多孔聚合物网络与固-固相变材料及表面改性氮化硼的协同集成：提升导热性与潜热存储的新策略

研究人员针对相变材料(PCMs)导热性差、相变泄漏等关键问题，创新性地开发了基于聚丙烯酰胺-淀粉(PAM-S)多孔框架、聚硅氮烷-硅烷改性氮化硼(PA-ABN)和Bi-Sn-In液态金属合金的复合体系。该材料实现了3.34 W/m?K的高导热率、138 J/g的潜热值以及14 MPa的拉伸强度，在100次热循环后仍保持95%以上性能，为电子设备热管理提供了新型解决方案。

　　

随着电子设备功率密度持续攀升，热管理问题已成为制约性能提升的瓶颈。传统相变材料(PCMs)虽能通过相变过程吸收大量热量，却长期受困于两大技术难题：如同"慢性病"般的低导热性（普遍低于0.5 W/m?K）和令人头疼的相变泄漏问题。现有解决方案如多孔碳支撑或核壳封装往往顾此失彼——要么因导电性影响电子器件安全，要么与聚合物基体兼容性差。更棘手的是，提高导热性的填料添加通常会牺牲相变焓值，这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约了PCMs在CPU等精密电子散热场景的应用。

韩国中央大学Jooheon Kim团队在《Polymer Testing》发表的这项研究，犹如一位"材料医生"开出了综合处方：通过聚丙烯酰胺-淀粉(PAM-S)多孔骨架、表面功能化氮化硼(PA-ABN)和Bi-Sn-In液态金属的三元协同，打造出兼具高导热、抗泄漏和机械强度的"全能型"相变复合材料。

研究团队采用聚硅氮烷(PSZ)和硅烷偶联剂对团聚氮化硼(ABN)进行表面修饰，结合淀粉增强的PAM多孔网络制备技术，通过差示扫描量热法(DSC)评估相变性能，热导率测试仪测量导热性能，并借助场发射扫描电镜(FE-SEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料微观结构。CPU模拟测试验证了实际散热效果。

【2.1. 热性能评估与表面改性】

Bi-Sn-In合金展现出62°C的低熔点和28.4 W/m?K的高导热率。通过独特的PSZ-硅烷协同改性策略，使原本难以功能化的ABN表面成功接枝C-N、Si-O等活性基团，FT-IR光谱在1270 cm^-1处出现特征峰证实改性成功。这种"分子级装修"使填料与基体结合力显著提升。

【2.2. 材料形貌分析】

淀粉的加入使PAM溶液粘度提高10倍，有效抑制了高密度填料的沉降。FE-SEM显示PA-ABN在基体中形成连续网络，而液态金属像"纳米焊料"般填充界面微孔，使复合材料截面呈现"钢筋混凝土"般的致密结构。

【2.3. 力学与热学性能】

表面改性使复合材料拉伸强度从2.16 MPa飙升至14 MPa。30% PA-ABN填充时导热率达3.34 W/m?K，比未改性样品提升25%。Lewis-Nielsen模型验证了导热通路的形成机制。2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇(AMP)的固-固相变特性带来138 J/g的潜热值，120°C泄漏测试中材料保持完整形态。

【应用验证】

在CPU散热测试中，该材料使芯片温升速率降低40%，红外热像图显示热量如"高速公路"般通过PA-ABN网络快速扩散。经过100次冷热循环，材料仍保持95%以上的相变焓值，TGA分析证实其在140°C以下具有优异的热稳定性。

这项研究突破了传统PCMs"高导热必低焓值"的桎梏，通过多孔结构设计、界面工程和液态金属协同的"三重奏"，实现了导热率与潜热存储的协同提升。尤为重要的是，全有机组分设计保障了电子应用的绝缘安全性。尽管Bi-Sn-In含量需控制在5%以下以避免沉降，该研究仍为开发下一代智能热管理材料提供了范式——就像为电子设备打造了兼具"蓄水池"与"导流渠"的智能热调节系统。未来通过优化填料架构和规模化制备工艺，这类材料有望在5G基站、动力电池等高温差场景发挥更大价值。