来源 | Nature

链接 | https://www.nature.com/articles/s41467-026-68715-7

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文章导读

近期，西安交通大学王秋旺/Wenxiao Chu研究团队在相变材料电子设备动态热管理研究中取得重要进展。提出一种基于磁场的非接触式调控策略，通过精确控制复合PCM中磁性纳米颗粒的中尺度聚集结构取向，实现传热性能的动态调控——优化取向时，有效热阻较原始复合PCM降低1.8倍；基于此，构建了可重构热管理框架，在电子元件动态和间歇负载条件下，相较于无磁场调控，温度波动降低10.8℃。文章将以《Dynamic thermal management under variable operating conditions through magnetic field control》为题，发表在《Nature Communications》上。

目前，该文章还未最终出版，以下为手稿版本引言及结论：

航空航天系统、专用电池模块和电动汽车中的电子设备，在动态运行条件下常因遭受剧烈热循环而出现材料老化、性能退化和热疲劳等问题。在航空航天环境中，失重、体积限制等约束给设计带来了巨大挑战，传统热管理系统（TMS）往往难以提供充分的热调控。为解决这一问题，基于相变材料的热缓冲器被提出作为一种可行方案，其利用自身吸收和释放潜热的固有特性，通过 “削峰填谷” 实现热负荷均衡。然而，相变材料固有的低热扩散率使其必须引入高导热增强介质以提升散热效率。当前的增强策略主要侧重于缓解稳态运行时的热失控现象，但在应对极端热瞬态和波动环境条件时适应性有限。为确保电子设备在长期动态热负荷作用下的持续运行稳定性，开发具有动态可调传热特性的热缓冲系统至关重要。此类系统需具备主动响应瞬态热需求、调节热阻的机制，从而在极端运行变工况下实现稳健的热管理。

动态调控热管理特性的方法主要分为两类：一类是在电子设备与热缓冲器之间设置热开关，另一类是直接调控热缓冲器内部的热传导 。关于调控电路通断的电子开关，已有研究通过操控组件间的界面热阻来控制传热路径的激活与关闭。通过动态调节界面热阻（由驱动传热路径空隙内毫米级液态金属液滴的运动控制 ），可实现显著的开关比 。由于非均匀应变会显著影响声子传输，近期研究还尝试通过在层间嵌入热膨胀微球来调控传热路径 。此外，纳米尺度的可逆电化学、水合作用 以及电场驱动 等方法也可实现热阻的实际调控。尽管热开关的开关比可超过 10，但仅能实现 “开” 和 “关” 两种状态，缺乏动态性能调节能力。

针对热缓冲器内部传热调控的尝试，主要集中在利用多种物质使相变材料在低于熔点的温度下发生固 - 液相变。然而，由于相变材料导热系数低，直接调控相变材料内部传热增强介质的形貌和排列方式更为高效经济。研究表明，引入纳米颗粒可构建更具多功能性的加热表面。但当前复合相变材料受碳纳米片、纳米管等纳米颗粒各向异性传热特性的影响，这些纳米颗粒的随机分布阻碍了对传热过程的精确控制。已有研究通过定向排列碳基纳米颗粒，大幅提升了复合相变材料在单一方向上的传热能力，这些方法进一步依赖范德华力或磁力实现结构稳定的热缓冲材料。尽管如此，传热性能的动态调控通常需要施加外场。利用碳基纳米颗粒的固有导电性，施加直流电场可促使其形成链状结构，实现 1.35 倍的开关比 ；当与磁性材料结合时，也可通过磁场调控碳基纳米颗粒的聚集与排列 。

传统的磁性定向导热填料方法仅限于材料制备过程中的静态一次性优化，所得复合材料的热性能固定。本研究通过将 Fe₃O₄@碳纳米管（CNT）纳米颗粒分散在正二十烷中，构建了动态可重构热管理系统，突破了这一范式。与主流的宏观性能增强不同，本研究致力于精确表征并利用均匀磁场下纳米颗粒的介观聚集结构作为可调热网络。通过改变磁感应线与主导传热路径的倾斜角，动态调控纳米颗粒聚集结构的取向，实现了有效热阻的原位可逆调节，开关比达 1.8 倍。这使得同一材料可按需用作高效均热板或强效隔热体，从而缓解动态和间歇负载下的温度波动。循环测试进一步证实了该动态调控方法的可靠性，温度波动幅度减少了 10.8℃。值得注意的是，纳米颗粒聚集体的动态重取向主要在装置运行期间的熔融态相变材料中有效，因为凝固的相变材料基体将显著阻碍颗粒运动。本设计巧妙利用了这一固有特性：待机状态下，凝固过程将预先形成的聚集结构 “锁定”，发挥隔热作用；仅在下次运行周期中相变材料再次熔融时，才对聚集结构进行动态重构。

本次研究以 Fe₃O₄@碳纳米管（CNT）纳米颗粒作为可控传热增强介质，以市售高潜热材料正二十烷为基体，制备了复合相变材料。通过两步法将 Fe₃O₄纳米颗粒负载于碳纳米管表面，赋予其磁场响应可调性。所得复合相变材料稳定性良好首次实现了磁场对PCM传热性能的精准、非接触式动态调控，填补了传统PCM基热管理系统适应性不足的空白，建立了可规模化的瞬态热挑战解决方案，不仅深化了纳米颗粒聚集结构与传热性能的关联认知，还为高性能电子系统的热管理提供了全新技术路径，尤其适用于极端运行变异性场景。

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部分作者简介

王秋旺，西安交通大学教授、教务处处长，国家杰青、国家级领军人才、国家重点研发项目首席科学家、美国机械工程师学会会士、国际传热传质中心执行理事、国际传热大会常务理事。Energy Storage & Saving创刊主编，Int J Heat Mass Transfer副主编。长期从事节能与储能过程强化方面的研究，取得了多项突破性成果，为工业节能、高效换热装备的设计及研发作出了重要贡献。曾获国家技术发明二等奖、科技进步奖创新团队奖、教育部技术发明一等奖、机械工业技术发明一等奖等奖励。

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