纯PDMS和H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料的邵氏硬度（f）、H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料的柔性（g）、可弯曲性（g’）和承重能力（200 g）（g”）。

图7 H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料的DSC曲线（a）、Tg（b）和TGA曲线（c）、纯PDMS、BNNS/PDMS和H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料在不同NIR（808 nm）功率密度照射下的表面温度（d）、不同NIR（808 nm）功率密度照射下H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料的表面温度变化曲线（e）、H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料在功率密度为1.31 W·cm-2的NIR（808 nm）反复照射下的加热稳定性和可重复性（f）、H-BNNS@Ni-II/PDMS导热复合材料在功率密度为1.31 W·cm-2的NIR（808 nm）“开”和“关”时的红外热成像照片（g）

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作者信息

顾军渭，西北工业大学化学与化工学院院长，教授、博导，国家级领军人才、陕西省杰出青年科学基金获得者，陕西省科技创新团队带头人。当选英国皇家化学会Fellow，英国皇家航空学会Fellow，英国材料、矿物与矿业学会Fellow。入选工业和信息化部优秀导师，科睿唯安全球“高被引科学家”、爱思唯尔“中国高被引学者”。现任中国复合材料学会副秘书长/理事/人才评价工作委员会主任/导热复合材料专业委员会常务副主任、陕西省高分子科学与技术重点实验室副主任。主要从事功能高分子复合材料和纤维增强先进树脂基复合材料的设计制备及成型加工研究。以第一/第二完成人获中国轻工业联合会技术发明奖一等奖、陕西省自然科学奖二等奖等省部级科研奖励5项。获国际聚合物加工学会Morand Lambla Award、中国复合材料学会青年科学家奖、中国化学会高分子创新论文奖、高分子成型加工及其产业发展“新锐创新奖”等。主持国家自然科学基金联合基金重点项目等省部级及以上项目30余项。

宋萍，西安理工大学印刷包装与数字媒体学院副教授、硕士生导师。主要从事功能（电磁屏蔽、导热）高分子复合材料的微结构设计、性能调控及机理研究。入选全球前2%顶尖科学家2022-2024年度影响力榜单。主持国家自然科学基金青年科学基金项目、陕西省青年托举人才计划项目等。以第一作者或通讯作者在Nano-Micro Lett、J Mater Sci Technol和Compos Sci Technol等期刊发表高水平学术论文8篇，1篇论文入选第七届中国科协优秀科技论文。授权国家发明专利6件。