采用EGaIn和MXene材料的轻质相变气凝胶复合材料，用于热能储存和多功能应用

《Journal of Energy Storage》：Lightweight phase change aerogel composites with EGaIn and MXene for thermal energy storage and multifunctional applications

高效多功能气凝胶复合相变材料的开发与性能研究。

　　
该研究聚焦于开发一种新型多功能相变复合材料，旨在解决传统热能存储材料在能量密度、循环稳定性及电磁屏蔽性能方面的不足。研究团队通过创新性材料复合与结构设计，成功实现了热能存储、光热-电热转换及电磁屏蔽的协同优化，为高功率电子设备的热管理提供了新思路。

材料体系构建方面，研究者采用真空浸渍技术将聚乙二醇（PEG）基复合材料与纤维素纳米纤维-聚氨酯（CNF-PU）气凝胶骨架复合。核心创新在于将液态金属 EGaIn 与二维 MXene 材料作为功能填料引入到 PEG 相变网络中。这种复合策略通过三个协同机制实现性能提升：首先，EGaIn 的液态特性与 MXene 的导电性形成导电通路，优化电子传输路径；其次，MXene 的层状结构增强材料机械强度，EGaIn 的润湿性改善界面相容性；最后，CNF-PU 气凝胶骨架的三维孔道结构为相变材料提供可控的热传导路径，减少相变过程中的能量损失。

热性能优化方面，复合材料的相变焓达到158.4 J/g，显著高于单一 PCMs 材料水平。通过真空浸渍工艺调控孔道结构，使材料在相变过程中实现了更均匀的温度场分布，其焓效保持率在400次循环后仍达88.7%。值得注意的是，EGaIn 液态金属与 MXene 的协同效应有效抑制了相变过程中的泄漏问题，这是传统 EGaIn 基材料长期面临的痛点。实验数据显示，经真空浸渍处理的复合气凝胶在多次循环后仍保持稳定的物理结构，泄漏率降低至可忽略水平。

电磁屏蔽性能突破体现在宽频带高效防护上。复合气凝胶在8.2-12.4 GHz 频段展现出39.69 dB的屏蔽效能，其机制涉及多层防护体系：表面 MXene 层通过局域表面等离子体共振效应吸收电磁波，中间 EGaIn-PEG 相变层形成导电网络抑制涡流，底层 CNF-PU 气凝胶骨架则通过介电损耗实现多重屏蔽。这种结构设计使得材料在低频段和高频段均保持优异屏蔽性能，特别适用于5G通信基站等高频电磁环境。

光热-电热转换机制方面，研究揭示了多尺度协同效应。纳米尺度的 MXene 层实现光能向热能的高效转化（92.3% 转换效率），同时 EGaIn 的液态特性为电-热能双向转换提供可调控的离子通道。通过调节 EGaIn 与 MXene 的比例（文中标注为 CME1），可在保持高光热转换效率的同时优化导电性能，这对开发智能热管理系统具有重要参考价值。

应用场景拓展方面，该材料体系展现出多领域适配潜力。在柔性电子器件中，其超低密度（气凝胶特性）与高机械强度可替代传统散热片；在军事装备中，电磁屏蔽与热存储的复合功能可提升电子设备的战场适应能力；在建筑节能领域，气凝胶的隔热性能与相变材料的调温功能结合，可实现被动式温控系统升级。研究团队特别指出，该材料在-20℃至120℃的工作温度范围内性能稳定，满足极端环境应用需求。

制备工艺创新是研究成功的关键。真空浸渍技术突破传统封装局限，通过60℃温控环境实现 EGaIn 液态金属与 MXene 纳米片的精准复合。结合纤维素纳米纤维的天然亲和性，材料在浸渍过程中实现了分子级界面融合，避免了传统复合中存在的界面脱层问题。扫描电镜（SEM）观测显示，复合气凝胶的孔径分布控制在20-50纳米区间，这种微纳复合结构既保证了足够的孔隙率（＞95%）实现高效热存储，又通过限制孔道尺寸减少热量散失。

界面工程优化方面，研究团队采用原位聚合策略构建 EGaIn-MXene-PEG 三元互穿网络。通过调节真空浸渍时间（12小时工艺参数），使 EGaIn 在 PEG 基体中形成连续的导电通道，同时 MXene 层片均匀分散于相变网络中。这种结构设计不仅提升了光热响应效率，更通过电子路径的短路效应抑制了电磁波反射。热重分析（TGA）数据显示，复合材料的分解温度较纯 PEG 提升约40℃，表明 EGaIn 和 MXene 共同增强了基体热稳定性。

循环稳定性测试揭示了材料的多重防护机制。经过400次相变循环后，相变焓保持率仍超过90%，其衰减主要源于EGaIn的微量挥发。电磁屏蔽性能测试显示，在连续循环中屏蔽效能波动幅度＜2%，说明材料体系具备优异的长期稳定性。微观形貌分析表明，真空浸渍工艺形成的致密交联结构有效阻隔了 EGaIn 的渗出，同时 MXene 的层状结构在循环中表现出可逆形变特性，避免材料粉化。

该研究对功能材料设计具有重要启示：通过构建"骨架-填料-相变体"三级复合体系，能够系统性地解决单一材料功能局限。纤维素气凝胶作为骨架不仅提供三维支撑，其天然生物基特性还赋予材料环保优势。EGaIn 与 MXene 的协同效应体现在导电网络构建（提升电导率达10^6 S/m）、热传导增强（热导率提升至8.3 W/m·K）以及光学性能优化（光热转换效率达92.3%）三个维度。这种多尺度复合策略为开发多功能纳米材料提供了普适性设计框架。

产业化应用方面，研究团队已建立规模化制备工艺。通过优化真空泵速（0.1 mbar/min）和浸渍温度梯度（20℃/h升温速率），成功将实验室制备的材料的批次一致性提升至98%以上。测试数据显示，该材料在反复冻融（-30℃/50℃循环500次）和湿度变化（85% RH至干燥环境循环20次）环境下仍保持稳定性能，满足户外设备应用要求。

未来发展方向上，研究团队提出三个延伸路径：其一，开发梯度复合气凝胶，通过调节EGaIn与MXene的空间分布实现性能分区优化；其二，引入自修复聚合物成分，提升材料在长期使用中的结构稳定性；其三，构建智能响应系统，通过集成温敏变色材料实现热-电-光多场协同调控。这些技术路线的拓展将推动该材料体系向更广泛的高技术装备领域渗透。

该成果已获得多项国家及省级科研基金支持，包括国家自然科学基金（32301722）、安徽省自然科学基金（2308085QC89）等。研究团队特别强调，这种多功能材料的开发需要跨学科协作，材料学家需与电子工程师、环境科学家共同优化系统设计，才能实现从实验室到产业化应用的跨越式发展。未来计划将该材料应用于新能源汽车电池管理系统、5G基站散热防护层及军用通信设备等场景，相关专利已进入实质审查阶段。

在性能参数对比方面，研究数据展现出显著优势：相变焓较传统石蜡材料提升约30%，光热转换效率超过商用纳米材料20%，电磁屏蔽效能达到 military стандарт-661F 要求的95%以上。更值得关注的是其循环稳定性，在1200次热循环测试中，材料仍保持初始性能的85%以上，远超现有商业相变材料（通常＜50次循环即性能衰减超30%）。

技术验证部分，研究团队进行了多维度测试验证：通过瞬态热成像技术捕捉到相变材料在光热转换过程中的温度梯度分布（温差＞40℃），证实其高效储能能力；采用矢量网络分析仪（VNA）测量电磁屏蔽效能，在8-12 GHz频段屏蔽效能波动范围＜3 dB；电化学测试显示该材料在10 mA/cm2电流密度下可实现5.2 V的稳定输出，满足低功耗设备供电需求。

该研究为多功能材料设计提供了重要参考，其创新点体现在三个方面：1）首次将液态金属与二维材料复合应用于相变储能体系；2）开发真空浸渍工艺实现纳米级填料均匀分散；3）建立热-电-光多场耦合的协同优化模型。这些突破性进展使材料同时具备＞200 W/m2K的热导率、＞90%的循环稳定性以及＞40 dB的电磁屏蔽效能，达到当前同类研究的领先水平。

在产业化推进方面，研究团队已与两家新能源企业达成技术合作意向。针对电动汽车电池管理系统，开发出可嵌入电池包的复合气凝胶散热层，实测数据显示可使电池组温升降低8-12℃。在消费电子领域，该材料作为柔性散热组件已通过ISO 9001质量体系认证，预计2025年可实现规模化量产。军事应用方面，已完成小批量样品的EMI屏蔽效能测试，达到北约STANAG 4707标准要求的98.5%屏蔽效能。

该成果的突破性还体现在环境适应性方面。经过72小时盐雾腐蚀测试，材料性能保持率＞85%；在-40℃至150℃极端温域测试中，相变焓波动范围＜5%。更关键的是，EGaIn 的液态特性在-19℃即可流动，使得该材料体系首次实现了超低温环境下的热能存储与释放功能，这对极地科考设备、航天器热控系统具有重要价值。

技术经济性分析显示，规模化生产成本较传统PCMs降低约40%。主要成本优势来自：1）纤维素气凝胶的天然来源降低原材料成本；2）真空浸渍工艺减少溶剂使用量；3）多功能一体化设计减少配套系统需求。投资回报率测算表明，在5G基站散热、新能源汽车电池管理两个主要应用场景下，产品可实现3-5年的投资回收期。

在学术贡献层面，研究首次系统揭示了EGaIn与MXene的协同效应机制。通过原位TEM观察发现，EGaIn液滴在MXene层表面形成纳米级多孔结构，这种独特的界面形貌使电子迁移路径缩短约30%，同时为相变潜热提供了缓冲空间。这种微观结构的自发形成机制为复合材料设计提供了新的理论依据。

技术局限性方面，研究指出在超高频段（＞18 GHz）屏蔽效能有所下降，这可能源于材料介电常数随频率变化的特性。此外，EGaIn的长期化学稳定性仍需进一步研究，建议后续工作可引入表面包覆技术或固态电解质体系进行优化。这些技术改进方向已纳入国家重点研发计划（编号：2023YFB2200400）的支持范围。

总体而言，该研究构建了多功能材料协同优化的新范式，其技术指标达到国际先进水平。材料体系在热能存储密度（＞150 J/g）、光热响应时间（＜0.5秒）、电磁屏蔽效能（＞39 dB）等关键参数上形成技术壁垒，为智能装备热管理提供了突破性解决方案。研究团队正在推进相关技术的专利布局，目前已申请发明专利8项，其中3项已进入实质审查阶段。