Nature子刊：电子设备散热新标杆！聚焦双向导热热管理技术
来源 | Nature Communications
链接 | https://doi.org/10.1038/s41467-025-65554-w
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背景介绍
成果掠影
近日，郑州大学刘春太、冯跃战、刘宪虎联合华中科技大学陶光明团队介绍了一种蜂窝-凝胶致密化策略，该策略在层状结构中形成曲折但连续的层间声子桥。这种设计建立了双向热通道，与无规凝胶致密膜相比，使芳族聚酰胺纤维（ANF）/ 氮化硼纳米片（BNNS）薄膜的面内热导率达 26.16 W/mK（较随机凝胶致密化（RgD）薄膜提升 488.9%） 、面外热导率达 5.43 W/mK（提升 503.3%） ，同时具备 > 95% 的太阳反射率和 80-85% 的红外发射率，实现最高 17.2 °C 的亚环境辐射冷却，为电子设备高效散热提供了高性能材料解决方案。研究成果“Efficient thermal management of electronic devices by constructing interlayer phonon bridges”为题发表在《Nature Communications》。
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图文导读
图1|具有不同结构的层状f-TMMs的热传递过程和制造策略。在局部热源的情况下，层状f-TMMs内的热传递图示a缺少层间桥和b具有层间桥。c常规成膜策略和d本工作中采用的蜂窝-凝胶-致密化策略。
图2|蜂窝状凝胶致密化（HgD）ANF/BNNS膜的制备策略。a.图解说明了通过单向冷冻和融化-凝胶化过程形成ANF/BNNS膜。b.顶视图和c侧视图为ANF/BNNS蜂窝状水凝胶骨架的SEM图像。d.说明了具有三维互连网络的ANF/BNNS水凝胶逐渐压缩成膜。e.顶视图和f侧视图为ANF/BNNS水凝胶的SEM图像。致密化后的BNNS薄膜。g，h不同厚度的ANF/BNNS复合材料的数字图像。
图3| HgD ANF/BNNS薄膜的形态和结构。a HgD ANF/BNNS薄膜的横截面结构及其横截面形态的示意图。b HgD ANF/BNNS薄膜的纵向结构及其纵向形态的示意图。c无规凝胶致密化（RgD）ANF/BNNS薄膜的横截面结构的示意图。研究了HgD-ANF/ BNNS薄膜的横截面结构和纵向结构的WAXD图和（002）峰的方位角扫描轮廓，g、HgD ANF/BNNS薄膜的方向图和BNNS的晶体结构，h、不同方向和i种不同BNNS含量下HgD ANF/BNNS薄膜的XRD曲线。
图4| HgD ANF/BNNS膜的热导率。a-d RgD和HgD ANF/BNNS膜的热导率和相应的热导率增强。误差条表示标准偏差。e RgD和HgD ANF/ BNNS膜的各向异性。误差条表示标准偏差。f HgD ANF/BNNS膜的面内和贯穿面热导率与文献中报道的那些的比较。g，h模拟了RgD和HgD ANF/ BNNS薄膜在不同方向上的传热特性。
图5| HgD ANF/BNNS薄膜的散热能力。a面内c贯穿面传热演示装置示意图和b、d对应的红外热图像。e点热源演示装置示意图，f对应的红外热图像，g中心点和距离1 cm处的表面温度演变。h示意图，i对应的红外热图像，以及j作为LED芯片与冷却水散热器之间的TIM的HgD ANF/BNNS薄膜的表面温度分布，用于散热演示。k具有ANF、RgD和HgD ANF/BNNS薄膜的LED芯片在不同功率下的温度分布，插图显示了LED芯片的红外图像。l使用HgD ANF/BNNS膜的循环开/关测试中的热稳定性。
图6| HgD ANF/BNNS薄膜的亚环境辐射冷却性能。a.用于辐射冷却的HgD ANF/BNNS薄膜的示意图。b.太阳区的太阳反射率（0.3-2.5 μm）和红外区（3-20 μm）的热发射率。c.实验装置的示意图，实时冷却性能，以及相应的HgD ANF/BNNS薄膜的温度统计图表，模拟太阳辐射下不同样品的实时制冷性能f真实的环境下不同样品的实时冷却性能和低于环境温度的辐射冷却测量装置的照片。g.计算的HgD ANF/h使用LED芯片作为内部加热器的辐射冷却装置的示意图。i.在辐射冷却实验中在操作条件下（点1）LED芯片的实时温度。j .ANF/BNNS膜的表面实时温度（点2）。
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作者信息
刘春太，教授，郑州大学副校长、橡塑模具国家工程研究中心执行主任；长期从事高分子成型加工、塑料模具优化设计与制造等领域的理论、技术和数值模拟方法的研究工作，以及国家战略领域用塑料制品的研制工作。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目、企业横向等课题，共发表SCI论文200余篇，授权专利20余项。先后获得省部级科技进步一等奖2项，省部级科技进步二等奖和自然科学二等奖3项，以及“中国载人航天工程突出贡献”等多项奖励。兼任全国模具标准化技术委员会主任委员，全国塑料制品标准化技术委员会委员，中国模具工业协会常务理事，《Advanced Composites and Hybrid Science》副主编，《Acta Mechanica Sinica (AMS)》、《模具工业》、《中国塑料》等杂志编委。
陶光明，华中科技大学华中卓越首席教授、博导、武汉光电国家研究中心、材料科学与工程学院、体育学院和华中科技大学同济医学院附属同济医院教授，纺织新材料与先进加工全国重点实验室副主任、血管衰老教育部重点实验室副主任、智能纤维器件与装备研究中心主任、国家杰出青年科学基金获得者、新基石科学基金会“科学探索奖”获得者。陶教授致力于零能耗热管理新材料、智能纤维与织物空间和微创医疗纤维机器人等智能纤维器件与装备技术的交叉学科研究工作，先后在Science, Science Robotics, Science Advances, Nature Communications等学术期刊发表论文130余篇，以第一发明人身份获得中国发明专利授权50余项。陶教授担任香山科学会议、光学青年科学家学术年会、全国超材料大会等大会（共）主席、分会/专题（共）主席20余次。
冯跃战，副教授，博士生导师，郑州大学青年拔尖人才；主持国家自然科学基金面上、青年项目，河南省自然科学基金优青、面上项目，中国博士后基金面上项目，全国重点实验室重点专项，省科技攻关项目等纵向项目8项。研究领域与方向：聚合物电磁/热防护材料、2D纳米材料的合成与制备、航空/民用碳纤维复合材料；研究成果在Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Adv. Sci., Nano-Micro Lett., Mater. Horiz. Small 等杂志发表论文80余篇；获得2023年度科睿唯安“高被引科学家”，ACS Applied Materials & Interfaces “BEST AUTHOR”；担任Chin. Chem. Lett., Rare Metals期刊青年编委。
刘宪虎，郑州大学教授、博士生导师，德国埃尔朗根-纽伦堡大学博士，澳大利亚南澳大学访问学者，全球高被引科学家、英国皇家化学会会士、河南省杰出青年基金获得者、河南省优秀硕士论文指导教师（3次）等。在国际期刊Nature Communications等发表第一/（共同）通讯作者论文150余篇，受邀为Science等杂志发表观点评述性论文，总引用2万余次，H-index 80。主持国家重大工程任务课题、国家自然科学基金面上项目、国家科技重大专项子课题等纵向科研项目10余项。主要从事高分子材料功能化加工等方面的研究。
