仿海葵相变复合材料：实现高效散热与超强电磁屏蔽的新策略

《Research》：Sea Anemone-Inspired Phase Change Composites for Efficient Heat Dissipation and Ultra-High Electromagnetic Interference Shielding

针对高功率电子器件散热瓶颈与电磁干扰难题，研究人员受海葵触手启发，开发了基于碳纳米管修饰泡沫铜的仿生多网络相变复合材料CuFCE-2。该材料通过构建多重异质界面，同步实现了4.71 W/m·K的高导热率、111.1 dB的超强电磁屏蔽效能及稳定的光/电-热转换性能，为电子设备热管理-电磁防护一体化提供了创新解决方案。

　　

随着智能时代通信技术和计算能力的飞速发展，电子器件正朝着高频、高功率密度方向不断演进。然而，芯片热通量的急剧增加和日益严重的电磁干扰（EMI）问题，已成为制约技术实施和产品迭代的瓶颈。例如，散热不足会导致器件工作温度升高，最终引发性能衰减甚至失效；而过量的电磁辐射不仅影响电子系统稳定运行，还可能对人体健康和信息安全构成潜在威胁。因此，开发兼具高效热管理能力和优异电磁屏蔽性能的多功能材料，已成为提升电子设备安全性和可靠性的关键研究方向。

传统上，通过系统优化复合材料中纳米材料的设计与排布，是协同提升导热性和电磁屏蔽可靠性的有效策略。在众多纳米材料中，碳基填料尤其是碳纳米管（CNTs），因其本征高导热性和卓越的电磁屏蔽/微波吸收能力而备受青睐。然而，CNTs易团聚、缠结的特性限制了其应用。另一方面，金属泡沫（如泡沫铜，CuF）因其高本征导热性和自支撑的三维互联多孔结构，可作为有效的热管理骨架，并为相变材料（PCM）封装提供理想基质。

受海葵高效抓取触手的启发，本研究创新性地提出了一种仿生策略，用于高功率电子器件的热与电磁管理：在泡沫铜上构筑仿生碳纳米管界面。具体而言，在泡沫铜表面原位生长的海葵触手状CNTs，不仅能锚定丰富的聚（苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯）/正二十二烷（SEPS/C22）以增强复合材料的潜热容量和抗泄漏性，还能与膨胀石墨（EG）相互连接，建立多路径热传导网络，同时创建电磁波反射异质界面。通过以CNTs作为结构桥梁，该设计将泡沫铜、膨胀石墨和聚合物基质整合成一个连续的复合材料（CuFCE-2）。

为开展研究，研究人员采用了几个关键技术方法：首先通过化学气相沉积法在经硅烷化处理的泡沫铜上原位生长高密度CNTs，构建仿海葵结构的CuF-CNTs骨架；随后，通过真空浸渍和热压工艺，将SEPS、C22和EG的混合物封装入骨架中，制备出最终的多网络相变复合材料。材料表征手段包括场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）等以分析微观结构和化学组成；利用差示扫描量热法（DSC）和热常数分析仪分别评估相变行为和导热性能；采用矢量网络分析仪在X波段（8.2-12.4 GHz）测试电磁干扰屏蔽效能；并搭建模拟芯片工作平台和光/电-热转换测试系统以评估实际应用性能。

制备与物理化学表征

研究人员首先通过化学气相沉积法在泡沫铜上成功生长了高密度CNTs，形成了类似海葵触手的结构（图1C, D, F）。FESEM、TEM、XRD、FTIR、XPS和拉曼光谱等表征共同证实了CuF-CNTs骨架的成功构建。CNTs平均直径约25纳米，并通过硅氧化合物过渡层牢固锚定在CuF表面，表现出优异的结构稳定性（即使在高速搅拌或高强度超声处理后）。随后，以CuF-CNTs为支撑骨架，通过真空浸渍和热压制备了CuFCE-2复合材料。FESEM观察显示，CNTs和EG的引入显著减少了PCM泄漏形成的孔隙，混合物与金属骨架充分接触，形成了致密连续的波纹状结构（图2D, E, L, M）。XRD和FTIR分析表明原材料是物理混合，未发生化学反应。TGA曲线显示复合材料在30-150°C的工作温度范围内具有显著的热稳定性。

热管理性能

DSC测试表明，CuFCE-2的相变行为与C22相似，表明骨架和填料的加入未影响PCM的固有特性。CuFCE-2实现了82.6%的高PCM负载率，其导热率高达4.71 W/m·K（图3F），这归因于CuF、CNTs和EG之间形成的多重热传导通路。在模拟芯片热管理测试中，CuFCE-2展现出卓越性能：稳态时使芯片温度降低15.7°C；在瞬态热冲击下（4V电压），芯片温度最大降幅达60.6°C（图3I, J），证明了其强大的热缓冲和散热能力。有限元模拟结果与实验数据高度吻合，进一步验证了其高效的热扩散动力学。其优异的热管理性能源于仿生异质结构、CNTs与EG的协同效应、SEPS提供的柔性界面以及C22的相变储热能力。

电磁干扰屏蔽性能

在X波段（8.2-12.4 GHz）的测试中，CuFCE-2表现出超强的电磁干扰屏蔽效能，平均总屏蔽效能（SE_T）达到111.1 dB（图5A, F），超过了军用屏蔽舱体的标准要求（>100 dB）。虽然反射仍是主要的屏蔽机制，但CNTs和EG的协同作用有效调制了电磁波在材料内部的传播路径和损耗机制，提升了吸收屏蔽效能（SE_A）及其占比（SE_A/SE_T）（图5D）。其屏蔽机制包括：初始的表面反射、异质界面引起的界面极化/电偶极极化/传导损耗、海葵仿生结构导致的自然共振磁损耗和传导损耗，以及CNTs微腔和EG桥接网络带来的多次反射和吸收（图5H）。

多源驱动转换性能

CuFCE-2具有超高电导率（4.29 × 10⁶S/m）（图6A）。在电热转换测试中，在1.15V电压下150秒内迅速升温至74.8°C，并表现出良好的循环稳定性（图6B, C, D）。在光热转换方面，得益于CNTs的优异光吸收特性（在800nm处吸光度达25.1），CuFCE-2在160 mW/cm²光强下照射600秒后温度达到75.2°C，并显示出完整的相变平台和稳定的循环性能（图6H, I）。

研究表明，通过仿生设计构建的CuFCE-2多功能相变复合材料，成功地将高效热管理、超强电磁屏蔽、稳定形状支撑以及高效光/电-热转换性能集成于一体。其核心创新在于受海葵触手启发，在泡沫铜骨架上构筑了高密度CNTs界面，该结构不仅增强了界面结合强度和热通路密度，还通过与EG的协同形成了多维导热/导电网络和电磁波损耗异质界面。SEPS聚合物网络则提供了柔性并有助于防止泄漏。该材料在稳态、短期高负载和瞬态热冲击条件下均能有效降低芯片工作温度，同时提供军用级别的电磁屏蔽能力。其简单的制备方法和优异的综合性能，使其在电子产品与通信、航空航天与国防以及新能源与储能系统等领域具有巨大的应用潜力，为应对下一代高功率电子器件面临的热积累和电磁污染双重挑战提供了一个实用的解决方案。