文献分享|柔性、可回收和高导电自修复聚合物基相变薄膜用于热管理
DOI：10.1002/adfm.202506229
通讯作者：宣益民院士
研究背景
热能存储（TES）在提高能源效率和减少环境影响方面具有巨大潜力，而相变材料（PCMs）是其中一种极具前景的解决方案。然而，传统的固-液相变材料在实际应用中面临着一系列关键挑战，包括固有的低热导率、相变过程中的液体泄漏、固态时的刚性以及较差的回收再利用性。虽然通过引入支撑基质和导热填料来开发定型化和导热相变复合材料（PCCs）取得了一定进展，但现有方法通常难以同时兼顾高导热、柔性、可回收性以及规模化制备的可行性。特别是，许多聚合物基PCCs的机械性能、热导率提升效率以及回收后的性能保持能力仍有不足，这阻碍了其在电子设备热管理和可穿戴应用等领域的广泛应用。
创新点
该研究提出了一种简便且可规模化的策略，通过结合物理交联的SEBS/POE双聚合物网络和石墨纳米片（GNPs）的剪切诱导取向技术，制备出了柔性、可回收、高导热且具有自修复性能的聚合物基相变复合薄膜。首先，利用刮涂工艺中的剪切力使GNPs在PCC薄膜内形成高度有序、层层排列的仿贝壳“砖-泥”结构，从而在填料含量较低（10 wt.%）的情况下，实现了显著的各向异性热导率提升。同时，动态物理交联的双聚合物网络不仅为石蜡（PW）提供了优异的封装效率和形状稳定性，还赋予了复合材料高相变焓、可调的机械强度、突出的柔韧性、以及在95°C下即可实现的快速高效自修复与回收再利用能力。
图文速览
图1 相变复合材料（PCC）设计与组装的示意图说明：a) 采用熔融共混技术将石墨纳米片均匀分散在相变材料基底（PW-SEBS/POE）中，并通过刮涂工艺制备出具有高度取向层状结构的PCC薄膜。b) 将薄层PCC薄膜堆叠后热压，形成致密的PCC块体
图2 石墨纳米片（GNPs）与相变复合材料（PCC）的形貌与结构表征。a) 大尺寸GNPs的SEM图像，底部为其横向尺寸分布图。b) 典型大尺寸GNPs的AFM图像。c) 刮涂法制备的PCC薄膜样品数码照片。d) PCC块体样品数码照片。e) 熔融共混法制备PCC的截面SEM图像，插图为对应的二维小角X射线散射图谱。f–h) 刮涂高度分别为200、100和50 μm时制备的PCC截面SEM图像，插图为对应的二维小角X射线散射图谱。i) PW、SEBS、POE、GNPs、PCC-0及刮涂制备的PCC-10样品的XRD谱图。j–l) 不同刮涂高度PCC样品在顶面与截面接受X射线照射时的XRD谱图结果。
图3 相变复合材料的热导率与电导率特性。a) 不同石墨纳米片含量PCC的各向异性热导率。b) 不同石墨纳米片含量PCC的热导率随刮涂高度的变化关系。c) 循环加热-冷却测试中热导率的变化趋势。d) 本研究PCC与已报道石墨纳米片基PCC及理论计算结果的对比。[41] e) 本研究与文献报道PCC在热导率和导热增强效率方面的对比。f) 不同石墨纳米片含量PCC的电导率。g) 不同石墨纳米片含量PCC的电导率随刮涂高度的变化关系。h) 协调与非协调传热条件下PCC块体（15×15×15 mm）的温度分布曲线。插图为加热过程示意图及0-680秒内PCC对应的红外热成像图。加热板温度恒定为90°C。
图4 相变复合材料的相变性能与热稳定性。a) 石蜡及不同石墨纳米片含量PCC样品的DSC曲线。b) 不同石墨纳米片含量PCC样品的相变焓值及对应焓值效率。c) 本研究PCC与最新研究报道的柔性PCC在性能指数与热导率方面的比较。d) PCC-10样品在不同循环次数下的熔融与凝固焓值。e) 石蜡、PCC、SEBS及POE的热重分析曲线。f) PCC的防泄漏特性与泡沫稳定性测试（在80°C加热平台上进行）。g) PCC-10样品经历500次热循环前后的傅里叶变换红外光谱曲线。
图5 相变复合材料的机械性能与自修复性能。a) PCC-10薄膜的机械强度。b) PCC-10薄膜的折纸式可折叠性与c) 易成型特性。d) 循环弯曲测试示意图（样品夹于聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜间）。e) PCC-10薄膜面内热导率随弯曲循环次数的变化。f) 不同刮涂高度PCC-10的应力-应变曲线。g) 刮涂高度50 μm条件下不同石墨纳米片含量PCC薄膜的应力-应变曲线。h) PCC-10在95°C自修复25分钟前后的光学与SEM图像。i) PCC-10在不同修复时长下的应力-应变曲线。j) 不同修复时长PCC的自修复效率对比。k) 雷达图综合对比本研究PCC与文献报道PCC在热导率、柔韧性、可回收性、规模化潜力和成本方面的性能（各指标已按最大值归一化）。
图6 热管理性能表征。a) 装配/未装配PCC的LED芯片与商用18650锂离子电池单体结构示意图。b) 配备/未配备PCC散热片的LED芯片表面温度变化曲线，c) 为对应的红外热成像图。d) 包覆/未包覆PCC的电池在连续充放电过程中的表面温度变化，e) 为对应的红外热成像图。f) 基于PCC的太阳能-热驱动与电-热驱动可穿戴热管理示意图。g) 不同模拟太阳辐照强度下PCC-10的温度变化曲线。h) 不同驱动电压下PCC-10的温度变化曲线。i) 100 W m⁻²模拟太阳辐照下人体模型表面黑色皮革与PCC-10薄膜的温度变化对比，插图为二者的数码照片与红外热成像图。j) 3.5 V电压驱动下人体模型表面PCC-10薄膜的温度变化曲线，插图为附着于人体模型的PCC-10薄膜数码照片与红外热成像图。
