北科大张海龙教授团队AM：仿生蜂窝工程破解气凝胶封装相变复合材料“力学-导热”权衡难题

随着电子器件功率密度持续攀升，热管理已成为制约器件性能的核心瓶颈。相变材料凭借零能耗、高潜热的优势，在航空航天、无人机等应用场景中展现出巨大潜力。然而，相变材料本征热导率低、固-液相变后易泄漏的固有缺陷，严重阻碍了工程化应用。气凝胶封装技术既能通过三维多孔骨架束缚液态相变材料从而抑制泄漏，又能引入高导热填料构建导热通路从而提升导热性能，是解决上述难题的优选方案。然而，气凝胶封装相变复合材料长期以来面临“力学-导热”权衡的难题：高导热石墨烯网络往往依赖较弱的片间作用力实现自组装，气凝胶结构刚性不足，在热-机械应力下易发生坍塌；而采用刚性树脂、热解碳骨架增强力学强度的策略，又会显著阻碍热流传输，难以实现高导热。如何在同一体系中同时实现高力学鲁棒性与高导热性能，成为相变复合材料领域亟待突破的关键科学问题。

近日，北京科技大学张海龙教授团队，从自然界蜂巢“轻量化、高承载”的结构中汲取灵感，提出了一种全新的仿生蜂窝工程策略，成功制备出兼具超高力学强度与优异导热性能的蜂窝状石墨烯/海藻酸钙气凝胶，实现了气凝胶封装相变复合材料的“承载骨架与导热网络的结构解耦”，突破了长期存在的“力学-导热”权衡难题。相关研究成果以Overcoming Mechanical-Thermal Trade-Off in Aerogel-Encapsulated Phase Change Composites via Biomimetic Honeycomb Engineering”为题，发表在Advanced Materials（2026, 38, e15304），第一作者为博士生张悦。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202515304

本研究的核心创新在于，在陶瓷蜂窝结构研究基础上提出并完善了离子单向扩散诱导相分离（IDPS）技术，基于经典Flory-Huggins相分离理论，通过二价金属阳离子的稳定单向扩散，精准调控海藻酸钠溶液体系的各向异性相分离行为，为长程有序蜂窝多孔结构的可控制备提供了理论与技术支撑。

IDPS过程遵循五步自组装机理：首先是快速界面交联，Ca2+与海藻酸钠分子链接触后立即反应，在接触界面形成致密的海藻酸钙凝胶薄膜，为后续相分离提供稳定界面；第二步为水相囊泡成核，相分离驱动富水相在凝胶薄膜表面成核，在表面张力作用下形成离散囊泡，Ca2+持续扩散形成包裹囊泡的凝胶外壳；第三步为囊泡-柱体结构转变，随着离子不断扩散，囊泡受空间限制由径向生长转为纵向延伸，形成规则的柱状结构；第四步为蜂窝网络成型，密排水柱在表面张力作用下形成Plateau边界特征，相邻凝胶外壳相互融合，构建出六边形蜂窝骨架；最后为蜂窝结构自蔓延生长，凝胶外壳发生“拉伸-断裂-再生”循环，推动蜂窝凝胶网络的有序生长。

研究团队进一步采用30 nm荧光微球作为示踪剂，通过激光共聚焦显微镜原位观测，首次在微观尺度下完整捕捉IDPS的动态演化过程，直接验证了IDPS机理的可靠性。在此基础上建立了组分-凝胶化行为相图，可通过离子浓度、海藻酸钠G/M比、溶液浓度等参数，实现蜂窝孔径在30-300 μm范围内的精准调控。

图离子单向扩散诱导相分离（IDPS）过程的形貌特征与演化机理

视频3D激光共聚焦荧光显微镜对IDPS过程的原位观测

基于IDPS机理，通过工艺优化将该技术成功拓展至二维材料体系，制备出蜂窝状石墨烯/海藻酸钙气凝胶。针对石墨烯纳米片在海藻酸钠体系中难以分散的问题，开发了分步式分散工艺：先以PVP为分散剂，通过超声实现石墨烯纳米片在水中的均匀分散，再向悬浮液中持续加入海藻酸钠并搅拌溶解，利用海藻酸钠分子链的空间位阻效应避免石墨烯二次团聚，制备出高稳定性的悬浮液。以滤纸吸附氯化钙溶液提供单向离子源，触发IDPS过程，在水相囊泡生长的过程中，石墨烯纳米片附着在囊泡的凝胶外壳上，持续的交联反应增厚凝胶外壳，将石墨烯纳米片包裹在凝胶中，随着相邻水柱外壳融合，最终形成石墨烯纳米片定向排布的复合结构蜂窝壁水凝胶经预冷冻及真空冷冻干燥后，获得蜂窝状石墨烯/海藻酸钙气凝胶，该气凝胶具有高度有序的六边形蜂窝结构与垂直贯通的孔道，仅通过调控石墨烯与海藻酸钠的用量，即可实现蜂窝壁厚度的精准调控。进一步验证了上述工艺对MXene、BN、MoS2等典型二维材料的普适性，可以通过改变蜂窝壁组分实现气凝胶的功能定制，进一步拓展在电磁波吸收、光热转换、生物医学等领域的应用前景。

图蜂窝状石墨烯/海藻酸钙气凝胶的制备、形貌与组装机理

所制备的仿生蜂窝石墨烯/海藻酸钙气凝胶，凭借蜂巢结构的仿生设计与高强度海藻酸钙基体的协同作用，实现了力学性能的突破，解决了传统石墨烯气凝胶低刚性、承载能力不足的固有缺陷。开发了溶剂蒸发诱导收缩工艺，通过藻酸钙含量提升与蜂窝孔径收缩的协同强化机制，将气凝胶的压缩强度提高至2.2 MPa，比强度达到19.2 kN·m/kg，力学性能优于多数已报道的低密度气凝胶材料；仅0.02 g的超轻气凝胶即可稳定承受5 kg载荷，承载能力达到自身重量的25万倍。该工作为高强度功能化气凝胶的可控制备提供了新的设计思路与工艺方法。

图蜂窝状石墨烯/海藻酸钙气凝胶的力学性能

采用真空浸渍法将石蜡封装到蜂窝气凝胶的孔道，制备出相变复合材料，为实现导热性能的提升，通过液相沉积工艺在蜂窝气凝胶骨架表面构筑连续的石墨烯导热网络，复合材料热导率提升至4.18 W/m·K，较石蜡提升1504%。有限元仿真表明，连续石墨烯层沿着蜂窝骨架构建低热阻且贯通的传热通道，实现了热量的快速传递。固-液相变后复合材料仍可保持2.49 MPa的抗压强度，在承受25000倍自重载荷时不发生塌陷和泄漏，展现出优异的热机械稳定性与抗泄漏能力。相变复合材料的熔化焓可达199.0 J/g，储热性能优异，在CPU芯片热管理应用展示中可将电子器件峰值温度降低10.2 ℃，并在多次循环中保持稳定。上述结果证明仿生蜂窝气凝胶相变复合材料可同时实现高效导热、力学支撑与高容量储热的多功能协同，为极端热-力耦合工况下的被动热管理提供了理想解决方案。

图蜂窝状石墨烯/海藻酸钙气凝胶封装石蜡相变复合材料的导热性能

图蜂窝状石墨烯/海藻酸钙气凝胶封装石蜡相变复合材料的热机械性能

图蜂窝状石墨烯/海藻酸钙气凝胶封装石蜡相变复合材料的储热性能及其热管理应用

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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