来源 | National Science Review

链接 | https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf394

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背景介绍

随着5G通信和高密度电子元器件的广泛应用，散热效率低和电磁污染成为制约电子元器件稳定性的双重挑战，开发具有高效热管理和宽带微波吸收性能的双功能材料成为电子元器件散热和电磁兼容的关键需求。为了提高复合材料的热导率，必须在尽量减少结构缺陷的同时建立连续完整的导热路径。因此，微结构设计有望为导热性和微波吸收提供解决方案，

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成果掠影

近日，西北工业大学顾军渭教授联合中北大学梁超博副教授团队受仙人掌多级刺状表面微结构启发，研究提出构建一种仿生三维网络结构，通过“方向-解耦”设计实现其导热和吸波的双重功效。以氮化硼纳米片（BNNS）构筑水平取向导热通路，在其层间垂直定向生长钴催化氮掺杂碳纳米管阵列制备仿仙人掌状的异质结构功能填料（(Co@NCNTs)@BNNS），再通过定向组装工艺与固-固相变聚乙二醇（ScPEG）高分子基体复合得到导热/吸波一体化复合材料。结果表明，当(Co@NCNTs)@BNNS的质量分数为30 wt%时，复合材料在2.5 mm的厚度下表现出最佳的吸波性能和导热性能，其最大有效吸收带宽（EABmax）达到6.72 GHz，面内（λ∥）和面间（λ⊥）导热系数分别达到2.55 W/(m·K)和0.94 W/(m·K)，实现了其导热/吸波一体化设计制备。密度泛函理论（DFT）分析证明了Co@NCNTs与BNNS体系的界面键合本质，验证了Co@NCNTs间独特的电子结构对电磁波吸收的优势。研究可为下一代高集成度电子设备中热-电磁协同管理材料的设计提供新的思路与策略。研究成果以“Cactus-like architecture for synergistic microwave absorption and thermal management”为题发表在《National Science Review》期刊。

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图文导读

图1 类仙人掌结构（Co@NCNTs)@BNNS的制备及表征。仙人掌启发示意图（a-b）；(Co@NCNTs)@BNNS制备示意图（c）；XRD谱图（d）；Raman谱图（d）；N和C的XPS精细谱图（f-g）；Co-BNNS的电荷密度图（h）；pCOHP图（i-k）。

图2 ZIF-67、ZIF-67@BNNS及其热解产物的SEM和TEM照片。ZIF-67（a1-a3）及其热解产物（b1-b3）的SEM和TEM照片；ZIF-67@BNNS（c1-c2）及其热解产物（d1-d2）的SEM照片；（c3）Co@NCNTs的HRTEM照片；Co@NCNTs的SAED照片（d3）。

图3 (Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG复合材料的制备流程、化学结构、和微观形貌。复合材料的制备流程图（a）；ScPEG的FT-IR谱图（b）、DSC谱图（c）和XRD谱图（d）；(Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG骨架的SEM照片（e-f）；(Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG复合材料的SEM照片（g）。

图4 (Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG复合材料的ε’和ε"、μ’和μ"、RL和EAB数据。电磁参数（a-c）；|Δ|（d-f）；RL（g-i）。

图5 (Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG复合材料的RCS模拟和电磁波吸收机制示意图。RCS模拟图（a-c）；RCS值（d）；Co@NCNTs的原子模型（e）和电荷密度图（f）；吸波机理图（g）。

图6 (Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG复合材料的导热性能、潜热存储能力和实际散热应用效果。复合材料的λ值（a）；与已报道材料λ的比较（b）；与已报道材料λ和EABmax的比较（c）；红外热成像温度曲线（d）；DSC循环曲线（e-f）；实际散热应用（g-i）。