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  電子器件的“高溫綜合征”正成為科技發(fā)展的隱形殺手，手機(jī)頻繁過熱降頻、電動汽車電池包突發(fā)爆燃、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器因散熱不足宕機(jī)等，這些問題的核心癥結(jié)在于傳統(tǒng)熱管理材料的“先天缺陷”：盡管現(xiàn)有研究通過添加導(dǎo)熱或阻燃填料可局部優(yōu)化性能（如提升熱導(dǎo)率或降低燃燒速率），卻始終受限于被動防護(hù)模式，無法在熱量積累初期及時感知風(fēng)險并動態(tài)響應(yīng)。例如，當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部因瞬時電流沖擊產(chǎn)生微區(qū)高溫時，傳統(tǒng)材料僅能延緩熱量擴(kuò)散，卻無法像“智能哨兵”般通過可視化信號預(yù)警潛在火情。因此，開發(fā)一種集實時感知、快速導(dǎo)熱、主動防火于一體的智能復(fù)合材料，成為突破電子設(shè)備熱安全瓶頸的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

  近期，上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)團(tuán)隊在前期研究的基礎(chǔ)上（Composites Science and Technology, 2025, 259: 110921；ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2024, 12, 17301；Chemical Engineering Journal, 2023, 473, 145417；International Journal of Biological Macromolecules, 2023: 129038；Composite Science and Technology, 2022,109758；Nano Energy, 2022, 100, 107513），從松果鱗片的分層互鎖結(jié)構(gòu)中獲得靈感，研發(fā)出一種仿生Janus材料，為電子設(shè)備穿上“智能鎧甲”-既能秒級感知危險，又能高效散熱，更能主動防火。松果鱗片能在濕度變化時自適應(yīng)開合，保護(hù)種子免受外界侵害。研究團(tuán)隊模仿這一結(jié)構(gòu)，設(shè)計出“Janus互鎖”雙功能層。底層是3D幾何雪花圖案的PDMS骨架，通過真空浸漬MXene納米片形成“導(dǎo)熱高速公路”，高度互聯(lián)的三維MXene納米片框架，具有高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的阻燃性能，其熱導(dǎo)率提升680%；覆蓋層是熱致變色鈣鈦礦（MAPbBr?I?）通過機(jī)械互鎖嵌入骨架，溫度超閾值時觸發(fā)黃→橙→紅→黑的漸變預(yù)警，如同為設(shè)備安裝“溫度警報燈”。這種層次結(jié)構(gòu)設(shè)計在TIM應(yīng)用中顯示出巨大潛力，特別是在減少與微型化和高度集成電子設(shè)備相關(guān)的電氣火災(zāi)風(fēng)險方面。

圖1. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備流程

  實驗研究表明，得益于3D互鎖結(jié)構(gòu)中MXene骨架形成的連續(xù)導(dǎo)熱通道，連接到熱源的PDMS/MXene基層具有快速熱傳導(dǎo)能力。設(shè)計的互鎖結(jié)構(gòu)可通過相鄰高縱橫比脊柱之間的眾多脊柱-尖端接觸連接進(jìn)行靈敏的熱轉(zhuǎn)導(dǎo)。利用 MAPbBr_xI_y 的可變顏色的溫度依賴性，即不同的溫度梯度顯示不同的顏色，為可見溫度識別和熱警告提供了可行性。通過SEM觀察，MXene納米片在PDMS骨架表面形成致密的“魚鱗狀”互鎖網(wǎng)絡(luò)，而MAPbBr_xI_y鈣鈦礦層則呈現(xiàn)均勻的顆粒分布。元素映射顯示，Ti元素（MXene）集中在骨架邊緣，Br元素（鈣鈦礦）均勻分散，證明功能單元在納米尺度上“各司其職”，卻又通過界面緊密結(jié)合，實現(xiàn)熱-化學(xué)信號的快速傳遞。

圖2. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能

  作者對復(fù)合材料的導(dǎo)熱/阻燃性進(jìn)行了一系列表征。傳統(tǒng)復(fù)合材料中，填料隨機(jī)分散，聲子傳播路徑曲折。而Janus材料的3D雪花骨架為MXene搭建了“直線跑道”，熱流傳播時間縮短。紅外熱成像顯示，其表面溫度15秒內(nèi)升至90 °C，又迅速降至45 °C，散熱速度快。當(dāng)火焰來襲，MXene網(wǎng)絡(luò)降解轉(zhuǎn)化為金紅石TiO₂屏障，隔絕氧氣并催化成炭。錐形量熱測試顯示，熱釋放率峰值（PHRR）降低33%，殘?zhí)柯矢哌_(dá)90.3%，遠(yuǎn)超同類材料。更驚艷的是，垂直燃燒中材料20秒內(nèi)自熄且無熔滴，UL-94評級達(dá)到V-0，成為“電子設(shè)備的消防員”。

圖3. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y復(fù)合材料的阻燃及機(jī)理

  此外，作者還通過溫度可視化測試評價互鎖結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的溫度傳感能力。鈣鈦礦層的奧秘在于“熱致相變”：60 °C時Br/I比例變化引發(fā)晶格膨脹，導(dǎo)致吸收光譜紅移，顏色從黃漸變?yōu)楹凇嶒烇@示，1 wt%鈣鈦礦負(fù)載下，材料15秒內(nèi)完成變色，且循環(huán)多次性能無損，堪比“化學(xué)反應(yīng)型溫度計”。

圖4. PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y復(fù)合材料溫度可視化

  Janus 互鎖結(jié)構(gòu)賦予PDMS/MXene/MAPbBr_xI_y（3D）復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、阻燃性和敏感的溫度響應(yīng)特性，使其成為電子器件中有前途的熱界面層（TIM）。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域的溫度超過臨界作極限時，3D MXene框架會快速傳導(dǎo)熱能，通過鈣鈦礦相變誘導(dǎo)明顯的顏色轉(zhuǎn)變。同時，這種熱活化過程觸發(fā)的協(xié)同阻燃作用有效地阻止了燃燒的傳播，從而建立了針對電子系統(tǒng)中熱危害的雙重保護(hù)機(jī)制。在電池模組測試中，3 mm厚的Janus材料作為TIM，能夠使電池表面溫度降低19.1°C。紅外熱像圖與實時顏色變化同步顯示，材料在77 °C時變?yōu)?/span>橙色預(yù)警，同時MXene層快速導(dǎo)走熱量，阻止熱失控。這種“感知-響應(yīng)”閉環(huán)，展示了智能熱管理的變革性方法。

圖5. TIM在電池組中的應(yīng)用

  以上研究成果以“Bioinspired Janus Interlocked MXene/Perovskite-PDMS Composites for Integrated Thermal Visualization, Rapid-heat Dissipation, and Proactive Fire Safety in High-Power Electronics”為題發(fā)表于Composites Part B （DOI:10.1016/j.compositesb.2025.112615）。論文第一作者為上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士生楊旭，通訊作者為上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)副教授和李唯真教授。該研究獲得國家自然科學(xué)基金和上海市自然科學(xué)基金項目的支持，并感謝期刊編輯和審稿人對論文的幫助。

  文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836825005165