蒙纳士大学刘闽苏团队ACS AMI：各向异性导热纤维膜

随着现代电子设备的快速发展，尤其是在微型化和集成化趋势的推动下，有限空间内的高效热管理成为了一个重大挑战。设备内部的热点问题不仅影响性能，还可能导致设备损坏，因此，有效的热扩散对于确保电子设备稳定性和延长寿命至关重要。在众多热管理材料中，具有各向异性热传导特性的材料因其能在特定方向上优化热量分布而备受关注。近期，澳大利亚蒙纳士大学（Monash University）微粒系统模拟和建模实验室（SIMPAS）刘闽苏研究员团队协同清华大学丘陵团队提出一种新型的纤维膜，因其在热管理上的突破性进展而成为研究热点，这种纤维膜通过层次结构设计和二维材料的独特性质，实现了精确的热量导向。

图1. 纤维膜的制备过程以及二维材料的表征

研究团队设计并制造了一种层级纤维膜，能够精确地引导热量传输。该纤维膜通过整合二维材料的各向异性热导率与层级结构设计，实现了各向异性热传输。通过在二维平面内对一维结构纤维进行对齐，实现了每个尺度级别的各向异性。这种结构的纤维单元中，2D纳米片在周向和轴向上对齐，达到了16.8 W•m^-1•K^-1的轴向热导率和先进的热导向能力。组装的膜展示了365 MPa的卓越拉伸强度和10.5 W•m^-1•K^-1的高热导率沿纤维轴。该膜被视为热管理材料的一个创新模型，结合了热扩散器和热界面材料的优势，擅长沿着预设路径引导热量。实际的无线充电冷却演示验证了其效果。此外，该方法证明了其通用性，适用于不同的2D填料和各种几何形状，为电子产品热管理的系统设计提供了新的方法。

图2. 纤维膜的力学性能表征

图3. 纤维膜的热学性能表征

该研究的创新之处可归纳为三大核心点：（1）技术革新：采用了一种连续的、多级组装工艺，实现了从二维材料到一维纤维，再至各向异性纤维膜的一步法构建，简化了制备流程。（2）形态特性：所开发的纤维膜展现出明显的各向异性，通过利用纤维的高轴向热导率，显著提升了整体性能。（3）传热机制：研究聚焦于纤维的轴向和周向热传递，深入探究了纤维传热特性对宏观结构性能的影响，为热管理材料的设计提供了新的理论支持。

图4. 模拟对比纤维膜和层状结构膜的传热行为差异以及热测试验证

图5. 纤维膜作为一种结合热界面材料和散热器功能的新的散热模型验证以及无线充电demo证明其在电子器件热管理中的应用潜力

这种综合技术、形态和传热机制的创新方法，为高性能热管理材料的开发开辟了新路径。

这一成果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，文章的第一作者是蒙纳士大学博士研究生杜彧。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Anisotropic Heat Transfer in a Fibrous Membrane with Hierarchically Assembled 2D Materials

Yu Du, Fangzheng Zhen, Siyuan Ding, Yueni Zhong, Peixuan Li, Ke Zhan, Miheng Dong, Zhijun Guo, Weiren Fan, Ooi Ean Hin, Baofu Ding, Ruiping Zou*, Ling Qiu*, Aibing Yu, Minsu Liu*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2024, DOI: 10.1021/acsami.4c15588

研究团队介绍

微纳尺度热工程小组（Micro-nano Thermal Engineering, MiNTE）是余艾冰院士领导的颗粒系统模拟与仿真实验室（SIMPAS）的重要组成部分，专注于探索材料及结构在微纳尺度下的热传输特性。

刘闽苏博士，蒙纳士大学苏州研究所的研究助理，荣誉学士学位（一级荣誉）和博士学位分别来自新南威尔士大学和蒙纳士大学。在加入蒙纳士大学之前，他曾在蒙纳士大学和清华大学担任博士后研究员，并在清华大学佛山新材料研究院担任执行项目主任。刘博士在纳米制造、二维材料、自组装和热管理领域具有深厚的研究背景。

余艾冰教授，澳大利亚技术科学与工程院院士、澳大利亚科学院院士、中国工程院外籍院士，担任蒙纳士大学副校长、校长特聘教授、约翰•蒙纳士爵士杰出教授。余教授是ARC智能过程设计与控制研究中心和必和必拓-中国宝武-蒙纳士大学低碳冶金知识中心的创始主任。作为颗粒科学与技术、过程工程领域的世界知名专家。

邹瑞萍副教授，澳大利亚蒙纳士大学化学工程系副教授，兼任微粒系统模拟和建模实验室（SIMPAS）主任和ARC计算颗粒技术中心（CPT）主任。她在颗粒/粉末技术领域是领先的科学家。

丘陵副教授，清华伯克利深圳学院低维材料与器件实验室主任（PI）、博士生导师、特别研究员及副教授。他的研究领域主要集中在二维材料薄膜和气凝胶的合成，以及这些材料在导热材料、复合材料、柔性器件和功能材料方面的应用。