基于木质素诱导超分子自组装的仿生粘弹性导热复合材料用于先进热管理

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Biomimetic, viscoelastic and interface adaptive thermally conductive composites via lignin-induced supramolecular self-assembly for advanced thermal management

随着5G技术和高功率电子器件的发展，高效散热成为制约设备性能的关键瓶颈。本文针对热界面材料(TIMs)存在的导热性(κ)与粘弹性难以兼顾的科学难题，受木材超分子结构启发，通过碱木质素(AL)诱导超分子自组装，开发出兼具高导热(3.278 W·m-1·K-1)和低接触热阻(20.0 mm2·K·W-1)的粘弹性导热塑料(AL-VTCP)。该材料通过相变乳液(PCE)与氮化硼纳米片(BNNS)的协同作用，使CPU散热性能较商用TIMs降低13.1°C，为5G集成系统热管理提供创新解决方案。

　　

在5G技术浪潮的推动下，电子设备正朝着更高功率密度、更紧凑结构的方向飞速发展。这种进化带来了严峻的热管理挑战——设备内部积聚的热量若不能及时消散，会导致芯片温度急剧攀升。研究表明，电子元件温度每升高2°C，其可靠性就会下降10%，在85°C高温下的寿命仅为25°C时的六分之一。虽然现有的散热技术种类繁多，但电子元件与散热器之间因表面粗糙度形成的接触热阻(R_c)，如同给热流设置了一道无形屏障，严重制约了散热效率。

热界面材料(TIMs)正是为解决这一难题而诞生的关键材料，它们填充在芯片与散热器之间的微隙，通过提升界面接触质量来促进热传导。其中，相变热界面材料因其独特的相变储能特性备受关注，它们能在吸收热量时发生相变，实现导热与储热的双重机制。然而传统相变材料存在导热系数低、易渗漏、界面适应性差等固有缺陷。将氮化硼纳米片(BNNS)等高导热填料与相变乳剂(PCE)结合，虽能提升导热性，但随着填料含量增加，材料会逐渐丧失柔韧性，陷入导热与粘弹性此消彼长的困境。

自然界中，木材的卓越力学性能来源于木质素与纤维素形成的超分子网络，这种由氢键、π-π堆积和范德华力构建的动态结构，为材料设计提供了宝贵灵感。受此启发，东北林业大学杨海悦和王成昱团队开发出一种创新性的粘弹性导热塑料(AL-VTCP)，通过碱木质素(AL)诱导的超分子自组装，成功破解了导热与粘弹性的矛盾关系。

研究人员采用超声乳化法制备了纤维素纳米纤维(CNF)稳定的油包水相变乳剂，其中以熔点为53°C的石蜡为油相，CNF水溶液为水相。通过调控CNF浓度(0.5-1.0wt%)和水油比(7:3至9:1)，获得了稳定性最佳的乳剂体系。BNNS则通过液相剥离法制备，先将BN粉末分散于异丙醇/水混合溶剂，经超声处理和梯度离心后获得纳米片。最终将PCE、AL与BNNS按5.5:0.5:4.0的质量比复合，制备出AL-VTCP材料。

结构表征显示，冷冻干燥后的PCE中CNF紧密包裹石蜡液滴，形成稳定的Pickering乳液结构。AL的引入促使BNNS在基质中定向排列，构建出连续的热传导通路。FTIR光谱证实AL与CNF、BNNS间存在氢键等非共价相互作用，XRD表明AL-VTCP结晶度提升，有利于热传导。分子动力学模拟进一步揭示，AL作为"分子桥"增强了CNF与BNNS的界面相容性，氢键数量显著增加。

力学性能测试表明，AL-VTCP具有优异的剪切稀变特性，随着AL含量增加，材料粘度显著提升。频率扫描显示储能模量(G')始终高于损耗模量(G")，证实其凝胶特性。5wt% AL含量的样品在30-70°C温度范围内保持稳定的粘弹性，压缩模量低至170 kPa，能有效填充界面微隙。与商用TIMs相比，AL-VTCP的接触热阻降低71.9%，仅为20.0 mm²·K·W^-1。

热性能测试显示，AL-VTCP的热导率达3.278 W·m^-1·K^-1，较未添加AL的样品提升18.8%。COMSOL模拟表明其温度分布更均匀，热流密度更高。材料在25-70°C循环测试中热导率偏差小于0.5%，相变焓保持稳定。在53°C相变点附近，AL-VTCP出现10秒的温度平台期，有效缓解热冲击。

接触热阻分析显示，随着压力从10 psi增至40 psi，AL-VTCP的R_c从15.2 mm²·K·W^-1轻微上升至20.0 mm²·K·W^-1，但仍显著低于VTCP。温度依赖性测试表明，46-56°C区间内R_c随温度升高而降低，这与材料软化和界面贴合度提升有关。与商用热脂、凝胶和垫片相比，AL-VTCP在导热性和接触热阻间实现了最佳平衡。

散热性能测试中，AL-VTCP使加热器温度在30 W·cm^-2功率下稳定在55.8°C，较商用Bergquist 5000S35垫片降低13.1°C。其等效散热系数达0.92 W·cm^-2·°C^-1，提升41.5%。CPU实际应用测试证实，AL-VTCP能将核心温度控制在53.4-55.6°C，且经过1000次热冲击循环后性能稳定。

生命周期评估显示，AL-VTCP在全球变暖潜能(GWP)、人类毒性潜能(HTP)等环境指标上均优于商用TIMs。材料脱水后虽导热性下降，但加水重塑后可恢复96.4%的原始性能，蒸发焓达874 J·g^-1，展现出良好的可回收性。

本研究通过木质素诱导的超分子自组装策略，成功解决了TIMs领域长期存在的导热-粘弹性矛盾。AL-VTCP材料兼具高导热性、低接触热阻、优异界面适应性和环境友好性，为5G等高功率电子设备的热管理提供了创新解决方案。这种基于天然高分子仿生设计的思想，为开发下一代高性能热管理材料开辟了新途径。