给电子芯片穿上一件降温防辐射的防水保护衣

2026-09-03

日常使用手机或笔记本电脑时，设备长时间高负荷运行会明显发烫，偶尔还会出现信号干扰或卡顿。随着现代电子设备向“轻薄化、高度集成化”方向发展，发热和电磁干扰成为制约精密仪器稳定工作的两大核心痛点。与此同时，潮湿的环境更容易对精密电路产生侵蚀。

为了解决这一系列连锁难题，这篇研究开发了一种新型多层柔性复合薄膜（简称 PMF 薄膜）。这种薄膜就像是为发热芯片量身定制的一件“多功能冲锋衣”：不仅能像“蓄水池”一样吸收并释放多余热量，还能像“金钟罩”一样阻隔电磁波辐射，外层还具备荷叶般的疏水防水能力。

在材料科学领域，单一材料往往难以“身兼数职”：

相变材料（如聚乙二醇 PEG）：能够在固态与液态转变时吸收或释放潜热，调温效果显著；但受热液化后极易发生泄漏，且本身硬脆缺乏柔韧性。
二维纳米材料（MXene）：导电性极高、质地轻薄，是理想的电磁屏蔽与导热候选材料；但其表面天然亲水，在潮湿空气中极易氧化失效。

研究团队跳出单一材料的局限，从微观结构设计切入，提出了一种多层复合架构。

论文图1 展示了该材料的设计蓝图与功能分工：

内层骨架（P层，PAN@PEG 同轴纤维）：采用聚丙烯腈（PAN）作为外壳，将相变材料 PEG 包裹在微米级纤维核心内部，承担主要的储热与温控职责。
导电中间层（M层，MXene 涂层）：双面均匀喷涂二维 MXene 纳米片，形成连续导电网络，主要负责电磁屏蔽和横向导热。
外部防护层（F层，PVDF@SiO2 纤维层）：在最外侧附着疏水聚偏氟乙烯（PVDF）与二氧化硅纳米颗粒构成的纤维网，形成防水屏障。

研究人员通过关键实验工艺将构想转化为现实材料：

（1）研究团队配置了聚丙烯腈（PAN）外壳溶液与聚乙二醇（PEG）核心溶液，通过专用同轴针头在 28 kV 高压电场下进行静电纺丝。外壳材料在喷出瞬间迅速定型为细丝管壁，将核心的 PEG 严密包覆在内部。 论文图2 记录了纤维的微观构造：在扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）下，纤维呈现出均一光滑的圆柱形三维网状结构，平均直径约为 1.22 微米（见论文图2b₁–b₃、2c₁–c₃）。为了验证核壳结构是否真正形成，研究人员用水将芯层的 PEG 溶出后观察，清晰地看到了中空的纳米管壁（见论文图2b₄），证实 PEG 被完全封装在 PAN 壳层内。X射线衍射（XRD）与热重分析（TGA）进一步证明，包裹后的 PEG 完整保留了结晶特性，且薄膜的热分解温度高达 327 ℃，远高于常规电子设备的运行工况（见论文图2d、2g）。

（2）团队利用气动喷笔将 MXene 纳米分散液均匀喷涂在同轴纤维薄膜的双面。如论文图2e₁、2e₂ 所示，MXene 纳米片穿插、附着在纤维交织的孔隙中，如同“水泥”填入“钢筋骨架”，形成了紧密连续的导电通路（见论文图2f₁–f₄ 的元素分布图）。

（3）对于相变温控材料而言，防漏液与柔韧性是走向实际应用的前提。

从 论文图3a 可以看到，所得复合薄膜不仅能够随意卷曲、扭转，甚至还能被折叠成一架微型纸飞机而不断裂，展现出良好的机械柔韧度。研究人员将纯 PEG、PEG@PAN 纤维膜以及喷涂 MXene 后的 PM 复合薄膜放置在滤纸上，置于 80 ℃ 烘箱中加热持续观察 60 分钟（见论文图3b）。纯 PEG 在 10 分钟内便彻底熔化成液态并向四周扩散渗透，滤纸上留下了大片液渍，漏液率接近 100%（见论文图3c）。相比之下，采用同轴核壳结构的纤维薄膜与 PM 复合薄膜在经历 60 分钟的高温烘烤后，形态依然方正完好，滤纸干爽洁净，漏液率趋近于 0（见论文图3b、3c）。

电子设备在运行时向外辐射电磁波，既会干扰周围精密元件，也存在信号泄漏隐患。研究团队在常用的 X 波段（8–12 GHz，常用于雷达与无线通讯）对薄膜的屏蔽性能进行了全面表征。

未涂布 MXene 的纯纤维薄膜几乎不具备屏蔽能力；随着 MXene 喷涂负载量的增加，薄膜导电性显著提升（见论文图5a）。当 MXene 负载量达到 0.70 mg/cm² 时（代号），其电磁屏蔽效能达到 34.409 dB（见论文图5b），超越了商业应用通常要求的 20 dB 阈值。论文图5c、5d、5e 中，研究人员细化了电磁波遭遇薄膜后的衰减路径：

表面反射：由于空气与高导电 MXene 表面存在阻抗不匹配，约 95% 的入射电磁能量被初始表面直接反射反射出去（反射系数 R 约为 0.95）。
内部欧姆损耗与偶极极化：渗入材料内部的电磁波促使自由电子移动产生微电流，通过欧姆损耗转化为热能；同时 MXene 表面的官能团与钛原子诱发极化弛豫进一步损耗波能。
层间多次反射：电磁波在上下两层 MXene 导电壁与中间绝缘的纤维网络之间经历来回反射与层层耗散，最终穿透波近乎为零（透过系数 T 仅在 0.0004 左右）。

为了测试材料的实际控温本领，研究团队设计了一个接近真实电子元件工作的实验场景。

将商用电子芯片贴附复合薄膜，使用可调电源供电使其持续产热，并通过热电偶和红外热成像仪实时记录芯片温度变化：

降温对比：如论文图6b–6d所示，在 1.44 W 功率持续发热 360 秒后，无保护的裸芯片表面温度迅速攀升至 105.12 ℃；贴覆了普通 PAN/MXene 膜的芯片温度为 99.01 ℃（主要依靠 MXene 的水平导热扩散）；而贴覆了复合薄膜的芯片温度仅为 84.40 ℃，相比裸芯片整整降低了 20.72 ℃。
变潜热平台：从红外测温曲线（见论文图6e、6f）可以观察到明显的温度平缓上升平台，这直接证明了内部 PEG 正在积极吸收潜热。薄膜的储能密度达到 120.77 J/g。
循环稳定性（论文图4c–4f）：经历连续 300 次加热-冷却热循环测试后，该薄膜的相变熔化焓与相变温度几乎没有衰减，证实其结构坚固耐用，具备长期循环服役的可靠性。

MXene 虽然性能优异，但极怕水汽侵蚀。为此，研究团队在薄膜外层再纺制了一层含有纳米二氧化硅颗粒的聚偏氟乙烯纤维（PVDF@）：

微观“荷叶效应”（论文图7a–7e）：PVDF 本身具有较强疏水性，而加入粒径微小的纳米SiO2颗粒后，纤维表面长出了密密麻麻的“小微丘”凸起。这种微米-纳米级别的粗糙度让水滴无法浸润材料表面，模拟出类似荷叶滚珠的天然超疏水效果。
接触角跃升：当SiO2添加比例达到 30% 时，复合薄膜表面的水接触角提高到了 126.5°（见论文图7g）。
防水耐擦拭对比（论文图7h）：未经疏水层保护的薄膜接触水滴后，亲水的 MXene 层迅速受潮受损；用纸巾擦拭时，黑色导电涂层很容易脱落被刮破。覆盖了 PVDF@ 保护层的薄膜上，水滴如露珠般圆润静止，即使用纸巾多次擦拭吸附，底下的功能层依旧完好无损。
综合性能保留（论文图8）：增加疏水保护外壳后，材料的拉伸强度仍维持在 744.39 kPa，电磁屏蔽值依然保持在 35.66 dB，储热密度仍有 115.71 J/g，表明疏水外壳在不牺牲主要电热性能的前提下，有效延长了材料在潮湿环境中的寿命。

学者介绍：闵永刚，广东工业大学材料与能源学院教授、博士生导师，广东工业大学特聘教授，俄罗斯工程院外籍院士。主要研究方向包括有机光电功能材料与器件、多维功能化石墨烯复合材料与应用、高性能聚合物材料与加工、半导体用光刻胶及 PCB 先进封装技术，以及绿色催化及其在 CO2 减排和再利用中的应用，聚焦高性能聚合物材料开发及其在电子信息显示和半导体电子封装领域的技术创新、产品开发与产业化等问题。

ORCID：0000-0001-9215-8742

DOI：10.1002/smll.202402938