适用于无枝晶结构、提升离子传输性能以及制造柔性锌金属电池的UV固化蒙脱石增强凝胶聚合物电解质

《Journal of Energy Storage》：UV-curable montmorillonite-enhanced gel polymer electrolyte for dendrite-free, enhanced ion transport, and flexible Zn metal batteries

柔性复合相变材料（SR/paraffin@MF微胶囊/EG）通过优化微胶囊与膨胀石墨的配比（25%/20%）显著提升热导率达2.357 W/(m·K)，较纯硅橡胶提升1339%，并有效降低芯片工作温度66.77%。

　　
随着电子设备功率密度的持续提升，热管理技术已成为制约高性能电子器件发展的关键瓶颈。相变材料（PCMs）因其固-液相变潜热储能特性备受关注，但实际应用中存在固液泄漏和热导率不足两大核心问题。针对这一技术瓶颈，科研团队通过构建复合相变材料体系实现了性能突破，相关成果在《Composite Materials》期刊发表。

在材料体系构建方面，研究团队创新性地采用三明治结构复合技术。以硅橡胶（SR）作为柔性基体，通过物理复合方式引入膨胀石墨（EG）作为导热增强相，同时将石蜡@蜜胺甲醛树脂微胶囊（Pa@MF）作为核心功能单元。这种复合架构实现了导热相、储能相与基体材料的协同效应：EG的层状结构不仅提供高效导热通路，其多孔特性还能有效容纳微胶囊，形成物理阻隔层防止相变泄漏；微胶囊通过相变潜热实现温度调节，而硅橡胶基体赋予材料优异的机械柔韧性和界面适应性。

实验数据表明，当EG添加量达到20%质量分数时，复合材料的导热系数跃升至2.357 W/(m·K)，较纯硅橡胶提升1339%。这一突破性进展源于EG独特的二维六方层状结构，其比表面积达2600 m2/g，与微胶囊形成热传导网络，同时EG的层间间距（约3.5 nm）与微胶囊直径（200-2000 nm）形成梯度匹配，显著降低界面热阻。值得注意的是，在导热相添加量超过25%时，材料出现明显的界面脱粘现象，这为工程化应用提供了重要参数参考。

在热管理性能方面，复合体系展现出多维度调控能力。通过调节微胶囊含量（25%质量分数）和EG填充量（20%质量分数），材料在10-20 W/cm2热流密度范围内实现高效热管理。在芯片热管理测试中，FCPCM-20体系使工作温度降低达66.77%，较单一EG增强体系提升19.8个百分点。这种性能优势源于三重协同机制：首先，微胶囊相变单元在温度波动时通过相变潜热吸收或释放热量，实现热量的动态缓冲；其次，EG的导热网络在相变过程中保持稳定传热通道；最后，硅橡胶基体通过应力释放机制维持材料整体完整性。

对比分析显示，该体系在导热性能与机械稳定性间取得平衡。相较于Zhou团队开发的PDMS/微胶囊/CF体系（热导率1.66 W/(m·K)），本研究的导热系数提升42%，同时拉伸强度保持35 MPa以上，较传统PCMs复合体系（如Deng团队开发的PDA涂层体系）机械性能提升60%。这种性能突破得益于EG的梯度填充技术：通过控制EG的片层排列方向（X轴：横向片层；Y轴：纵向片层），在材料中构建出双轴导热网络，使导热系数提升至常规复合材料的1.8-2.3倍。

热稳定性测试表明，复合体系在-40℃至150℃工况下仍保持结构完整性。微胶囊表面形成的MF壳层（厚度约50 nm）不仅有效阻隔石蜡渗出，其热膨胀系数（5.2×10??/K）与硅橡胶基体（5.5×10??/K）的匹配性，确保了相变过程的热量传递效率。当环境温度从25℃升至95℃时，EG的层间距发生有序膨胀（约15%体积变化），形成连续导热通道，使材料在高温工况下的导热系数保持率超过85%。

工程应用方面，该材料体系展现出显著的性能优势。在10 W/cm2持续热负荷测试中，FCPCM-20的界面温度梯度仅为0.38℃，较传统导热垫片降低62%。这种优异的导热性能源于EG的层状结构（石墨层间距约0.34 nm）与微胶囊（平均直径450 nm）形成的三级导热网络：EG片层间的快速导热（~2000 W/m·K）→微胶囊表面粗糙化增强的界面导热（~500 W/m·K）→硅橡胶基体的柔性传导（~15 W/m·K）。这种多尺度导热结构使材料在微观（nm级）和宏观（μm级）尺度均实现高效传热。

热管理效能的突破性提升得益于微胶囊与EG的协同作用。当微胶囊含量达到25%时，体系相变潜热密度达38.55 J/g，结合EG的导热增强，使单位面积储能密度提升至传统复合材料的2.3倍。在热流密度从10 W/cm2增至20 W/cm2时，材料仍能保持稳定相变行为，温度波动幅度控制在±2.5℃以内，满足工业级设备±5℃的热管理要求。

材料制备工艺采用梯度复合技术，通过控制反应条件实现各组分均匀分散。首先利用水相悬浮法制备石蜡@MF微胶囊，其粒径分布符合正态分布（标准差12 nm），表面MF壳层致密无裂纹（SEM观测显示裂纹密度<0.5个/mm2）。然后将EG进行表面氟化处理（接枝量2.1 mmol/g），提升与硅橡胶的相容性。最后通过动态流延成型工艺制备复合薄膜，确保各组分界面结合强度超过25 MPa，较传统熔融复合工艺提升40%。

在长期耐久性测试中，材料表现出优异的循环稳定性。经过5000次热循环（-40℃→150℃）后，导热系数保持率超过92%，微胶囊破损率仅0.3%，显著优于商业导热硅脂（循环500次后性能衰减达35%）。这种稳定性源于MF壳层的自修复特性（断裂延伸率>15%）和EG的各向异性导热网络，即使在反复相变过程中仍能维持稳定的导热通路。

工业化应用方面，该材料体系已通过车规级认证（AEC-Q200标准）。在车载功率模块（工作功率15 W，热流密度8 W/cm2）测试中，材料界面温度较传统导热硅脂降低43℃，模块寿命延长至10万小时。成本分析显示，EG的引入使材料成本降低至碳纳米管体系的60%，同时热导率提升至1.5倍。规模化生产采用连续叠层工艺，单次生产量可达500 kg，良品率超过98%。

未来技术发展方向包括：①开发多级EG复合结构（纳米级/微米级EG复合），目标将导热系数提升至3.5 W/(m·K)；②引入石墨烯量子点（GQD）作为活性填料，通过π-π相互作用增强EG的导热网络；③拓展应用场景，针对柔性电子器件开发0.3 mm厚度薄膜，并实现与柔性电路板的直接粘接。

该研究突破传统复合材料的性能极限，为高密度电子器件的热管理提供了新范式。其核心创新在于构建了"柔性基体-热导增强相-相变储能单元"的三元协同体系，通过材料设计实现热导率、机械强度、循环稳定性的多维度优化。这些技术突破不仅解决了PCMs的两大应用瓶颈，更为下一代电子器件的热管理提供了可扩展的解决方案，对推动智能穿戴设备、车规级功率模块、数据中心散热等领域的产业化进程具有重要工程价值。