兰州化物所突破电子设备“散热防波”双重难题

在5G通信、人工智能与物联网技术飞速发展的当下，电子设备正加速向微型化、高集成化、高频化迈进。然而，这一进程带来了两大棘手问题：设备内部热量积聚引发性能衰减，电磁波干扰造成信号不稳定。特别是在智能手机、可穿戴设备及航空航天电子等紧凑封装场景中，传统散热与电磁波防护方案因空间占用大、材料协同差，难以满足需求。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所于元烈研究员团队成功研发出兼具高效热管理与电磁波防护功能的新型复合材料，实现“一材双能”的突破，相关论文发表于《先进陶瓷》。

现代电子设备性能提升高度依赖芯片集成度，可单位面积内晶体管数量剧增，导致功耗密度呈指数级上升。以智能手机为例，处理器峰值功率超10瓦，内部散热空间却不足1立方厘米，热量若不能及时导出，芯片就会降频甚至烧毁。

同时，5G通信、Wi-Fi 6等高频信号广泛应用，设备内部电磁环境愈发复杂，电磁波干扰不仅会导致数据传输错误，还可能危及医疗设备、航空电子等关键系统安全。传统方案采用独立散热片与金属屏蔽层组合，在紧凑封装环境下，二者常因空间冲突难以协同，且金属材料高密度特性限制了设备轻量化设计。

研究团队将突破点放在六方氮化硼（h-BN）这种层状材料上。它结构与石墨相似，导热性能优异、电绝缘性好，化学稳定性强、耐高温氧化，是理想的散热基材。但h-BN低介电常数和宽禁带结构使其对电磁波近乎“透明”，无法直接用于吸收或屏蔽。为攻克这一难题，团队采取三大创新策略。

• 其一，利用金属有机框架材料ZIF-67衍生的钴纳米颗粒作催化剂，在BNF表面诱导生长碳纳米管（CNTs），构建“管-片”桥连结构。CNTs导电特性优化了阻抗匹配，使入射电磁波在复合材料内部多次反射衰减；桥连结构则降低h-BN与聚合物基体间界面热阻，复合材料热导率较纯PDMS提升近4倍，适用于5G基站等高频高热场景。

• 其二，开发了多尺度分级结构复合材料。通过高温自催化工艺，在碳纤维表面生长仿球菊状氮化硼微米球，引入磁性钴纳米颗粒形成PC-BNS/CF@Co复合体系。该材料极低填充量下实现宽频电磁波吸收，制备复合薄膜的屏蔽性能可达-55dB，还具备优异光热转换能力。

• 其三，针对h-BN传统化学改性工艺复杂、对环境负荷大的问题，提出机械力诱导活化策略。利用液态金属特性，通过机械研磨工艺在BNF表面引入丰富界面极化中心和缺陷位点。优化后的复合材料可制成柔性薄膜，展现出优异的热管理及良好的阻燃性能，确保了材料在极端环境下运行的可靠性。

相关论文链接：https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221208