蒙納士大學劉閩蘇團隊《自然·通訊》：新型相變復合纖維，可用于高級熱管理

隨著5G通信、人工智能和高集成計算模塊的快速發展，現代電子產品正朝著小型化和高功率密度方向不斷邁進，由此引發的熱管理挑戰日益嚴峻，直接影響器件性能、運行穩定性和使用壽命。風扇和液冷系統等主動冷卻方案雖然散熱能力較強，但其體積、復雜性和功耗需求限制了它們在輕量化、節能型智能電子產品中的應用。相變材料憑借其在固-液轉變過程中吸收大量潛熱的特性，成為抑制瞬時熱斑和調節熱通量的重要候選材料。然而，相變材料固有的低導熱系數（通常為0.1-0.5 W·m?1·K?1）嚴重制約了其實際應用。

針對上述挑戰，蒙納士大學劉閩蘇研究員、清華大學丘陵和東南大學鄒瑞萍合作提出了一種利用熔體輸運的對流增強策略。他們通過非溶劑誘導相分離技術制備了具有互連核心通道（體積占比超過90%）和多孔導電殼層的復合纖維。實驗和數值分析表明，特定的通道結構能夠激活內部對流，其熱貢獻超過本征熱傳導的100%。優化后的復合相變纖維在僅含3 wt%添加劑的情況下實現了1.05 W·m?1·K?1的導熱系數，熔化后可提升至2.48 W·m?1·K?1，性能優于具有更高本征導熱系數的纖維。器件級演示證實了這類纖維在熱緩沖方面的巨大潛力。相關論文以“Convection enhanced phase change composite fibers for advanced thermal management”為題，發表在Nature Communications上。

研究團隊設計了一種層級核殼結構纖維，兼具三大功能：核心內部連續互連的孔隙網絡確保封裝相變材料的均勻熱接觸和高效熱吸收；高內部空隙率為相變材料提供充足儲存空間；由芳綸納米纖維/氮化硼納米片構成的致密外殼則賦予纖維結構穩定性、定向導熱路徑和防泄漏屏障。通過同軸濕法紡絲技術，研究人員實現了這一層級結構的一步成型。當纖維芯層凝膠接觸凝固浴后，溶劑快速向外擴散觸發非溶劑誘導相分離，生成徑向擴展的手指狀大孔；而富含芳綸納米纖維的外殼因密集的氫鍵網絡而快速固化，形成致密且機械性能優異的外層，其中氮化硼納米片呈現定向排列。掃描電鏡圖像驗證了清晰的核殼形態，顯示均勻的殼層厚度和芯層內的指狀孔結構。計算機斷層掃描進一步揭示，這些大孔形成了連續且曲折的通道網絡而非孤立空隙。汞壓孔率測試顯示孔徑范圍為500 nm至10 μm，遠超PEG2000分子的流體力學半徑（12.5 nm），表明分子尺度受限效應可忽略不計。實驗測得孔隙率達89%，與理論估算值92%高度吻合，差示掃描量熱分析和熱重分析表明纖維潛熱約為118 J/g，對應約90 wt%的PEG負載量。

圖1. 相變復合纖維的設計、制備與形貌表征。 (a) 核-殼纖維結構示意圖，突出用于相變材料封裝的宏通道和致密外殼；(b) 同軸濕法紡絲制備過程示意圖；(c) 溶劑交換過程中非溶劑誘導相分離形成宏通道結構的機制示意圖（藍色：水；黃色：芳綸納米纖維/二甲基亞砜；灰色：聚乙烯醇縮丁醛/N,N-二甲基乙酰胺）；(d) 代表性核-殼纖維的橫截面掃描電鏡圖像，顯示清晰的芯部和致密外殼；(e) 計算機斷層掃描重建的軸向截面，顯示曲折連通的孔網絡分布；(f) 通過壓汞法測定的芯部材料孔徑分布。

關于外殼的增強作用，應力-應變曲線顯示無殼多孔纖維的拉伸強度僅為0.92 MPa，而具有ANF/BNNS外殼的PFS-5纖維強度提升至5.55 MPa。斷裂面掃描電鏡圖像進一步揭示了差異：無殼纖維呈現脆性斷裂特征，而帶殼纖維在破壞前發生顯著形變，表明外殼有效耗散機械能并延緩裂紋擴展。彎曲性能測試同樣證實核殼結構顯著提升了纖維的韌性和柔韌性。在熱傳導方面，瞬態電熱測量顯示無殼纖維導熱系數僅為0.01 W·m?1·K?1，而PFS-5提升至1.16 W·m?1·K?1。相變材料浸潤后，PIF-5導熱系數升至0.46 W·m?1·K?1，PIFS-5則達到1.22 W·m?1·K?1。動態熱性能測試表明，距離熱源相同距離處，PIFS-5在200秒后溫度達到65°C，而PIF-5僅達到61°C，證明外殼促進了沿纖維的熱量快速再分布。長期熱循環測試顯示，經過100次加熱-冷卻循環后，PIF-5損失了22.0%的質量和21.7%的潛熱，掃描電鏡觀察到泄漏留下的空隙；而PIFS-5保留了99.1%的質量和98.7%的潛熱，橫截面確認無可見相變材料損失。

圖2. 所制備纖維的力學性能、熱導率和熱穩定性。 (a) 無外殼多孔纖維和帶ANF/BNNS外殼多孔纖維的拉伸應力-應變曲線，顯示PFS顯著增強的拉伸強度和韌性。插圖：PFS拉伸斷裂后的橫截面SEM圖像；(b) 數碼照片顯示PFS相比脆性PF具有優異的彎曲完整性；(c) PF、PFS、相變材料浸潤纖維和帶外殼的相變材料浸潤纖維的熱導率；(d) 熱紅外圖像和(e) 加熱過程中固定點的相應溫度-時間曲線，展示了PIFS相比PIF增強的軸向熱傳遞效率；(f) PIF和PIFS在100次熱循環中的質量保持率。插圖SEM圖像顯示循環前后代表性纖維的橫截面，突出外殼結構優異的PCM防漏性能；(g) PIF和PIFS在100次熱循環后的焓保持率。

為了構建結構可編程平臺，研究團隊通過改變芯層紡絲液中BNNS含量來調節PIFS纖維的多孔骨架。二維BNNS具有強烈的結構塑造能力，隨著BNNS含量從10 wt%增加至70 wt%，芯層形態從稀疏、高度分支的手指狀大孔逐漸演變為更窄、更密集分布的孔隙，骨架增厚形成更致密的框架。當BNNS含量達70 wt%時，芯層轉變為具有更小孔隙的緊湊網絡。流變曲線表明增加BNNS含量顯著提高了粘度并減緩了富聚合物相的松弛，意味著有效擴散率降低并向粘度主導的相分離機制轉變。基于Cahn-Hilliard框架的相分離模擬再現了從粗大、寬間距手指狀孔到緊湊、精細分割通道網絡的實驗觀察過渡。盡管孔結構存在差異，所有PFS樣品均保持約90%的高孔隙率，平均孔徑從PFS-1的5309 nm減小至PFS-7的502 nm，但仍遠大于PEG2000的流體力學半徑。

圖3. 不同BNNS含量下纖維芯部的形貌演化。 (a) 纖維設計策略示意圖，顯示芯部BN含量從PFS-1（10 wt%）到PFS-7（70 wt%）逐漸增加；(b-e) PFS-1、PFS-3、PFS-5和PFS-7的橫截面SEM顯微照片，顯示隨BN含量增加的通道結構變化；(f-i) PFS-1、PFS-3、PFS-5和PFS-7的放大橫截面SEM顯微照片，顯示通道細節；(j) 基于Cahn-Hilliard框架的相分離模擬，對應于不同芯部BNNS濃度下的相分離。

研究團隊進而探究結構差異如何影響傳熱。固有導熱系數隨芯層BNNS含量增加而上升，PFS樣品從0.85升至1.49 W·m?1·K?1，PCM浸潤后從0.89升至1.55 W·m?1·K?1。然而動態紅外熱測試揭示了相反趨勢：在加熱進入相變區間時，導熱系數較低的PIFS-3反而表現出更快的升溫速度，而導熱系數更高的PIFS-7升溫更慢。這一不匹配現象在未浸潤PCM的纖維中或熔點以下溫度未出現，表明該現象源于熔體輸運而非固相傳導。溫度-時間曲線分析顯示兩個特征峰：低溫峰與PCM熔化膨脹增強與固體骨架熱接觸有關，高溫峰則歸因于熔融PCM內部的對流。水流實驗表明，PIF-1具有最大最開放的通道，表現出最高最快的流量；而PIF-7的孔隙最小最曲折，流動阻力最大。這揭示了固態傳導與熔體流動性之間的競爭關系：PIFS-3在兩者之間達到平衡，提供了最佳的總體熱性能。瞬態電熱測量顯示，有效導熱系數在熔點以下基本恒定，但在熔點以上顯著增加，PIF-1和PIF-3的提升超過100%。

圖4. 不同芯部結構的PFS纖維的物理熱學性質與動態熱性能。 (a) PCM浸潤前后纖維熱導率隨芯部BN含量的變化；(b) 相應PIFS樣品的實測密度和潛熱；(c) 代表性熱紅外圖像和(d) PIFS纖維在加熱過程中固定監測點的相應溫度-時間曲線；(e) 從(d)導出的微分溫度-時間曲線，突出受孔結構和對流影響的加熱速率分布差異；(f) 水流動實驗研究PFS內部通道對流體遷移性的影響；(g) PIFS樣品的溫度依賴性熱導率，顯示相變后熱導率增加；(h) 不同溫度下纖維的熱導率增強比。

為了理解通道結構對對流換熱的影響，研究人員基于PIFS樣品的特征構建了四種幾何模型進行數值模擬。所有模型具有相同材料組成、固相導熱系數和90%孔隙率，差異僅在于內部骨架的厚度和間距。從Geom-1到Geom-4，骨架逐漸增厚、排列更密集，流道變窄，流體運動阻力顯著增加，水力直徑和達西滲透率均下降數個數量級。在加熱過程中，體積平均流體速度隨自然對流環流建立而增加，約2.5秒時達到峰值。Geom-1支持跨越大部分孔隙體積的大尺度循環環流，實現熱流體從加熱邊界向冷側的高效輸運；隨著骨架致密化，回流逐漸受限，Geom-4中流體幾乎保持靜止。在最大對流時刻，Geom-1和Geom-2的死區比例分別為17.7%和70.1%，Geom-3急劇上升至98%，Geom-4則在整個過程中保持接近100%。Geom-1實現了keff從1.75至3.51 W·m?1·K?1的提升，增強超過100%，而Geom-4僅獲得約10%的提升。

考慮到纖維基熱管理組件的實際應用，研究人員還考察了熱通量和重力方向對多孔網絡內浮力驅動對流的影響。以Geom-1為代表，熱圖像直觀展示了重力方向如何重構內部熱輸運。當重力垂直于熱通量方向時，溫度場顯示出跨越整個多孔域的延長回流路徑，實現了高效的橫向熱量再分布。而當重力與熱通量同向或反向時，浮力驅動運動變得局部化，導致更強的熱分層和孔隙體積利用率降低。冷端溫度和有效導熱系數的演化均顯示垂直情況下達到最高值。溫度依賴性瞬態電熱測量表明，PIFS-1在垂直方向的對流增強超過123%，重力同向時為103%，反向時僅為47%。這表明纖維在器件表面水平放置更有利于散熱，與熱管和均溫板的工程直覺一致。參數分析進一步顯示，在骨架和相變材料本征導熱系數均較低的體系中，對流增強效應最為顯著。

圖5. 四種不同內部幾何模型的多物理場傳熱動力學模擬。 (a) 四種模型幾何示意圖；(b) 水力直徑和達西擴散率，反映結構設計對流體輸運行為的影響；(c) t=2.5秒時的速度場分布；(d) 全局平均速度的時間演化和(e) 全局死區比例；(f) 基于熱流和冷熱端溫差計算的全局有效熱導率；(g) 四個模型在不同時間點的溫度場分布，以及(h) 冷端溫度曲線；(i) 不同情況下的溫度場分布；(j) 冷端溫度曲線和(k) 相應的全局有效熱導率；(l) 通過瞬態電熱法測量的PIFS-1在不同情況下的溫度依賴性熱導率。

在緊湊型電子設備中，散熱常受限于空間不足、環境對流弱以及缺乏大型散熱器的安裝空間。研究人員將PIFS-3纖維組裝的墊片直接應用于開發板的CPU上進行器件級測試。在持續最大負載應力測試1200秒后，紅外圖像顯示無熱管理情況下CPU產生的熱量在受限空間內逐漸積累并擴散至整個PCB板，溫度超過90°C。熱擴散器和熱緩沖墊均能有效降低整體PCB溫度，但CPU核心溫度演化分析表明，熱擴散器在運行初期保持較低溫度，而熱緩沖墊使溫度上升緩慢，在全負載運行600秒后CPU溫度更低。CPU運行頻率記錄顯示，熱緩沖墊附著的CPU在約15分鐘后出現明顯更少的降頻事件，表明長期熱穩定性更佳。值得關注的是，PIFS纖維的本征導熱系數低于2 W·m?1·K?1，遠低于熱擴散器。熱電偶測量CPU、WiFi模塊和內存模塊的表面溫度進一步證實，熱緩沖情況下的所有監測組件表面溫度均為最低。這一效應源于相變材料的潛熱吸收，暫時儲存熱能并抑制峰值溫度傳播。數值模擬結果與實驗觀測一致，證實了熱緩沖在受限環境中更有效地限制PCB、CPU及周圍組件的溫升。

圖6. PIFS纖維在實際熱管理應用中的演示。 (a) Orange Pi開發板的光學圖像，CPU被PIFS纖維墊覆蓋，以及運行1200秒后相應的紅外熱圖像；(b) 運行期間CPU內部溫度和(c) CPU運行頻率；(d) 顯示三個關鍵區域熱電偶位置的光學圖像：區域A: CPU，區域B: WiFi模塊，區域C: 內存模塊；(e) CPU、(f) WiFi模塊和(g) 內存模塊在三種不同情況下的熱電偶測量表面溫度；(h) 器件溫度場；(i) 印刷電路板的平均溫度和(j) 區域A（CPU）的平均溫度。

小結：這項研究強調了熱傳導和熱對流在相變復合材料設計、性能和實際應用中的關鍵作用。通過同軸濕法紡絲結合非溶劑誘導相分離技術，研究團隊成功制備了兼具機械魯棒性和可控熱輸運路徑的核殼結構相變復合纖維。實驗測量與數值模擬共同證明，互連通道激活了熔融相變材料的浮力驅動對流，產生了顯著的熱增強效應。大通道結構有利于熔體流動性和對流傳輸，而致密網絡則抑制流動并使傳熱轉向傳導主導機制。這些結果建立了一個基于結構的設計框架，其中對流增強傳熱成為相變復合纖維在實際運行條件下性能的關鍵因素。器件級實驗證實了這些纖維在緊湊電子系統中作為熱緩沖器的有效性，以及它們在熱儲存纖維材料中的適用性。這一傳導-對流整合視角為相變復合材料的理性設計提供了指導原則，并將拓展其在熱管理系統中的應用范圍。