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  隨著5G技術及先進高功率電子設備的快速發(fā)展，對具備優(yōu)異熱傳導性能的熱界面材料（TIMs）的需求日益迫切，以實現(xiàn)高效散熱與可靠的熱管理。然而，現(xiàn)有熱界面材料在追求高熱導率的同時難以兼顧優(yōu)良的粘彈性，二者之間存在固有矛盾，導致其在實際應用中的界面熱傳遞效率仍不理想。

  2026年1月10日，東北林業(yè)大學王成毓教授、楊海月教授團隊在Advanced Composites and Hybrid Materials上發(fā)表了題為“Biomimetic, viscoelastic and interface adaptive thermally conductive composites via lignin-induced supramolecular self-assembly for advanced thermal management”的研究成果。

  這種新型仿生熱界面材料（AL-VTCP）破解了導熱與粘彈性無法兼得的行業(yè)難題。它借鑒木材的超分子結構，利用堿木質(zhì)素誘導自組裝，在復合材料內(nèi)部構建出高效導熱網(wǎng)絡，同時大幅提升材料粘彈性。其導熱率提升18.8%，接觸熱阻降低71.9%，兼具極低模量與優(yōu)異界面貼合性。應用于5G芯片散熱時，能使CPU在高負載下額外降溫約13℃，為先進電子設備的可靠熱管理提供了創(chuàng)新解決方案。

  靈感源自木材的卓越力學性能，其根源在于木質(zhì)素通過氫鍵等超分子作用力扮演“天然粘合劑”。我們模仿這一原理，以纖維素納米纖維（CNF）穩(wěn)定包裹石蠟，形成相變?nèi)橐海僖氲鸺{米片（BNNS）提升導熱。關鍵創(chuàng)新在于加入了堿木質(zhì)素（AL），它像分子“橋梁”一樣，通過超分子作用力將各組分緊密“編織”在一起，從而顯著改善了復合材料的粘彈性和結構完整性（圖1）。

圖1 AL-VTCP復合材料的制備與靈感來源

  掃描電鏡圖像清晰顯示，在木質(zhì)素的調(diào)控下，BNNS在復合材料中分布均勻，無團聚。紅外光譜中羥基峰的移動和X射線衍射峰強的變化，直接證明了木質(zhì)素的加入增強了氫鍵作用，并插入了BNNS層間。分子動力學模擬更直觀地揭示，木質(zhì)素分子能主動遷移并促進CNF與BNNS的自組裝聚集，從理論上驗證了其“橋梁”機理（圖2）。

圖2 AL-VTCP復合材料的結構表征

  流變測試表明，添加木質(zhì)素后，材料粘彈性顯著提升，呈現(xiàn)出更優(yōu)異的凝膠行為，且更容易變形。這種增強的柔韌性使其能緊密貼合粗糙表面，有效填充縫隙。對比數(shù)據(jù)顯示，AL-VTCP擁有極低的壓縮模量（170 kPa）和接觸熱阻（20.0 mm2 K W?1），遠超多數(shù)報道的熱界面材料，完美解決了高導熱與軟貼合之間的固有矛盾（圖3）。

圖3 AL-VTCP復合材料的力學性能

  隨著BNNS含量增加，AL-VTCP的導熱性能持續(xù)提升，在40%填充量時達3.278 W m?1 K?1，較未加木質(zhì)素的樣品提升18.8%。有限元模擬直觀顯示，木質(zhì)素的“橋梁”作用優(yōu)化了熱量傳遞路徑。材料還表現(xiàn)出良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性，其相變吸熱特性能在溫度驟升時提供緩沖，有效緩解電子器件的熱沖擊（圖4）。

圖4 AL-VTCP復合材料的熱導率

  基于標準測試方法，AL-VTCP展現(xiàn)出極低的界面接觸熱阻，且在壓力增加、溫度升高（觸發(fā)相變）時進一步降低。這得益于其卓越的粘彈性和界面貼合能力。綜合對比顯示，AL-VTCP成功打破了傳統(tǒng)導熱墊（高導熱但高接觸熱阻）與導熱硅脂（低接觸熱阻但導熱一般）的性能局限，實現(xiàn)了高導熱與低界面阻的兼得（圖5）。

圖5 AL-VTCP復合材料的接觸熱阻

  在模擬芯片散熱的實驗中，AL-VTCP表現(xiàn)出壓倒性的性能優(yōu)勢：在相同功率下，其穩(wěn)定溫度比商用高端導熱墊低約15℃，系統(tǒng)等效散熱系數(shù)提升41.5%。計算流體動力學模擬也證實，使用AL-VTCP的系統(tǒng)溫度分布更均勻、峰值更低。冷熱沖擊循環(huán)證明，材料性能穩(wěn)定，展現(xiàn)出極高的可靠性（圖6）。

圖6 AL-VTCP復合材料的散熱性能

  在實際電腦CPU上進行滿負載測試，使用AL-VTCP后，CPU核心溫度最高可降低27.2°C，效果遠超對比材料。紅外熱像圖顯示，其對應的散熱片溫度更高，證明熱量被更有效地從芯片導出。在多次循環(huán)的負載測試中，CPU溫度波動小，證明了AL-VTCP在長期真實工況下的出色穩(wěn)定性和散熱效能（圖7）。

圖7 AL-VTCP復合材料在CPU上的實際應用

  從原料到成品的生命周期評估表明，AL-VTCP及其前驅(qū)體VTCP在多項環(huán)境指標（如全球變暖潛力、人體毒性潛力等）上均顯著低于傳統(tǒng)以PDMS為基的商用導熱產(chǎn)品，展現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)保特性。這主要歸功于其以生物質(zhì)（木質(zhì)素、纖維素）和水為基礎的材料設計，為發(fā)展高性能且可持續(xù)的電子散熱材料提供了新范式（圖8）。

圖8 AL-VTCP復合材料的環(huán)境影響

  東北林業(yè)大學博士研究生喬磊與周加左為本文的共同第一作者，東北林業(yè)大學王成毓教授和楊海月教授為共同通訊作者。

課題組簡介

  王成毓：教授，博士生導師，國家高層次人才，黑龍江省木材仿生功能化技術創(chuàng)新中心主任。國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者、教育部新世紀優(yōu)秀人才、龍江學者特聘教授、黑龍江頭雁計劃骨干成員、黑龍江省杰出青年科學基金獲得者、黑龍江省優(yōu)秀科技工作者，享受黑龍江省政府特殊津貼。獲得國家科學技術進步獎二等獎、黑龍江省自然科學獎一等獎、教育部自然科學獎二等獎、林業(yè)青年科技獎、霍英東青年教師獎、梁希青年論文獎。發(fā)表SCI論文200余篇，獲授權發(fā)明專利30余件，在科學出版社出版著作5部。任中國林學會木材科學分會委員、中國林學會青年工作委員會委員、黑龍江省仿生與生物制造學會副秘書長、金灣新材料研究院高級技術顧問。

  楊海月：教授，博士生導師，國家級青年人才。研究聚焦于仿生智能木材、相變儲能材料、熱管理材料等。主持國家自然科學基金青年項目、中國博士后特別資助、中國博士后面上項目、黑龍江省自然科學基金優(yōu)秀青年項目等10余項，在Advanced Materials, Carbon Energy,Advanced Functional Materials 等期刊發(fā)表論文60余篇，擔任Carbon Neutralization 期刊青年編委。

  原文信息

  Qiao, L., Zhou, J., Wang, F. et al. Biomimetic, viscoelastic and interface adaptive thermally conductive composites via lignin-induced supramolecular self-assembly for advanced thermal management. Adv Compos Hybrid Mater (2026).

  https://doi.org/10.1007/s42114-025-01589-3