氮化硼气凝胶薄膜及其相变复合材料获重要进展

  气凝胶是一种具有三维多孔网络结构的超轻固体材料,具有超低热导率,能够作为一种超级隔热材料,在航天航空、建筑节能、电动汽车及便携式电子设备等领域发挥重要作用。然而,目前大部分气凝胶均为宏观块体形态,不具备纤细、轻薄、柔长等特征。另一方面,气凝胶材料自身所具有的弱力学强度,使得其后加工(如切割、压缩)相对困难。因此,对于气凝胶低维宏观形态的设计依旧具有一定的挑战性,制约了气凝胶材料在限域空间热量管理的功能发挥,如未来新兴的5G便携式/可穿戴电子系统的实际热控需求。 

  为实现气凝胶材料的轻薄化设计,中科院苏州纳米所张学同研究员团队和海南大学廖建和教授团队合作,寻找到一种可切割、可压缩的气凝胶前驱体,进而发展出一种简易的气凝胶轻薄化设计方法。通过水-叔丁醇共溶剂体系,调控硼酸与三聚氰胺的氢键组装,获得由纳米带相互缠绕、搭接而成的三聚氰胺-二硼酸盐(M·2B)气凝胶块体材料。该气凝胶块体具备可切割、可压缩等特征,具有良好的可加工性能。经过简易的切割、压缩及后续的高温热解,成功获得柔性、自支撑的氮化硼气凝胶薄膜,如图1所示。通过工艺参数调控,能够有效实现对氮化硼气凝胶薄膜厚度、密度、形状及尺寸的调控,且所得氮化硼气凝胶薄膜在室温、液氮及火焰中,均可弯曲,表现出良好的力学柔性,如图1所示。 

   

  1 三聚氰胺-二硼酸盐气凝胶块体材料的可切割性(a-c)、可压缩性(d),氮化硼气凝胶薄膜的力学柔性(c-g)及微观形貌(h-i)。 

  此外,以上述氮化硼气凝胶薄膜作为支撑材料,成功获得氮化硼气凝胶相变薄膜。得益于气凝胶自身所具有的显著毛细作用力,能够有效束缚并限域熔融态的有机固-液相变材料,防止熔融态相变材料泄露。所得氮化硼气凝胶薄膜表现出良好的形状稳定性;所得氮化硼气凝胶相变复合薄膜具有高相变焓值,并具有优于目前商业化柔性相变材料的热导率,如图2所示。 

   

  2 不同温度下氮化硼气凝胶相变复合薄膜的光学照片(a)、薄膜的微观形貌(b-d)及热性能(e-g)。 

  气凝胶及其相变复合材料具有以下热控管理潜能:1)气凝胶薄膜具有低导热率、轻薄等特征,可实现限域空间内热量的隔绝;2)气凝胶相变复合薄膜能够在温度变化的环境中,可逆的吸收或释放热量,并维持自身温度相对恒定,实现对热能的限域与调制。研究者初步探究了氮化硼气凝胶薄膜及其相变复合薄膜在先进电子系统(如便携式、可穿戴、5G等)多元化热控管理中的可行性,并以此提出了基于隔热与热能调制的两种热控管理策略及其应用形式与场景,如图3所示。气凝胶薄膜及相变复合薄膜能够有效改变和调控热流的传输方向,阻止热量向附近生物组织及其他功能单元扩散,为电子系统提供舒适的运行环境,并为使用电子器件的人体提供舒适的佩戴或使用环境。 

   

  3 气凝胶薄膜及相变复合薄膜在便携式电子系统中的热管理示意图。 

  该研究工作为气凝胶材料的轻薄化设计及限域空间内热能的多元化管理提供了理论支持及引导,有望在未来先进的5G便携式电子设备中实现热控管理的多元化应用。 

  相关成果以Nanoporous Boron Nitride Aerogel Film and Its Smart Composite with Phase Change Materials”为题发表在国际著名期刊ACS Nano上。硕士研究生王伯珑、博士李广勇为论文共同第一作者,中科院苏州纳米所张学同研究员与海南大学廖建和教授为论文共同通讯作者。该论文工作获得了国家重点研发计划、英国皇家学会-牛顿高级学者基金的资助。 

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.0c05931 


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