天津大学封伟ACS Nano：贻贝启发导热复合材料实现空气和水下环境高效热管理

电子信息技术和人工智能的快速发展增加了对集成、大规模和高性能计算和存储设备的散热需求，大型数据中心散热冷却方式开始由风冷向液冷进行转变。然而，导热材料作为热管理系统的重要组成部分，在液体环境中的稳定性不佳且无法自发形成防隔水环境。因此，环境的转变对导热材料的性能提出了更高的要求：1）高导热性来提高传热效率；2） 低模量填充发热装置之间的微小间隙，降低界面热阻；3）防水绝缘性能确保材料及设备在水下环境的正常运行。通过聚合物分子设计，构建防水、低模量特性，并与导热填料相结合为实现聚合物基导热复合材料的水下应用提供了可能性。

天津大学封伟教授团队提出了一种贻贝启发的防水聚合物基导热复合材料。通过聚合物设计，将防水链段聚二甲基硅氧烷和富含多重相互作用的分子3-甲基丙烯酰多巴胺有机结合，通过机械研磨与液态金属均匀复合，获得了高导热、低模量、快速室温自修复且具有防隔水性能的聚合物基导热复合材料。这种复合材料可以作为浸没式液冷中的热保护层，为电子设备提供水下防水性能和高效、稳定的散热。这项工作为聚合物基导热复合材料在热管理系统领域的未来应用和研究提供了新的视角。相关研究成果近期以“Mussel-Inspired Polymer-based Composites for Efficient Thermal Management in Dry and Underwater Environments”为题发表在《ACS Nano》上（DOI:10.1021/acsnano.4c05894）。天津大学材料学院博士生张恒为第一作者，封伟教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委重点项目的支持。

聚合物富含多种可逆相互作用，如氢键、金属配位等。贻贝启发的邻苯二酚基团可以与液态金属表面形成金属配位相互作用。在研磨复合过程中，聚合物与液态金属表面的相互作用减小了液态金属液滴尺寸，提高填料分散性，促使填料均匀分布且密集排列（图1）。

图1.PDMS-DMA/EGaIn复合材料的制备。a水下条件下防水导热材料工作原理概述。b PDMS-DMA的化学结构。c PDMS-DMA/EGaIn复合材料的制备示意图。d-e PDMS-DMA/EGaIn复合材料中多种交联作用的示意图。f PDMS-DMA/EGaIn复合材料的扫描电镜（SEM）图像。g-h PDMS-DMA/EGaIn复合材料的能谱元素（EDS）图。

邻苯二酚和EGaIn之间的金属配位作用以及丰富的氢键，为PDMS-DMA/EGaIn复合材料赋予了优异的延展性和优异的自愈能力（图2）。复合材料具有极低的模量（75.8 kPa），并且可在室温下实现快速自修复，10分钟可实现100%的自修复效率，水下环境下20分钟可实现80%的自修复效率。复合材料的水下自修复能力为在水下环境的使用提供了密封和稳定性。

图2.PDMS-DMA/EGaIn复合材料的力学性能。a PDMS-DMA/EGaIn复合材料超高拉伸性的机制。b不同EGaIn体积分数的PDMS-DMA/EGaIn的应力-应变曲线。c PDMS-DMA/EGaIn在室温下不同自修复时间的应力-应变曲线。d PDMS-DMA/EGaIn在不同自修复持续时间下的自修复效率。e PDMS-DMA/EGaIn自修复过程的示意图。f显示PDMS-DMA/EGaIn自修复前后的照片。g PDMS-DMA/EGaIn水下自修复过程的照片。h不同自修复时间下，原始和修复的PDMS-DMA/EGaIn在水下的拉伸应力-应变曲线。

聚合物与液态金属表面的相互作用促使液态金属分散为小颗粒且分布均匀，同时液态金属被聚合物包封。因此复合材料具有优异的绝缘性能和导热性能（图3）。复合材料的导热率最大可达6.9 W m -1 K -1，电阻可达1.67×10 12 Ω cm，满足了导热材料在电子设备中的应用需求。

图3.PDMS-DMA/EGaIn复合材料的导热性能 a稳定EGaIn纳米颗粒产生机制的示意图。将EGaIn颗粒分散在（b）PDMS和（c）PDMS-DMA中的粒径分布。d PDMS-DMA和PDMS-DMA/EGaIn复合材料的XPS C1s谱。e EGaIn和PDMS-DMA/EGaIn复合材料的XPS Ga 3d谱。f-g Ga2O3层上PDMS和PDMS-DMA的结合能模拟模型。h PDMS-DMA/EGaIn复合材料的热导率与EGaIn体积分数的关系。i-j不同尺寸EGaIn颗粒传热能力的有限元模拟。k所报道的聚合物基复合材料与EGaIn的导热系数、模量和粒径的比较。

复合材料PDMS-DMA/EGaIn具有超低的模量和高导热性能，使其能有效填充界面间的微小空袭，从而降低接触热阻，提高传热能力。与其他商用高性能TIM相比，PDMS-DMA/EGaIn表现出更为优异的传热能力（图4）。此外，在冷热冲击试验中也表现出良好的导热稳定性，在实际应用中具有良好的应用前景。

图4.空气中PDMS-DMA/EGaIn复合材料的热管理应用。a PDMS-DMA/EGaIn复合材料作为TIM连接LED芯片和铜散热器的示意图。b描绘了LED芯片的表面温度的红外图像。c温度演变和（d）LED芯片的稳态温度与功率密度的关系。e-f循环加热/冷却试验期间PDMS-DMA/EGaIn的热冲击稳定性。

得益于PDMS的疏水性和复合材料中可逆相互作用赋予的自修复性，复合材料PDMS-DMA/EGaIn表现出优异的防水性，使其在防止短路和与水接触时损坏电子元件方面非常有效，同时，有助于电子元件和水之间的有效热交换，降低电子设备的工作温度（图5）。作为浸没液体冷却应用中电子设备的防水和传热保护层，复合材料在水下也具有良好的冷热冲击的稳定性，为电子设备提供水下防水性能和高效、稳定的散热性能。

图5.PDMS-DMA/EGaIn复合材料水下环境的热管理。a 复合材料包裹LED水下应用的示意图。b水在PDMS-DMA/EGaIn表面上的接触角。c水下条件下使用带有PDMS-DMA/EGaIn和PDMS保护层的LED芯片的照片。d在干燥和水下条件下，PDMS-DMA/EGaIn复合材料在不同基材上的粘附强度。e LED芯片在水下会自动粘附的照片。f浸没式液体冷却系统中水下热交换示意图。g PDMS-DMA/EGaIn和PDMS保护层的LED芯片在水下时的表面温度随加热时间的变化。h PDMS-DMA/EGaIn保护层的LED芯片在进入水中时的热循环稳定性。

天津大学封伟教授领导的FOCC团队长期致力于功能导热材料的研究，近年来该团队在国家自然科学基金杰出青年基金、重点基金以及科技部重点研发等项目的支持下在碳纳米管、石墨烯材料（Carbon, 2014, 77, 1054-1064；RSC Adv., 2014,4(20),10090-10096；Carbon, 2016, 104:157-168；Carbon, 2016, 109:575-597；Carbon, 2017, 116, 81-93；Adv. Funct. Mater., 2018, 28(45), 1805053；Carbon, 2018, 13,149e159；Carbon, 2019, 149: 281-289；Compos. Sci. Technol., 2022: 109406）、聚合物基碳复合材料（Carbon, 2016, 109:131-140；Compos. Part A. Appl. Sci. Manuf., 2016, 91:351-369；Compos. Commun., 2018, 9, 33-41；Adv. Funct. Mater., 2019,1901383；Mater. Sci. Engineering R, 2020, 142, 100580；Carbon, 2022, 196: 902-912；Adv. Funct. Mater., 2021, 2107082；Advanced Science, 2022, 2201331；Adv. Funct. Mater., 2023: 2205962; Advanced Functional Materials, 2023, 2211985; SusMat, 2023: 1-16; Mater. Horiz., 2024,11: 531-544; Nano-Micro Letters, 2024, 16: 198）、导热自修复复合材料（ACS Nano 2024. Nano-Micro Lett. 2022, 14:135；Macromolecules, 2020, 142, 100580；Carbon, 2021, 179, 348-357；高分子学报, 2021, 52(03):272-280；功能高分子学, 2020, 33(06): 547-553；Nano-Micro Lett., 2022, 14:135）等方面的研究和设计上取得了原创性成果。

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来源：高分子科学前沿

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