一、研究背景

電信系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備的快速發(fā)展推動了電子元器件的小型化與集成化，人工智能等大功率應(yīng)用又進一步提升了電子設(shè)備的算力需求，這使得電子設(shè)備的熱管理問題愈發(fā)突出。電子元件溫度在70-80℃區(qū)間每升高1℃，可靠性就會降低5%，過熱還可能引發(fā)短路甚至爆炸。

目前常用熱管、相變材料和銅、銀等高導(dǎo)熱材料進行散熱，但材料z方向熱阻不足導(dǎo)致的元件表面發(fā)熱和熱點形成仍存挑戰(zhàn)。氣凝膠作為超低導(dǎo)熱率的超輕多孔固體，是理想的隔熱材料，而纖維素氣凝膠作為生物基多孔材料，雖具有超低密度、設(shè)計可調(diào)性等優(yōu)勢，卻存在耐熱性、機械耐久性和加工性不足的問題，其親水性還易導(dǎo)致吸濕變形，限制了在電子設(shè)備中的應(yīng)用。

芳綸納米纖維（ANF）具有高結(jié)晶度、剛性鏈結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的阻燃性和熱穩(wěn)定性，將其與纖維素納米纖維（CNF）復(fù)合，有望改善纖維素氣凝膠的性能，同時3D打印技術(shù)可解決傳統(tǒng)模具制造氣凝膠精度低、效率差的問題，實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)氣凝膠的定制化制備。

二、研究內(nèi)容

2.1 材料制備

（1）芳綸納米纖維（ANF）制備：將凱夫拉纖維、KOH與DMSO混合攪拌三天，加入去離子水后過濾洗滌，得到ANF分散液。

（2）纖維素納米纖維（CNF）制備：采用TEMPO氧化法處理樺木木漿，經(jīng)微流化器處理后得到TEMPO氧化的CNF水凝膠。

（3）CNF/ANF雜化氣凝膠制備：將不同質(zhì)量比（9:1、7:3、5:5）的1 wt% CNF和2 wt% ANF水分散液均質(zhì)混合，液氮冷凍后冷凍干燥，制得C/A10%、C/A30%、C/A50%雜化氣凝膠，同時制備純CNF和ANF氣凝膠作為對照。

（4）3D打印制備氣凝膠：使用Brinter? one 3D打印機，將1:1的1 wt% CNF和2 wt% ANF分散液作為打印墨水，在500-600 mbar擠出壓力、噴嘴移動速度5-10 mm/s條件下打印，經(jīng)液氮冷凍和冷凍干燥得到定制結(jié)構(gòu)的3D打印氣凝膠。

2.2 性能表征

通過掃描電鏡（SEM）觀察氣凝膠和納米纖維的形貌；利用萬能試驗機測試氣凝膠的壓縮力學(xué)性能；借助X射線衍射（XRD）分析材料的晶體結(jié)構(gòu)；采用熱重分析儀（TG）研究熱行為；通過紅外相機進行紅外成像；使用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）表征化學(xué)結(jié)構(gòu)；利用流變儀測試打印墨水的流變性能；采用熱導(dǎo)率分析儀測定熱導(dǎo)率。

2.3 關(guān)鍵實驗結(jié)果與分析

圖1. (a) CNF、C/A10%、C/A30%和C/A50%氣凝膠置于花瓣上的照片；(b) C/A50%氣凝膠彎曲和卷曲的照片；(c) C/A50%氣凝膠加載200g重物前后的照片；(d) 不同氣凝膠的XRD圖譜；(e) 不同氣凝膠的FT-IR光譜；(f) 不同氣凝膠的TG曲線；(g) 不同氣凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(h) 對應(yīng)楊氏模量和屈服應(yīng)力值；(i) C/A50%氣凝膠在50次疲勞測試中的高度保持率

（1）物理與機械性能：雜化氣凝膠密度僅12-16 mg/cm3，孔隙率達(dá)98.9%-99.2%；C/A50%氣凝膠的楊氏模量從純CNF的16.7 kPa提升至176.3 kPa，提升近10倍，且在50次壓縮-解壓循環(huán)后高度保持率約87%，展現(xiàn)出優(yōu)異的機械強度和回彈性。ANF與CNF間的氫鍵作用（CNF的-COOH與ANF的-CONH-形成氫鍵）是性能提升的關(guān)鍵。

（2）熱穩(wěn)定性：純CNF氣凝膠在290℃左右開始分解，而ANF和雜化氣凝膠的分解溫度高達(dá)520-550℃，ANF的芳香結(jié)構(gòu)和分子間氫鍵賦予了雜化氣凝膠優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

圖2. (a) 不同氣凝膠的熱導(dǎo)率；(b) 105℃加熱下氣凝膠的紅外熱成像俯視圖；(c) 加熱30分鐘后氣凝膠的紅外熱成像側(cè)視圖；(d) 冷熱環(huán)境測試裝置示意圖；(e) C/A50%氣凝膠、棉織物和聚苯乙烯泡沫在96℃高溫下的溫度-時間曲線；(f) C/A50%氣凝膠、棉織物和聚苯乙烯泡沫在-50℃低溫下的溫度-時間曲線

（3）隔熱性能：雜化氣凝膠的熱導(dǎo)率低至0.032 W/(m·K)（C/A50%），在105℃加熱條件下，氣凝膠表面與加熱板間形成52-55℃的溫度梯度；在96℃高溫和-50℃低溫環(huán)境中，C/A50%氣凝膠的隔熱性能優(yōu)于棉織物和商用聚苯乙烯泡沫。

圖3. (a-c) C/A50%氣凝膠3D打印成芬蘭地圖、飛機和環(huán)形結(jié)構(gòu)（左圖為設(shè)計模型，右圖為干燥后氣凝膠，比例尺2cm）；(d) 3D打印纖維素水凝膠網(wǎng)格的光學(xué)照片（比例尺10mm）；(e) 打印樣品漂浮在水上(e1)和自支撐環(huán)形結(jié)構(gòu)(e2)；(f) C/A50%墨水在1Hz恒定頻率下動態(tài)應(yīng)力掃描的對數(shù)-對數(shù)圖（插圖為穩(wěn)態(tài)粘度隨剪切速率變化的對數(shù)-對數(shù)圖）；(g) 不同厚度3D打印C/A50%氣凝膠在熱板上的紅外圖像；(h) 不同厚度3D打印C/A50%氣凝膠在干冰冷板上的紅外圖像；(i) 不同厚度氣凝膠與冷熱板的溫差

（4）3D打印性能：C/A50%墨水具有優(yōu)異的剪切稀化行為和粘度恢復(fù)能力（120s內(nèi)恢復(fù)84%粘度），可打印出芬蘭地圖、飛機、環(huán)形等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且打印氣凝膠的隔熱性能隨厚度增加而提升，9.5mm厚的C/A50%氣凝膠與110℃熱板間溫差約63℃。

圖4. (a) 5G智能手機（諾基亞8.3 5G）背面照片；(b) 氣凝膠隔熱體覆蓋智能手機主板的示意圖；(c) C/A50%隔熱體照片（插圖為培養(yǎng)皿中打印的C/A(5:5)水凝膠）；(d) 智能手機背面紅外圖像：(d1-d3) 無C/A50%隔熱體的主板，(d4) 覆蓋3D打印C/A50%隔熱體的主板；(e) 有無C/A50%隔熱體時主板表面溫度隨時間變化曲線；(f) 氣凝膠隔熱體對主板隔熱的示意圖；(g) 不同氣凝膠材料的熱導(dǎo)率與密度關(guān)系

（5）實際應(yīng)用測試：將3D打印的C/A50%氣凝膠應(yīng)用于5G智能手機主板熱點隔熱，手機運行游戲15分鐘后，無隔熱體時主板表面溫度達(dá)約47℃，覆蓋隔熱體后僅約31℃；安裝手機殼后，無隔熱體時主板溫度升至60℃，而隔熱體表面溫度僅約41℃，展現(xiàn)出良好的實際隔熱效果。

三、研究結(jié)論

1. 以ANF為增強相，通過3D打印制備了CNF/ANF雜化氣凝膠，ANF的引入使C/A50%氣凝膠的楊氏模量較純CNF氣凝膠提升近10倍，同時顯著提高了氣凝膠的熱穩(wěn)定性，分解溫度從純CNF的290℃左右提升至520-550℃。

2. 雜化氣凝膠具有超低密度（12-16 mg/cm3）和極低的熱導(dǎo)率（0.032-0.034 W/(m·K)），其隔熱性能優(yōu)于棉織物和商用聚苯乙烯泡沫，且在冷熱極端環(huán)境下仍表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱效果。

3. C/A50%墨水具備良好的流變性能和3D打印適性，可制備出復(fù)雜定制化結(jié)構(gòu)的氣凝膠，克服了傳統(tǒng)模具制造的精度和效率缺陷，且氣凝膠具有優(yōu)異的可回收性，可通過分散-干燥循環(huán)反復(fù)重塑。

4. 將3D打印的C/A50%氣凝膠應(yīng)用于5G智能手機主板熱點隔熱，有效降低了主板表面溫度，驗證了其在便攜式電子設(shè)備熱管理中的實用性，該制備方法也為電子、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境領(lǐng)域高性能氣凝膠的快速原型制造提供了可持續(xù)方案。

Scheme 1. (a) 3D打印制備CNF/ANF氣凝膠的流程示意圖；(b) 氣凝膠用于便攜式電子設(shè)備隔熱的示意圖

四、論文信息