【复材资讯】ACS Appl. Mater. Interfaces：通过分层结构实现各向异性传热的…

在现代电子设备中，由于小型化和集成化的趋势，在有限空间内有效的热管理提出了重大挑战被动散热是这些设备的主要散热方式，因此从热点向周围环境的有效散热对于确定有效散热面积至关重要。热管理材料或器件，如热管、蒸气室、石墨膜、和氮化硼膜等广泛用于电子器件的散热。导热系数的方向和值是评估这些热管理材料性能的两个关键参数。热管和蒸汽室根据填充材料内的相变起传热作用，它们在密闭空间内的快速传质能力使得传热效率很高虽然已知热管和蒸汽室表现出各向异性传热特性，但它们的有效面外导热系数仍然相对较高。然而，其制造工艺的复杂性、有限的灵活性和相当大的厚度限制了它们对许多高度集成的电子设备的适用性相比之下，如石墨和氮化硼薄膜具有成本低、柔韧性高、厚度可控、面内导热性高等优点。这些材料允许在平面内快速热传导虽然它们在平面内或通过平面方向上具有很高的各向异性，但无法区分平面内不同方向的传热，重新设计这些材料成为当下的研究重点之一，以实现特定所需的传热特性。

近日，蒙纳士大学Minsu Liu和Ruiping Zou团队联合清华大学深圳国际研究生院丘陵副教授团队设计并制造了一种分层纤维膜，通过将分层结构设计与二维材料的各向异性导热性相结合，开发了一种用于各向异性传热的纤维膜。该结构是通过在二维平面上排列一维结构光纤来实现各向异性的。通过表征和模拟证实，二维纳米片沿周向和轴向排列的光纤单元具有16.8 W/mK的高轴向导热系数和先进的热导向能力。组装膜沿纤维轴表现出优异的抗拉强度（365MPa）和高导热系数（10.5 W/mK）。通过一个实际的无线充电冷却演示说明了这一点。该方法也被证明适用于不同的二维填料和各种几何形状。本研究提出了一种在材料层面实现精确热引导的方法，促进了电子产品热管理的系统设计。研究成果以“Anisotropic Heat Transfer in a Fibrous Membrane with Hierarchically Assembled 2D Materials”为题发表在ACS Applied Materials&Interfaces期刊。

图文解析

图1 (a)各向异性纤维膜制造工艺示意图；(b)去角质BNNS的AFM图像。(c)干燥的ANF/BNNS纺丝掺杂（70% wt % BNNS含量）的SEM图像。(d)单轴纤维BNF-6和(e)纤维膜BNM-6的光学图像。(f)单轴纤维BNF-6和(g)纤维膜BNM-6的SEM图像

图2 (a)纤维样品和(b)沿纤维轴向加载的膜样品的应变-应力曲线（附图：1 cm宽的纤维膜BNM-7，装一瓶500 mL水）；(c)我们的膜与其他ANF/BNNS膜的拉伸强度比较；(d)膜样品抗拉强度各向异性系数；(e)数字图像显示，不同排列方式的BNM-3纤维膜可向不同方向弯曲，比尺为1 cm。(f)用5 cm的比例尺将BNM-3纤维膜裁剪成不同形状

图3 (a)相同直径的纤维束（5根纤维）热像；(b)纤维的导热性；(c)与纤维轴向平行和垂直的热流方向示意图及相应的热图像。红框表示热源的位置；(d)平行于纤维轴向的膜样导热系数；(e)通过面导热系数，(f)膜样品对应的接触热阻。(g)不同BNNS含量的膜样品的导热系数各向异性

图4 (a)同轴模型和(b)层流模型10 s瞬态传热模拟的传热差异示意图和热图像。仿真结果显示了10s时的截面热像和(c)同轴模型的温度分布曲线以及(d)-(f)对应的时间曲线；(g)层流模型和(h)-(j)对应时间曲线。(k)加热器，(l)膜，(m)膜的热图像。(n)各试样热中心位置温度-时间曲线

图5 (a) 3种模式的比较示意图；(b)热测试系统的设置；(c)模型1的热图像；(d)模式二；(e)模式三。(f)无线充电模块的设置；(g)充电前后手机背面的热像图，以及对应的温度和电池容量变化。(h)手机输入功率和电池容量变化5分钟

图6 (a)氧化石墨烯纳米片、(e) Al2O3纳米颗粒和(i) AlN纳米颗粒的SEM图像，以及(b)氧化石墨烯、(f) Al2O3/ANF和(j) AlN/ANF纤维的横截面，其中ANF在复合纤维中占30%。(c)氧化石墨烯组装成纤维膜的显微图像（c, g, k）和数字图像（d, h, l）；(d)热还原后的氧化石墨烯膜

来源：洞见热管理

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c15588

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原标题：《【复材资讯】ACS Appl. Mater. Interfaces：通过分层结构实现各向异性传热的纤维膜》

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