来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202529268

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背景介绍

下一代电子设备小型化导致局部热积累，严重影响设备性能和寿命，传统热管理方案难以满足 “定向散热 + 界面隔热” 的双重需求：刚性散热结构无法适配柔性设备，液态冷却系统存在泄漏风险，而常规导热膜（如 PI 膜、铝箔）多为各向同性或低各向异性，面内散热效率不足且易导致设备间热串扰。各向异性导热薄膜（TCFs） 因面内快速散热、面间隔热的特性成为关键解决方案，传统宏观 TCFs 的热各向异性因子（面内热导率λx/ 面间热导率λz）远低于应用需求，难以满足应用需求，原子级精准结构（如 MoS₂薄膜）难以规模化应用。

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成果掠影

近日，中国科学技术大学程群峰团队通过仿生受限策略，采用逐层刮涂（LbL blade coating）与界面共价桥接技术，制备出交替堆叠的 MXene / 蒙脱土（MMT）复合膜（IBAMM）；该膜具有超高热各向异性，面内热导率达63.4 W/m⋅K，面间热导率仅0.09 W/m⋅K，各向异性因子高达707，冷却效率达 41.9%，显著优于商用热导膜（TCFs）及现有纳米复合膜，同时具备优异的热稳定性（250℃以下性能稳定）、机械柔韧性（拉伸强度 272.6 MPa，500 次弯曲后性能无明显衰减）和环境稳定性，为下一代电子设备（如锂电池、陶瓷加热器）的高效热管理提供了新方案，也为二维纳米片组装高性能功能膜开辟了路径。研究成果以“Bioinspired Confined Anisotropic Thermally Conductive MXene Film for Efficient Thermal Management” 为题，发表于《Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读

图1 IBAMM薄膜的结构表征和各向异性热性能。（a）IBAMM薄膜的结构模型示意图。(b)IBAMM膜的横截面的HR-TEM图像。（c）IBAMM膜的横截面的HAADF-TEM图像和相应的元素映射图像显示了Ti和Si元素的交替多层分布。（d）IBAMM的各向异性因子显示超过石墨烯、BNNS、（e）聚酰亚胺（PI）膜、锡箔、柔性覆铜板（FCCL）、GN/PVA、BNNS/ANF、MXene和IBAMM膜的冷却效率。

图2 IBAMM膜的设计策略。（a）MXene和MMT晶格的累积TC与声子的MFPs。（B）MXene/MMT晶格的示意性计算模型。（c）计算的声子色散关系沿着MXene/MMT晶格的高对称方向和投影PDOS。（d）入射Cu-Kα X-的WAXS图案。平行于膜平面的X射线束和MXene、BMM、AMM和IBAMM膜的002峰的相应方位角扫描轮廓。（e）由密度测量得出的MXene、BMM、AMM和IBAMM膜的孔隙率。(f)MXene和IBAMM膜的Ti 2 p区域中的XPS光谱。

图3 IBAMM薄膜的各向异性热性能。（a）λx和λz以及（b）MXene、BMM、AMM和IBAMM薄膜的各向异性因子。(c)不同温度下MXene、BMM、AMM和IBAMM薄膜的λx和λz。（d）IBAMM薄膜与其他MXene薄膜的λx和含量的比较。

图4 IBAMM膜作为散热器的器件应用。（a）说明集成到四个陶瓷电加热器中的IBAMM膜的使用的示意图。（b）裸陶瓷电加热器、集成1 L-IBAMM、4L-IBAMM、（c）在10次加热和冷却循环下，裸陶瓷电加热器和集成7 L-IBAMM膜的表面温度。测试了裸软包锂电池和集成7 L-IBAMM膜在5次充放电循环下的表面温度。