氣凝膠是一種具有三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的超輕固體材料，具有超低熱導(dǎo)率，能夠作為一種超級隔熱材料，在航天航空、建筑節(jié)能、電動汽車及便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。然而，目前大部分氣凝膠均為宏觀塊體形態(tài)，不具備纖細、輕薄、柔長等特征。另一方面，氣凝膠材料自身所具有的弱力學(xué)強度，使得其后加工（如切割、壓縮）相對困難。因此，對于氣凝膠低維宏觀形態(tài)的設(shè)計依舊具有一定的挑戰(zhàn)性，制約了氣凝膠材料在限域空間熱量管理的功能發(fā)揮，如未來新興的5G便攜式/可穿戴電子系統(tǒng)的實際熱控需求。
為實現(xiàn)氣凝膠材料的輕薄化設(shè)計，中科院蘇州納米所張學(xué)同研究員團隊和海南大學(xué)廖建和教授團隊合作，尋找到一種可切割、可壓縮的氣凝膠前驅(qū)體，進而發(fā)展出一種簡易的氣凝膠輕薄化設(shè)計方法。通過水-叔丁醇共溶劑體系，調(diào)控硼酸與三聚氰胺的氫鍵組裝，獲得由納米帶相互纏繞、搭接而成的三聚氰胺-二硼酸鹽（M·2B）氣凝膠塊體材料。該氣凝膠塊體具備可切割、可壓縮等特征，具有良好的可加工性能。經(jīng)過簡易的切割、壓縮及后續(xù)的高溫?zé)峤?，成功獲得柔性、自支撐的氮化硼氣凝膠薄膜，如圖1所示。通過工藝參數(shù)調(diào)控，能夠有效實現(xiàn)對氮化硼氣凝膠薄膜厚度、密度、形狀及尺寸的調(diào)控，且所得氮化硼氣凝膠薄膜在室溫、液氮及火焰中，均可彎曲，表現(xiàn)出良好的力學(xué)柔性，如圖1所示。
圖1 三聚氰胺-二硼酸鹽氣凝膠塊體材料的可切割性（a-c）、可壓縮性（d），氮化硼氣凝膠薄膜的力學(xué)柔性（c-g）及微觀形貌（h-i）。
此外，以上述氮化硼氣凝膠薄膜作為支撐材料，成功獲得氮化硼氣凝膠相變薄膜。得益于氣凝膠自身所具有的顯著毛細作用力，能夠有效束縛并限域熔融態(tài)的有機固-液相變材料，防止熔融態(tài)相變材料泄露。所得氮化硼氣凝膠薄膜表現(xiàn)出良好的形狀穩(wěn)定性；所得氮化硼氣凝膠相變復(fù)合薄膜具有高相變焓值，并具有優(yōu)于目前商業(yè)化柔性相變材料的熱導(dǎo)率，如圖2所示。
圖2 不同溫度下氮化硼氣凝膠相變復(fù)合薄膜的光學(xué)照片（a）、薄膜的微觀形貌（b-d）及熱性能（e-g）。
氣凝膠及其相變復(fù)合材料具有以下熱控管理潛能：1）氣凝膠薄膜具有低導(dǎo)熱率、輕薄等特征，可實現(xiàn)限域空間內(nèi)熱量的隔絕；2）氣凝膠相變復(fù)合薄膜能夠在溫度變化的環(huán)境中，可逆的吸收或釋放熱量，并維持自身溫度相對恒定，實現(xiàn)對熱能的限域與調(diào)制。
研究者初步探究了氮化硼氣凝膠薄膜及其相變復(fù)合薄膜在先進電子系統(tǒng)（如便攜式、可穿戴、5G等）多元化熱控管理中的可行性，并以此提出了基于隔熱與熱能調(diào)制的兩種熱控管理策略及其應(yīng)用形式與場景，如圖3所示。氣凝膠薄膜及相變復(fù)合薄膜能夠有效改變和調(diào)控?zé)崃鞯膫鬏敺较?，阻止熱量向附近生物組織及其他功能單元擴散，為電子系統(tǒng)提供舒適的運行環(huán)境，并為使用電子器件的人體提供舒適的佩戴或使用環(huán)境。
圖3 氣凝膠薄膜及相變復(fù)合薄膜在便攜式電子系統(tǒng)中的熱管理示意圖。
該研究工作為氣凝膠材料的輕薄化設(shè)計及限域空間內(nèi)熱能的多元化管理提供了理論支持及引導(dǎo)，有望在未來先進的5G便攜式電子設(shè)備中實現(xiàn)熱控管理的多元化應(yīng)用。
相關(guān)成果以“Nanoporous Boron Nitride Aerogel Film and Its Smart Composite with Phase Change Materials”為題發(fā)表在國際著名期刊ACS Nano上。碩士研究生王伯瓏、博士李廣勇為論文共同第一作者，中科院蘇州納米所張學(xué)同研究員與海南大學(xué)廖建和教授為論文共同通訊作者。該論文工作獲得了國家重點研發(fā)計劃、英國皇家學(xué)會-牛頓高級學(xué)者基金的資助。
