北科大張海龍教授團隊AM：仿生蜂窩工程破解氣凝膠封裝相變復合材料“力學-導熱”權衡難題

隨著電子器件功率密度持續攀升，熱管理已成為制約器件性能的核心瓶頸。相變材料憑借零能耗、高潛熱的優勢，在航空航天、無人機等應用場景中展現出巨大潛力。然而，相變材料本征熱導率低、固-液相變后易泄漏的固有缺陷，嚴重阻礙了工程化應用。氣凝膠封裝技術既能通過三維多孔骨架束縛液態相變材料從而抑制泄漏，又能引入高導熱填料構建導熱通路從而提升導熱性能，是解決上述難題的優選方案。然而，氣凝膠封裝相變復合材料長期以來面臨“力學-導熱”權衡的難題：高導熱石墨烯網絡往往依賴較弱的片間作用力實現自組裝，氣凝膠結構剛性不足，在熱-機械應力下易發生坍塌；而采用剛性樹脂、熱解碳骨架增強力學強度的策略，又會顯著阻礙熱流傳輸，難以實現高導熱。如何在同一體系中同時實現高力學魯棒性與高導熱性能，成為相變復合材料領域亟待突破的關鍵科學問題。

近日，北京科技大學張海龍教授團隊，從自然界蜂巢“輕量化、高承載”的結構中汲取靈感，提出了一種全新的仿生蜂窩工程策略，成功制備出兼具超高力學強度與優異導熱性能的蜂窩狀石墨烯/海藻酸鈣氣凝膠，實現了氣凝膠封裝相變復合材料的“承載骨架與導熱網絡的結構解耦”，突破了長期存在的“力學-導熱”權衡難題。相關研究成果以Overcoming Mechanical-Thermal Trade-Off in Aerogel-Encapsulated Phase Change Composites via Biomimetic Honeycomb Engineering”為題，發表在Advanced Materials（2026, 38, e15304），第一作者為博士生張悅。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202515304

本研究的核心創新在于，在陶瓷蜂窩結構研究基礎上提出并完善了離子單向擴散誘導相分離（IDPS）技術，基于經典Flory-Huggins相分離理論，通過二價金屬陽離子的穩定單向擴散，精準調控海藻酸鈉溶液體系的各向異性相分離行為，為長程有序蜂窩多孔結構的可控制備提供了理論與技術支撐。

IDPS過程遵循五步自組裝機理：首先是快速界面交聯，Ca2+與海藻酸鈉分子鏈接觸后立即反應，在接觸界面形成致密的海藻酸鈣凝膠薄膜，為后續相分離提供穩定界面；第二步為水相囊泡成核，相分離驅動富水相在凝膠薄膜表面成核，在表面張力作用下形成離散囊泡，Ca2+持續擴散形成包裹囊泡的凝膠外殼；第三步為囊泡-柱體結構轉變，隨著離子不斷擴散，囊泡受空間限制由徑向生長轉為縱向延伸，形成規則的柱狀結構；第四步為蜂窩網絡成型，密排水柱在表面張力作用下形成Plateau邊界特征，相鄰凝膠外殼相互融合，構建出六邊形蜂窩骨架；最后為蜂窩結構自蔓延生長，凝膠外殼發生“拉伸-斷裂-再生”循環，推動蜂窩凝膠網絡的有序生長。

研究團隊進一步采用30 nm熒光微球作為示蹤劑，通過激光共聚焦顯微鏡原位觀測，首次在微觀尺度下完整捕捉IDPS的動態演化過程，直接驗證了IDPS機理的可靠性。在此基礎上建立了組分-凝膠化行為相圖，可通過離子濃度、海藻酸鈉G/M比、溶液濃度等參數，實現蜂窩孔徑在30-300 μm范圍內的精準調控。

圖離子單向擴散誘導相分離（IDPS）過程的形貌特征與演化機理

視頻3D激光共聚焦熒光顯微鏡對IDPS過程的原位觀測

基于IDPS機理，通過工藝優化將該技術成功拓展至二維材料體系，制備出蜂窩狀石墨烯/海藻酸鈣氣凝膠。針對石墨烯納米片在海藻酸鈉體系中難以分散的問題，開發了分步式分散工藝：先以PVP為分散劑，通過超聲實現石墨烯納米片在水中的均勻分散，再向懸浮液中持續加入海藻酸鈉并攪拌溶解，利用海藻酸鈉分子鏈的空間位阻效應避免石墨烯二次團聚，制備出高穩定性的懸浮液。以濾紙吸附氯化鈣溶液提供單向離子源，觸發IDPS過程，在水相囊泡生長的過程中，石墨烯納米片附著在囊泡的凝膠外殼上，持續的交聯反應增厚凝膠外殼，將石墨烯納米片包裹在凝膠中，隨著相鄰水柱外殼融合，最終形成石墨烯納米片定向排布的復合結構蜂窩壁水凝膠經預冷凍及真空冷凍干燥后，獲得蜂窩狀石墨烯/海藻酸鈣氣凝膠，該氣凝膠具有高度有序的六邊形蜂窩結構與垂直貫通的孔道，僅通過調控石墨烯與海藻酸鈉的用量，即可實現蜂窩壁厚度的精準調控。進一步驗證了上述工藝對MXene、BN、MoS2等典型二維材料的普適性，可以通過改變蜂窩壁組分實現氣凝膠的功能定制，進一步拓展在電磁波吸收、光熱轉換、生物醫學等領域的應用前景。

圖蜂窩狀石墨烯/海藻酸鈣氣凝膠的制備、形貌與組裝機理

所制備的仿生蜂窩石墨烯/海藻酸鈣氣凝膠，憑借蜂巢結構的仿生設計與高強度海藻酸鈣基體的協同作用，實現了力學性能的突破，解決了傳統石墨烯氣凝膠低剛性、承載能力不足的固有缺陷。開發了溶劑蒸發誘導收縮工藝，通過藻酸鈣含量提升與蜂窩孔徑收縮的協同強化機制，將氣凝膠的壓縮強度提高至2.2 MPa，比強度達到19.2 kN·m/kg，力學性能優于多數已報道的低密度氣凝膠材料；僅0.02 g的超輕氣凝膠即可穩定承受5 kg載荷，承載能力達到自身重量的25萬倍。該工作為高強度功能化氣凝膠的可控制備提供了新的設計思路與工藝方法。

圖蜂窩狀石墨烯/海藻酸鈣氣凝膠的力學性能

采用真空浸漬法將石蠟封裝到蜂窩氣凝膠的孔道，制備出相變復合材料，為實現導熱性能的提升，通過液相沉積工藝在蜂窩氣凝膠骨架表面構筑連續的石墨烯導熱網絡，復合材料熱導率提升至4.18 W/m·K，較石蠟提升1504%。有限元仿真表明，連續石墨烯層沿著蜂窩骨架構建低熱阻且貫通的傳熱通道，實現了熱量的快速傳遞。固-液相變后復合材料仍可保持2.49 MPa的抗壓強度，在承受25000倍自重載荷時不發生塌陷和泄漏，展現出優異的熱機械穩定性與抗泄漏能力。相變復合材料的熔化焓可達199.0 J/g，儲熱性能優異，在CPU芯片熱管理應用展示中可將電子器件峰值溫度降低10.2 ℃，并在多次循環中保持穩定。上述結果證明仿生蜂窩氣凝膠相變復合材料可同時實現高效導熱、力學支撐與高容量儲熱的多功能協同，為極端熱-力耦合工況下的被動熱管理提供了理想解決方案。

圖蜂窩狀石墨烯/海藻酸鈣氣凝膠封裝石蠟相變復合材料的導熱性能

圖蜂窩狀石墨烯/海藻酸鈣氣凝膠封裝石蠟相變復合材料的熱機械性能

圖蜂窩狀石墨烯/海藻酸鈣氣凝膠封裝石蠟相變復合材料的儲熱性能及其熱管理應用

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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