隨著現(xiàn)代電子產品向小型化、集成化方向發(fā)展，功率密度的持續(xù)攀升使得界面處的熱管理成為制約器件可靠性的關鍵瓶頸。傳統(tǒng)熱界面材料在穩(wěn)態(tài)熱條件下尚能勝任，但面對高功率航空航天系統(tǒng)中的瞬態(tài)熱沖擊和電動汽車中的復雜機械振動時，往往會發(fā)生界面分層和材料疲勞，導致導熱性能急劇下降，甚至引發(fā)器件失效。盡管已有研究通過引入一維或二維填料來提升熱導率，或在三維碳泡沫骨架中浸漬相變材料以增強熱緩沖能力，但這些策略通常會使復合材料剛性化，難以在連續(xù)振動下適應界面微形變，從而導致接觸熱阻激增和疲勞開裂。如何在單一材料中同時實現(xiàn)高熱導率、熱沖擊緩沖和振動適應性，成為該領域亟待解決的科學難題。

針對這一挑戰(zhàn)，浙江大學高超教授、劉英軍研究員、龐凱研究員和中國空間技術研究院航天器系統(tǒng)工程研究所Li Wenjun合作，報道了一種名為J-CF/PW的Janus結構熱界面材料。該材料由彈性且高導熱的碳泡沫上層與浸漬了高熵石蠟的碳泡沫下層無縫鍵合而成，以僅7.7 wt%的碳泡沫含量保留了純石蠟的高潛熱，同時在垂直和水平方向上分別實現(xiàn)了2363%和15742%的導熱增強。該材料在30%應變下經過10,000次壓縮循環(huán)后仍保持優(yōu)異的回彈性，并且在高達50 Hz的機械振動條件下維持穩(wěn)定的熱接觸，為動態(tài)熱管理應用中的協(xié)同熱-力優(yōu)化建立了全新的設計范式。相關論文以“Janus-Structured Thermal Interface Materials with Superb Vibration Adaptability for Dynamic Thermal Management”為題，發(fā)表在ACS Nano上。

研究人員通過水塑發(fā)泡、化學還原和高溫石墨化工藝制備了具有三維圓頂孔結構的碳泡沫，隨后通過真空浸漬將熔融石蠟填充到部分碳泡沫中形成均相復合材料，最后在80℃下通過熱壓將純碳泡沫層與浸漬石蠟的碳泡沫層結合，得到了具有非對稱結構的J-CF/PW復合材料。掃描電鏡圖像清晰地展示了這一Janus結構的獨特形貌：上層為連續(xù)的各向異性三維圓頂狀碳網(wǎng)絡，作為彈性的機械順應層；下層則為石蠟完全浸潤的碳泡沫復合材料；界面區(qū)域顯示上層碳泡沫被下層石蠟部分潤濕，形成了連續(xù)的無縫層間鍵合結構，這對于最小化界面熱阻和確保動態(tài)載荷下的結構完整性至關重要。該材料可以輕松切割成各種形狀以適應不同器件，展現(xiàn)出良好的加工性。

圖1： (a) J-CF/PW制備流程示意圖。 (b) J-CF/PW的截面SEM圖像。 (c) 上層碳泡沫的SEM圖像。 (d) 充滿石蠟的碳泡沫的SEM圖像。 (e) 上層與下層之間結合界面的SEM圖像。 (f) J-CF/PW的光學照片。 (g) J-CF/PW顯示出良好的可彎曲性。

熱性能表征結果表明，J-CF/PW復合材料的熱導率隨碳泡沫含量增加而顯著提升。當碳泡沫含量為7.7 wt%時，垂直方向熱導率達到4.68 W/m·K，水平方向高達30.1 W/m·K。這一各向異性的熱行為源于三維圓頂狀碳泡沫網(wǎng)絡的本征結構——高溫石墨化處理產生了高度有序、無缺陷的石墨烯晶格，最大限度地減少了聲子散射并延長了平均自由程，而拱形孔壁有效地將單層石墨烯片的高面內熱導率轉化為互聯(lián)的三維架構，為長程聲子輸運提供了不間斷的路徑。值得注意的是，該材料在極低填料含量下實現(xiàn)了超越大多數(shù)已報道填料增強相變復合材料的熱導率，同時保留了純石蠟90.54%的熔融焓。差示掃描量熱分析還顯示，經過100次熔化-凝固循環(huán)后，J-CF/PW-7.70仍保留了91.2%的熔融焓，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。此外，在80℃熱臺上，純石蠟迅速失去結構完整性并不可控地鋪展，而J-CF/PW則保持原始形狀，無任何熔融石蠟泄漏，這得益于自支撐的三維連續(xù)網(wǎng)絡通過強毛細管力將熔融石蠟有效限制在其微孔內。

圖2： (a) 純石蠟和J-CF/PW的DSC曲線。 (b) J-CF/PW的熔化/凝固焓。 (c) 不同碳泡沫含量的J-CF/PW的熔化和凝固溫度。 (d) J-CF/PW-7.70經過熱循環(huán)后的ΔHm保持率（插圖為J-CF/PW-7.70在多達100次熱循環(huán)后的DSC曲線）。 (e) 純石蠟和J-CF/PW在80°C熱臺上的光學照片。

力學性能測試進一步驗證了該材料的卓越穩(wěn)定性。原位壓縮觀測顯示，J-CF/PW在30%應變下發(fā)生垂直于加載方向的均勻折疊變形，應力釋放后完全彈性恢復，未產生裂紋或結構損傷。經過10,000次30%應變的循環(huán)壓縮后，材料仍保持穩(wěn)定的彈性行為，塑性變形僅為0.3%，應力保持率高達94.72%。相比之下，完全浸漬石蠟的均相復合材料即使在10%的低應變下也會發(fā)生永久塑性變形。在動態(tài)可靠性評估中，均相復合材料在1 Hz、10%應變幅度的周期性振動下最大應力從2.5 MPa降至0.75 MPa，伴隨結構塌陷；當頻率增至10 Hz時，其應力迅速降至近乎0 MPa。而J-CF/PW在1 Hz、10 Hz乃至50 Hz的高頻振動條件下，經過3000次循環(huán)后均未觀察到明顯的應力衰減，展現(xiàn)出卓越的振動適應性。這一動態(tài)穩(wěn)定性歸因于其Janus結構——彈性碳泡沫層作為機械阻尼器，有效吸收動態(tài)能量并抑制復合材料的結構失效。

圖3： (a) J-CF/PW在30%應變壓縮循環(huán)過程中的原位SEM觀察。 (b) J-CF/PW在壓縮循環(huán)中的微觀結構演變。 (c) J-CF/PW在30%壓縮應變下經歷10,000次循環(huán)的應力-應變曲線。 (d) 壓縮循環(huán)過程中的應力保持率、塑性變形和能量損耗系數(shù)。 (e) J-CF/PW在24小時壓縮過程中的應力保持率。 (f) H-CF/PW在1 Hz頻率、10%應變幅度下，應力隨振動循環(huán)次數(shù)的變化。 (g) J-CF/PW在50 Hz頻率、10%、20%和30%應變幅度下，應力隨振動循環(huán)次數(shù)的變化。

圖4： (a) 不同碳泡沫含量下的垂直和水平導熱系數(shù)(K)。 (b) 不同碳泡沫含量下的垂直和水平導熱系數(shù)增強(TCE)。 (c) J-CF/PW與文獻報道的相變材料的垂直K值比較。 (d) J-CF/PW與其他報道的低填料含量（≤10 wt%）相變材料的垂直TCE比較。 (e) J-CF/PW的垂直TCE和ΔHm保持率（復合材料熔化焓與純相變基體之比）與其他報道的低填料含量相變材料的比較。 (f) 基于ASTM D5470方法，不同壓力下H-CF/PW和J-CF/PW的總界面熱阻(Rtotal)。

在實際應用場景模擬中，研究人員構建了芯片散熱實驗裝置。在10 W/cm2的低功率條件下，采用J-CF/PW的芯片表面穩(wěn)態(tài)溫度僅為54.7℃，比純碳泡沫和均相復合材料分別降低了19℃和7℃。這得益于J-CF/PW中上層碳泡沫的彈性和下層復合結構的協(xié)同效應，在壓力下實現(xiàn)了優(yōu)異的界面順應性，顯著降低了總熱阻。在循環(huán)熱沖擊測試中，采用J-CF/PW的芯片溫度波動僅0.2℃，展現(xiàn)出良好的熱沖擊穩(wěn)定性。當功率密度提升至30 W/cm2時，純碳泡沫因低比熱容和空氣填充空隙造成的高熱阻而迅速升溫至138℃；而J-CF/PW在石蠟熔點附近約70℃處出現(xiàn)溫度平臺，表明相變材料通過吸收潛熱有效延緩了系統(tǒng)溫升，最終穩(wěn)態(tài)溫度僅為93.3℃，遠低于均相復合材料的124.7℃。界面熱阻測試表明，J-CF/PW在不同壓力下的總熱阻均低于均相復合材料，且在50 Hz振動循環(huán)后僅增加2.8%并保持穩(wěn)定，進一步證實了其在實際振動條件下結構完整性和高效傳熱性能的保持。

圖5： (a) 模擬熱界面材料實際應用場景的系統(tǒng)示意圖。 (b, c) 陶瓷加熱器在功率為10 W/cm2時的溫度演變。 (d) 循環(huán)熱沖擊測試過程中陶瓷加熱器的溫度演變。 (e, f) 陶瓷加熱器在功率為30 W/cm2時的溫度演變。

本研究提出的Janus結構設計策略，通過對碳泡沫骨架和相變材料的非對稱功能化，成功構建了兼具熱沖擊緩沖能力和振動適應性的熱界面材料。該材料在極低填料含量下實現(xiàn)了導熱性能的顯著提升，同時保留了相變材料的高潛熱；在高頻振動和長期循環(huán)壓縮下表現(xiàn)出卓越的力學穩(wěn)定性，能夠在動態(tài)環(huán)境中同時緩解瞬態(tài)熱流和機械振動，實現(xiàn)了傳統(tǒng)材料難以企及的綜合性能。這一工作不僅為面向振動敏感應用的熱界面材料設計提供了新的結構范式，也拓展了相變復合材料在嚴苛熱管理應用中的潛力，對于下一代高功率電子器件、電動汽車和航空航天系統(tǒng)的熱管理具有重要的指導意義。