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  電子、通信等領(lǐng)域的快速發(fā)展對器件的熱管理性能提出越來越高的要求，傳統(tǒng)導熱材料已經(jīng)漸漸不能滿足這些日益提升的應(yīng)用需求，具有主動熱管理能力的智能導熱材料成為相應(yīng)的解決方案之一。

  上海大學納米科學與技術(shù)研究中心丁鵬研究員團隊開發(fā)出熱響應(yīng)性的導熱材料，通過材料自身結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了材料在特定溫度條件下觸發(fā)的主動熱響應(yīng)行為，將其應(yīng)用于電子器件上表現(xiàn)出主動散熱的智能熱管理效果。

  基于可調(diào)控的強共價鍵作為永久交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，氫鍵作為可犧牲和可恢復的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組成雙交聯(lián)氮化硼網(wǎng)絡(luò)（dual-cross-linked boron nitride framework）（圖1）。結(jié)合可相變的聚乙二醇，制備了熱響應(yīng)聚合物復合材料。通過密度泛函理論（DFT）以及分子動力學模擬（MD）計算模擬了不同比例的羥基化氮化硼（BNNSs-OH）和聚乙烯醇（PVA）之間所成氫鍵鍵能以及所成氫鍵個數(shù)，對雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進行了調(diào)控（圖2a）。結(jié)果表明，BNF（B1P1.5）具有良好的彈性（圖2b）和較高的抗壓強度（0.04 MPa）。此外，對導熱網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化設(shè)計，得到了具有良好導熱性能和傳熱性能的聚乙二醇/氮化硼/雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)熱響應(yīng)聚合物復合材料。得到的熱響應(yīng)聚合物復合材料具有良好的散熱性能（ΔT_max=10 °C），同時能夠通過自身形狀的變化顯示器件溫度的變化。這一研究工作通過材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能調(diào)控促進了多功能導熱復合材料的發(fā)展。（Chem. Mater., DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b02551）

圖1. 雙交聯(lián)氮化硼網(wǎng)絡(luò)示意圖和分子結(jié)構(gòu)示意圖。a) BNNSs-OH和BDGE之間的共價鍵相互作用；b) PVA和BNNSs-OH之間的氫鍵相互作用。

圖2. a) 計算模擬不同比例的BNNSs-OH和PVA的BNF的結(jié)構(gòu)幾何形狀；b) BNF在彎曲和壓縮過程中的圖片。

  同時，通過溶劑蒸發(fā)法制備了石墨烯/聚乙二醇/納米纖維素復合薄膜（圖3a）。在自然力驅(qū)動下，石墨烯取向排列形成有效的導熱通路，使得復合薄膜的導熱率有顯著的提升；通過雙層結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑進一步優(yōu)化了導熱通路，在石墨烯含量為30 wt%時，將復合薄膜的面內(nèi)導熱系數(shù)進一步提升到21.8 W·m^-1·K^-1（圖3b）。將處于花苞狀態(tài)（臨時形狀）的薄膜置于LED背面作為散熱材料（圖4a），當LED溫度高于60 °C時，花苞狀的復合薄膜開始展開至原有的花朵形狀（永久形狀），這一主動的過程不僅可作為LED溫度達到一定程度的一種可視化現(xiàn)象，同時延緩了LED的升溫過程（圖4b, c），起到了主動散熱的效果，顯示出復合薄膜在智能熱管理領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景。（ACS Appl. Mater. Interfaces， 2019, 11, 33, 30352-30359）

圖3.溶劑蒸發(fā)法制備雙層復合薄膜，復合薄膜的面內(nèi)導熱系數(shù)及與其他導熱高分子復合材料導熱系數(shù)的對比。

圖4. 復合薄膜作為主動散熱材料應(yīng)用于LED器件散熱。

  上述研究工作通過熱響應(yīng)形狀記憶高分子材料的使用賦予導熱材料智能化，得到了具有主動散熱能力的智能材料，并探究了其中導熱通路的構(gòu)建及相互作用對復合材料導熱性能的影響，對智能熱管理材料的開發(fā)有著啟示作用。該工作得到上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計劃（No.17XD1424400）、國家自然科學基金項目（No.51703122）的資助。

參考文獻：

  Fang Jiang, Siqi Cui, Chompoonut Rungnim, Na Song, Liyi Shi, and Peng Ding*, Control of a Dual-Cross-Linked Boron Nitride Framework and the Optimized Design of the Thermal Conductive Network for Its Thermoresponsive Polymeric Composites. Chem. Mater. （第一作者：江芳）

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b02551

  Siqi Cui, Fang Jiang, Na Song, Liyi Shi, Peng Ding*, Flexible Films for Smart Thermal Management: Influence of Structure Construction of a Two-Dimensional Graphene Network on Active Heat Dissipation Response Behavior. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 33, 30352-30359 （第一作者：崔思奇）

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b10538