隨著5G通信、人工智能和高集成計(jì)算模塊的快速發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品正朝著小型化和高功率密度方向不斷邁進(jìn)，由此引發(fā)的熱管理挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻，直接影響器件性能、運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。風(fēng)扇和液冷系統(tǒng)等主動(dòng)冷卻方案雖然散熱能力較強(qiáng)，但其體積、復(fù)雜性和功耗需求限制了它們?cè)谳p量化、節(jié)能型智能電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。相變材料憑借其在固-液轉(zhuǎn)變過程中吸收大量潛熱的特性，成為抑制瞬時(shí)熱斑和調(diào)節(jié)熱通量的重要候選材料。然而，相變材料固有的低導(dǎo)熱系數(shù)（通常為0.1-0.5 W·m?1·K?1）嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，蒙納士大學(xué)劉閩蘇研究員、清華大學(xué)丘陵和東南大學(xué)鄒瑞萍合作提出了一種利用熔體輸運(yùn)的對(duì)流增強(qiáng)策略。他們通過非溶劑誘導(dǎo)相分離技術(shù)制備了具有互連核心通道（體積占比超過90%）和多孔導(dǎo)電殼層的復(fù)合纖維。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析表明，特定的通道結(jié)構(gòu)能夠激活內(nèi)部對(duì)流，其熱貢獻(xiàn)超過本征熱傳導(dǎo)的100%。優(yōu)化后的復(fù)合相變纖維在僅含3 wt%添加劑的情況下實(shí)現(xiàn)了1.05 W·m?1·K?1的導(dǎo)熱系數(shù)，熔化后可提升至2.48 W·m?1·K?1，性能優(yōu)于具有更高本征導(dǎo)熱系數(shù)的纖維。器件級(jí)演示證實(shí)了這類纖維在熱緩沖方面的巨大潛力。相關(guān)論文以“Convection enhanced phase change composite fibers for advanced thermal management”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種層級(jí)核殼結(jié)構(gòu)纖維，兼具三大功能：核心內(nèi)部連續(xù)互連的孔隙網(wǎng)絡(luò)確保封裝相變材料的均勻熱接觸和高效熱吸收；高內(nèi)部空隙率為相變材料提供充足儲(chǔ)存空間；由芳綸納米纖維/氮化硼納米片構(gòu)成的致密外殼則賦予纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、定向?qū)崧窂胶头佬孤┢琳?。通過同軸濕法紡絲技術(shù)，研究人員實(shí)現(xiàn)了這一層級(jí)結(jié)構(gòu)的一步成型。當(dāng)纖維芯層凝膠接觸凝固浴后，溶劑快速向外擴(kuò)散觸發(fā)非溶劑誘導(dǎo)相分離，生成徑向擴(kuò)展的手指狀大孔；而富含芳綸納米纖維的外殼因密集的氫鍵網(wǎng)絡(luò)而快速固化，形成致密且機(jī)械性能優(yōu)異的外層，其中氮化硼納米片呈現(xiàn)定向排列。掃描電鏡圖像驗(yàn)證了清晰的核殼形態(tài)，顯示均勻的殼層厚度和芯層內(nèi)的指狀孔結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)斷層掃描進(jìn)一步揭示，這些大孔形成了連續(xù)且曲折的通道網(wǎng)絡(luò)而非孤立空隙。汞壓孔率測試顯示孔徑范圍為500 nm至10 μm，遠(yuǎn)超PEG2000分子的流體力學(xué)半徑（12.5 nm），表明分子尺度受限效應(yīng)可忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)測得孔隙率達(dá)89%，與理論估算值92%高度吻合，差示掃描量熱分析和熱重分析表明纖維潛熱約為118 J/g，對(duì)應(yīng)約90 wt%的PEG負(fù)載量。

圖1. 相變復(fù)合纖維的設(shè)計(jì)、制備與形貌表征。 (a) 核-殼纖維結(jié)構(gòu)示意圖，突出用于相變材料封裝的宏通道和致密外殼；(b) 同軸濕法紡絲制備過程示意圖；(c) 溶劑交換過程中非溶劑誘導(dǎo)相分離形成宏通道結(jié)構(gòu)的機(jī)制示意圖（藍(lán)色：水；黃色：芳綸納米纖維/二甲基亞砜；灰色：聚乙烯醇縮丁醛/N,N-二甲基乙酰胺）；(d) 代表性核-殼纖維的橫截面掃描電鏡圖像，顯示清晰的芯部和致密外殼；(e) 計(jì)算機(jī)斷層掃描重建的軸向截面，顯示曲折連通的孔網(wǎng)絡(luò)分布；(f) 通過壓汞法測定的芯部材料孔徑分布。

關(guān)于外殼的增強(qiáng)作用，應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示無殼多孔纖維的拉伸強(qiáng)度僅為0.92 MPa，而具有ANF/BNNS外殼的PFS-5纖維強(qiáng)度提升至5.55 MPa。斷裂面掃描電鏡圖像進(jìn)一步揭示了差異：無殼纖維呈現(xiàn)脆性斷裂特征，而帶殼纖維在破壞前發(fā)生顯著形變，表明外殼有效耗散機(jī)械能并延緩裂紋擴(kuò)展。彎曲性能測試同樣證實(shí)核殼結(jié)構(gòu)顯著提升了纖維的韌性和柔韌性。在熱傳導(dǎo)方面，瞬態(tài)電熱測量顯示無殼纖維導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.01 W·m?1·K?1，而PFS-5提升至1.16 W·m?1·K?1。相變材料浸潤后，PIF-5導(dǎo)熱系數(shù)升至0.46 W·m?1·K?1，PIFS-5則達(dá)到1.22 W·m?1·K?1。動(dòng)態(tài)熱性能測試表明，距離熱源相同距離處，PIFS-5在200秒后溫度達(dá)到65°C，而PIF-5僅達(dá)到61°C，證明外殼促進(jìn)了沿纖維的熱量快速再分布。長期熱循環(huán)測試顯示，經(jīng)過100次加熱-冷卻循環(huán)后，PIF-5損失了22.0%的質(zhì)量和21.7%的潛熱，掃描電鏡觀察到泄漏留下的空隙；而PIFS-5保留了99.1%的質(zhì)量和98.7%的潛熱，橫截面確認(rèn)無可見相變材料損失。

圖2. 所制備纖維的力學(xué)性能、熱導(dǎo)率和熱穩(wěn)定性。 (a) 無外殼多孔纖維和帶ANF/BNNS外殼多孔纖維的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，顯示PFS顯著增強(qiáng)的拉伸強(qiáng)度和韌性。插圖：PFS拉伸斷裂后的橫截面SEM圖像；(b) 數(shù)碼照片顯示PFS相比脆性PF具有優(yōu)異的彎曲完整性；(c) PF、PFS、相變材料浸潤纖維和帶外殼的相變材料浸潤纖維的熱導(dǎo)率；(d) 熱紅外圖像和(e) 加熱過程中固定點(diǎn)的相應(yīng)溫度-時(shí)間曲線，展示了PIFS相比PIF增強(qiáng)的軸向熱傳遞效率；(f) PIF和PIFS在100次熱循環(huán)中的質(zhì)量保持率。插圖SEM圖像顯示循環(huán)前后代表性纖維的橫截面，突出外殼結(jié)構(gòu)優(yōu)異的PCM防漏性能；(g) PIF和PIFS在100次熱循環(huán)后的焓保持率。

為了構(gòu)建結(jié)構(gòu)可編程平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)通過改變芯層紡絲液中BNNS含量來調(diào)節(jié)PIFS纖維的多孔骨架。二維BNNS具有強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)塑造能力，隨著BNNS含量從10 wt%增加至70 wt%，芯層形態(tài)從稀疏、高度分支的手指狀大孔逐漸演變?yōu)楦?、更密集分布的孔隙，骨架增厚形成更致密的框架。?dāng)BNNS含量達(dá)70 wt%時(shí)，芯層轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈】紫兜木o湊網(wǎng)絡(luò)。流變曲線表明增加BNNS含量顯著提高了粘度并減緩了富聚合物相的松弛，意味著有效擴(kuò)散率降低并向粘度主導(dǎo)的相分離機(jī)制轉(zhuǎn)變。基于Cahn-Hilliard框架的相分離模擬再現(xiàn)了從粗大、寬間距手指狀孔到緊湊、精細(xì)分割通道網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)觀察過渡。盡管孔結(jié)構(gòu)存在差異，所有PFS樣品均保持約90%的高孔隙率，平均孔徑從PFS-1的5309 nm減小至PFS-7的502 nm，但仍遠(yuǎn)大于PEG2000的流體力學(xué)半徑。

圖3. 不同BNNS含量下纖維芯部的形貌演化。 (a) 纖維設(shè)計(jì)策略示意圖，顯示芯部BN含量從PFS-1（10 wt%）到PFS-7（70 wt%）逐漸增加；(b-e) PFS-1、PFS-3、PFS-5和PFS-7的橫截面SEM顯微照片，顯示隨BN含量增加的通道結(jié)構(gòu)變化；(f-i) PFS-1、PFS-3、PFS-5和PFS-7的放大橫截面SEM顯微照片，顯示通道細(xì)節(jié)；(j) 基于Cahn-Hilliard框架的相分離模擬，對(duì)應(yīng)于不同芯部BNNS濃度下的相分離。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)而探究結(jié)構(gòu)差異如何影響傳熱。固有導(dǎo)熱系數(shù)隨芯層BNNS含量增加而上升，PFS樣品從0.85升至1.49 W·m?1·K?1，PCM浸潤后從0.89升至1.55 W·m?1·K?1。然而動(dòng)態(tài)紅外熱測試揭示了相反趨勢：在加熱進(jìn)入相變區(qū)間時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)較低的PIFS-3反而表現(xiàn)出更快的升溫速度，而導(dǎo)熱系數(shù)更高的PIFS-7升溫更慢。這一不匹配現(xiàn)象在未浸潤PCM的纖維中或熔點(diǎn)以下溫度未出現(xiàn)，表明該現(xiàn)象源于熔體輸運(yùn)而非固相傳導(dǎo)。溫度-時(shí)間曲線分析顯示兩個(gè)特征峰：低溫峰與PCM熔化膨脹增強(qiáng)與固體骨架熱接觸有關(guān)，高溫峰則歸因于熔融PCM內(nèi)部的對(duì)流。水流實(shí)驗(yàn)表明，PIF-1具有最大最開放的通道，表現(xiàn)出最高最快的流量；而PIF-7的孔隙最小最曲折，流動(dòng)阻力最大。這揭示了固態(tài)傳導(dǎo)與熔體流動(dòng)性之間的競爭關(guān)系：PIFS-3在兩者之間達(dá)到平衡，提供了最佳的總體熱性能。瞬態(tài)電熱測量顯示，有效導(dǎo)熱系數(shù)在熔點(diǎn)以下基本恒定，但在熔點(diǎn)以上顯著增加，PIF-1和PIF-3的提升超過100%。

圖4. 不同芯部結(jié)構(gòu)的PFS纖維的物理熱學(xué)性質(zhì)與動(dòng)態(tài)熱性能。 (a) PCM浸潤前后纖維熱導(dǎo)率隨芯部BN含量的變化；(b) 相應(yīng)PIFS樣品的實(shí)測密度和潛熱；(c) 代表性熱紅外圖像和(d) PIFS纖維在加熱過程中固定監(jiān)測點(diǎn)的相應(yīng)溫度-時(shí)間曲線；(e) 從(d)導(dǎo)出的微分溫度-時(shí)間曲線，突出受孔結(jié)構(gòu)和對(duì)流影響的加熱速率分布差異；(f) 水流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究PFS內(nèi)部通道對(duì)流體遷移性的影響；(g) PIFS樣品的溫度依賴性熱導(dǎo)率，顯示相變后熱導(dǎo)率增加；(h) 不同溫度下纖維的熱導(dǎo)率增強(qiáng)比。

為了理解通道結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)流換熱的影響，研究人員基于PIFS樣品的特征構(gòu)建了四種幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬。所有模型具有相同材料組成、固相導(dǎo)熱系數(shù)和90%孔隙率，差異僅在于內(nèi)部骨架的厚度和間距。從Geom-1到Geom-4，骨架逐漸增厚、排列更密集，流道變窄，流體運(yùn)動(dòng)阻力顯著增加，水力直徑和達(dá)西滲透率均下降數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。在加熱過程中，體積平均流體速度隨自然對(duì)流環(huán)流建立而增加，約2.5秒時(shí)達(dá)到峰值。Geom-1支持跨越大部分孔隙體積的大尺度循環(huán)環(huán)流，實(shí)現(xiàn)熱流體從加熱邊界向冷側(cè)的高效輸運(yùn)；隨著骨架致密化，回流逐漸受限，Geom-4中流體幾乎保持靜止。在最大對(duì)流時(shí)刻，Geom-1和Geom-2的死區(qū)比例分別為17.7%和70.1%，Geom-3急劇上升至98%，Geom-4則在整個(gè)過程中保持接近100%。Geom-1實(shí)現(xiàn)了keff從1.75至3.51 W·m?1·K?1的提升，增強(qiáng)超過100%，而Geom-4僅獲得約10%的提升。

考慮到纖維基熱管理組件的實(shí)際應(yīng)用，研究人員還考察了熱通量和重力方向?qū)Χ嗫拙W(wǎng)絡(luò)內(nèi)浮力驅(qū)動(dòng)對(duì)流的影響。以Geom-1為代表，熱圖像直觀展示了重力方向如何重構(gòu)內(nèi)部熱輸運(yùn)。當(dāng)重力垂直于熱通量方向時(shí)，溫度場顯示出跨越整個(gè)多孔域的延長回流路徑，實(shí)現(xiàn)了高效的橫向熱量再分布。而當(dāng)重力與熱通量同向或反向時(shí)，浮力驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)變得局部化，導(dǎo)致更強(qiáng)的熱分層和孔隙體積利用率降低。冷端溫度和有效導(dǎo)熱系數(shù)的演化均顯示垂直情況下達(dá)到最高值。溫度依賴性瞬態(tài)電熱測量表明，PIFS-1在垂直方向的對(duì)流增強(qiáng)超過123%，重力同向時(shí)為103%，反向時(shí)僅為47%。這表明纖維在器件表面水平放置更有利于散熱，與熱管和均溫板的工程直覺一致。參數(shù)分析進(jìn)一步顯示，在骨架和相變材料本征導(dǎo)熱系數(shù)均較低的體系中，對(duì)流增強(qiáng)效應(yīng)最為顯著。

圖5. 四種不同內(nèi)部幾何模型的多物理場傳熱動(dòng)力學(xué)模擬。 (a) 四種模型幾何示意圖；(b) 水力直徑和達(dá)西擴(kuò)散率，反映結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)流體輸運(yùn)行為的影響；(c) t=2.5秒時(shí)的速度場分布；(d) 全局平均速度的時(shí)間演化和(e) 全局死區(qū)比例；(f) 基于熱流和冷熱端溫差計(jì)算的全局有效熱導(dǎo)率；(g) 四個(gè)模型在不同時(shí)間點(diǎn)的溫度場分布，以及(h) 冷端溫度曲線；(i) 不同情況下的溫度場分布；(j) 冷端溫度曲線和(k) 相應(yīng)的全局有效熱導(dǎo)率；(l) 通過瞬態(tài)電熱法測量的PIFS-1在不同情況下的溫度依賴性熱導(dǎo)率。

在緊湊型電子設(shè)備中，散熱常受限于空間不足、環(huán)境對(duì)流弱以及缺乏大型散熱器的安裝空間。研究人員將PIFS-3纖維組裝的墊片直接應(yīng)用于開發(fā)板的CPU上進(jìn)行器件級(jí)測試。在持續(xù)最大負(fù)載應(yīng)力測試1200秒后，紅外圖像顯示無熱管理情況下CPU產(chǎn)生的熱量在受限空間內(nèi)逐漸積累并擴(kuò)散至整個(gè)PCB板，溫度超過90°C。熱擴(kuò)散器和熱緩沖墊均能有效降低整體PCB溫度，但CPU核心溫度演化分析表明，熱擴(kuò)散器在運(yùn)行初期保持較低溫度，而熱緩沖墊使溫度上升緩慢，在全負(fù)載運(yùn)行600秒后CPU溫度更低。CPU運(yùn)行頻率記錄顯示，熱緩沖墊附著的CPU在約15分鐘后出現(xiàn)明顯更少的降頻事件，表明長期熱穩(wěn)定性更佳。值得關(guān)注的是，PIFS纖維的本征導(dǎo)熱系數(shù)低于2 W·m?1·K?1，遠(yuǎn)低于熱擴(kuò)散器。熱電偶測量CPU、WiFi模塊和內(nèi)存模塊的表面溫度進(jìn)一步證實(shí)，熱緩沖情況下的所有監(jiān)測組件表面溫度均為最低。這一效應(yīng)源于相變材料的潛熱吸收，暫時(shí)儲(chǔ)存熱能并抑制峰值溫度傳播。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測一致，證實(shí)了熱緩沖在受限環(huán)境中更有效地限制PCB、CPU及周圍組件的溫升。

圖6. PIFS纖維在實(shí)際熱管理應(yīng)用中的演示。 (a) Orange Pi開發(fā)板的光學(xué)圖像，CPU被PIFS纖維墊覆蓋，以及運(yùn)行1200秒后相應(yīng)的紅外熱圖像；(b) 運(yùn)行期間CPU內(nèi)部溫度和(c) CPU運(yùn)行頻率；(d) 顯示三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域熱電偶位置的光學(xué)圖像：區(qū)域A: CPU，區(qū)域B: WiFi模塊，區(qū)域C: 內(nèi)存模塊；(e) CPU、(f) WiFi模塊和(g) 內(nèi)存模塊在三種不同情況下的熱電偶測量表面溫度；(h) 器件溫度場；(i) 印刷電路板的平均溫度和(j) 區(qū)域A（CPU）的平均溫度。

小結(jié)：這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流在相變復(fù)合材料設(shè)計(jì)、性能和實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵作用。通過同軸濕法紡絲結(jié)合非溶劑誘導(dǎo)相分離技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功制備了兼具機(jī)械魯棒性和可控?zé)彷斶\(yùn)路徑的核殼結(jié)構(gòu)相變復(fù)合纖維。實(shí)驗(yàn)測量與數(shù)值模擬共同證明，互連通道激活了熔融相變材料的浮力驅(qū)動(dòng)對(duì)流，產(chǎn)生了顯著的熱增強(qiáng)效應(yīng)。大通道結(jié)構(gòu)有利于熔體流動(dòng)性和對(duì)流傳輸，而致密網(wǎng)絡(luò)則抑制流動(dòng)并使傳熱轉(zhuǎn)向傳導(dǎo)主導(dǎo)機(jī)制。這些結(jié)果建立了一個(gè)基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)框架，其中對(duì)流增強(qiáng)傳熱成為相變復(fù)合纖維在實(shí)際運(yùn)行條件下性能的關(guān)鍵因素。器件級(jí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些纖維在緊湊電子系統(tǒng)中作為熱緩沖器的有效性，以及它們?cè)跓醿?chǔ)存纖維材料中的適用性。這一傳導(dǎo)-對(duì)流整合視角為相變復(fù)合材料的理性設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)原則，并將拓展其在熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。