天津大学封伟团队《AFM》：仿蒲公英结构微球实现高效动态界面热管理
近期，天津大学封伟教授领导的FOCC团队受自然界中蒲公英径向结构启发，设计并制备了一种负载液态金属的石墨烯气凝胶微球（LMGS），成功构建出兼具高导热、超柔软、抗泄漏和动态稳定性的仿生热界面材料（HLMGS/E）。该材料以径向排列的石墨烯气凝胶为“骨架”封装液态金属微粒，这种仿生径向结构可以实现热量的快速与各向同性扩散。同时，微球化的策略解决了传统连续气凝胶难以被聚合物完全浸润、界面结合差的难题。这项研究以“Dandelion-Inspired Radial OrientedMicrospheres for Dynamic Interface Thermal Management”为题发表在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上。天津大学博士生何青霞为该论文第一作者，天津大学封伟教授和秦盟盟教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金重点项目和国家重大科研仪器研制项目的支持。
如图1所示，通过微纳结构工程与微流控辅助冰模板法，制备出具有类似径向结构的LMGS微球。在该结构中，石墨烯纳米片从微球核心向外呈放射状有序排列，形成了连续的二维导热通路；液态金属纳米颗粒则被均匀地锚定在石墨烯片层上，二者通过羧甲基纤维素的桥接作用稳定结合。多尺度的LMGS微球基元与软弹性Ecoflex复合构筑了HLMGS/E复合材料。LMGS微球基元与Ecoflex高分子基体软-硬相界面机械互锁，协同形成高效的应力缓冲体系与高导热传输路径，实现了复合材料高导热、低模量与低接触界面热阻。因此，复合材料在高频振动条件下能维持稳定贴合热源，并对不规则表面展现出色适应能力，适用于复杂工况的界面热管理。
图1受蒲公英径向结构启发的LMGS微球仿生设计示意图及基于LMGS柔软弹性导热复合材料的热管理应用。
如图2所示，相比于连续气凝胶复合材料（LMGA/E）及随机取向复合材料（RLMG/E），微球气凝胶的渗透路径更短与穿透阻力更低，LNGS之间通过聚合物链紧密互联，形成机械互锁界面。复合材料具有优越的机械柔顺性，具备超低模量（502.8 kPa），高回弹性（40%应变下压缩100次，恢复率94.7%）。并且断裂伸长率为其断裂伸长率达到95.0%，韧性增加至273.1 kJ m-3，能紧密贴合不规则界面。与此同时，其兼具强大的动态稳定性：在振动、弯曲、拉伸等动态机械应力下，材料能保持稳定的结构且无液态金属泄漏，确保了长期使用的可靠性。
图2HLMGS/E复合材料的力学性能。
受蒲公英种子径向排布结构启发，通过构建石墨烯/液态金属径向排布导热网络通路，显著提升热扩散效率，有效抑制局部过热现象。采用有限元分析法模拟了LMGS微球内填料网络的径向排布与网格分布结构对热传输效率的影响规律，发现填料的径向分布可显著提升填料-聚合物体系的热传递效率。如图3所示，基于仿生径向导热微球的高效热扩散效率及在基体材料中呈现高度紧密堆积，HLMGS/E复合材料具有优异的导热性能：κ高达6.64 W m⁻¹ K⁻¹，其specific 𝜅（𝜅/vol%）达到了的11.1 W m⁻¹ K⁻¹/vol%，远超传统随机分散及模板法制备的液态金属基复合材料，成功实现了填充型复合材料高导热与低模量的兼顾。
图3HLMGS/E复合材料的导热性能
如图4所示，HLMGS/E复合材料在模拟真实工况的测试中展现出巨大应用潜力。在高频振动与不规则界面环境下，其散热性能显著优于商业化的Laird Tflex 700和硬质石墨板，平均温度更低且温度波动极小。在静态液冷板散热系统中，它能使热源表面温度降低62.9°C，冷却效率比商用材料提升了46.5%。HLMGS/E复合材料的界面接触热阻为Rc=14.2 K mm2 W-1，仅为Larid Tflex 700的49.7%。在经历约3000次热冲击循环后，HLMGS/E的热管理体系的最高温度和最低温度的波动范围仅为2.6 °C和2.8 °C，证明HLMGS/E具优异的热传导稳定性，其具有作为电子器件热管理系统中TIMs的优异潜力。
图4HLMGS/E复合材料在静态及动态界面热管理的应用。
