科研速递 | 理工学院郑庆彬教授团队在碳基柔性热管理材料领域取得系列进展

香港中文大学深圳SSE理工学院

2024-09-14

近期，香港中文大学（深圳）理工学院郑庆彬教授团队在微结构设计碳基柔性热管理材料领域取得进展，开发了一系列具有出色热管理性能的新型碳基柔性复合材料，并总结展望了新型碳基多功能柔性电子器件的最新进展，与国内外合作者先后在材料科学与工程领域顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials，影响因子27.4），《先进功能材料》（Advanced Functional Materials，影响因子18.5），《碳》（Carbon，影响因子10.5）和《微尺度》（Small，影响因子13）连续发表4篇学术论文，香港中文大学（深圳）为第一单位及通讯单位，郑庆彬教授为论文通讯作者。

应用于多功能柔性电子的新型碳材料综述

2024年3月，Advanced Materials在线发表题为“New Carbon Materials for Multifunctional Soft Electronics”的论文。该论文系统地综述了高性能柔性物理传感器、电磁干扰屏蔽和热管理器件中新型碳材料的微结构设计和精密制造的最新进展。近年来，人工智能、云计算和物联网的快速发展催生了对于高度集成的柔性电子设备的迫切需求。随之而来的电磁干扰和辐射、过热问题，以及个人健康管理意识的不断提高，推动了对柔性电子产品多功能特性的需求，其中包括出色的传感能力、有效的电磁屏蔽、设备和个人健康相关的高效热管理。由于在化学稳定性、导电性和导热性，以及易于功能化等方面的突出优势，碳纳米管、石墨烯及其衍生物、石墨炔和可持续的天然生物质衍生碳等新型碳材料成为制备多功能柔性电子产品最具前景的候选者。本文综述了基于新型碳材料的多功能柔性电子器件的最新进展，主要集中在微结构或复合设计，及其在物理信号监测、电磁屏蔽和热管理方面的制备方法和多功能化集成策略。随着不断增长的需求、对先进新型碳材料的微结构设计、对创新生产技术的不断探索，以及针对特定应用的定制化，多功能柔性电子器件有望在医疗保健、可穿戴技术、软体机器人、人机交互等领域产生更令人印象深刻的成果。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202312596

微观焊接结构的导热机理研究

2024年3月，Advanced Functional Materials在线发表题为“Microstructural Welding Engineering of Carbon Nanotube/Polydimethylsiloxane Nanocomposites with Improved Interfacial Thermal Transport”的论文。该论文通过结合分子动力学模拟和实验探究了微观焊接结构对复合材料热导率的影响机理。微电子器件的高度集成和小型化迫切需要先进的热界面材料来有效解决器件运行中产生的热量管理问题。由高导热性纳米填料增强的聚合物纳米复合材料具有优异的机械适应性、突出的加工性能和柔韧性，因而在新一代电子器件热管理领域显示出广阔的前景。然而，在低负载情况下复合材料难以同时实现柔性和高导热率，其主要原因为纳米填料间的界面热阻严重降低了纳米复合材料导热率。本研究提出了微结构焊接策略，通过实验和理论模拟研究采用微结构焊接的复合材料内部微观界面的热传输行为，证明该策略可以显著提升纳米复合材料的热导率。微结构焊接策略的实现过程如下，以碳纳米管（CNT）网络作为导热填料，通过碳源浸渍和热退火策略即可实现不同石墨结构（GS）焊接CNT网络（GS-w-CNT）的构建。将焊接网络结构与聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合即可制备柔性纳米复合材料，在此基础上通过系统研究GS与CNT界面焊接对纳米复合材料热导率的影响，进一步优化了纳米复合材料的热导率。通过分子动力学模拟，对界面焊接的GS与CNT网络结构之间的界面热阻，界面结合能以及声子耦合进行了探究。

全文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202311906

基于各向异性结构气凝胶的高效太阳能光热水蒸发器件

2024年4月，Carbon在线发表题为“Ultralight Anisotropic Ti₃C₂T_x MXene/Carbon Nanotube Hybrid Aerogel for Highly Efficient Solar Steam Generation”的论文。该论文设计并制备出一种具有垂直排列通道和高孔隙率的各向异性Ti₃C₂T_x MXene/CNT杂化气凝胶，实现了光热转换，热量传输和水传输的协同提升，因此实现了其在高效太阳能光热水蒸发器件上的应用。太阳能光热水蒸发（SSG）被认为是一种极具前景的从海水中制备淡水的方法。碳纳米管（CNT）由于具有良好的光吸收率和优异的化学稳定性，已被广泛应用于SSG。然而，如何实现同时具有高水蒸发速率和高能源转换效率的太阳能光热水蒸发仍然具有挑战性。本研究将CNT与具有优异光热转换效率的Ti₃C₂T_x MXene相结合，通过定向冷冻干燥技术制备出应用于高效太阳能水蒸发的超轻各向异性Ti₃C₂T_x MXene/CNT杂化气凝胶。所制备的气凝胶具有优化的垂直排列孔隙结构，在200–2500nm波长范围内具有高达95.68%的光吸收能力，在一个太阳光照射下（1 kW m^-2）水蒸发速率高达2.10 kg m^-2 h^-1，能量效率高达93.4%，并且具有优异的稳定性。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118976

基于桥接结构的多功能热管理薄膜

2024年5月，Small在线发表题为“Multifunctional Liquid Metal-Bridged Graphite Nanoplatelets/Aramid Nanofiber Film for Thermal Management”的论文。该论文设计并制备出一种液态金属桥接的石墨纳米片和芳纶纳米纤维的复合多功能薄膜，并实现其在多功能热管理领域的应用。现代微电子器件的小型化和高度集成化推动了多功能热管理材料的发展。传统的聚合物纳米复合材料作为导热材料在高效热管理领域得到了广泛的应用，然而仍然存在导热路径受限、耐火性低、功能单一等问题。本研究通过真空抽滤和机械压缩策略构建了基于液态金属（LM）桥接石墨纳米片（GNPs）和芳纶纳米纤维（ANFs）微纳结构的多功能薄膜。在制备过程中，机械压缩可有效破坏LM的氧化壳，促进了LM液滴之间的接触，从而形成连续的导热和导电通路。同时，LM的桥接构建了双向通道，增强了相邻GNPs之间声子和电子的传输。因而，复合薄膜具有优异的双向导热性能（面内：29.5 W m⁻¹ K⁻¹，通面：5.3 W m⁻¹ K⁻¹)，固有的耐火性（4000 J g⁻¹），优越的焦耳加热性能（3.5V供电下温度可升至200°C）和电磁干扰屏蔽性能（EMI SE = 62dB）。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202305163

主要作者简介

郑庆彬，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，博士生导师，校长青年学者，德国洪堡学者，香港科技大学机械工程学博士。郑教授曾任德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所“洪堡学者”，香港科技大学机械及航空航天学系研究助理教授及香港科技大学高等研究院“青年学人”，主持国家人才项目、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市自然科学基金、香港研究资助局优配研究金、德国洪堡基金等项目，获得香港中文大学（深圳）理工学院卓越科研奖、斯坦福大学前2%科学家、Research.com全球顶尖材料科学家等荣誉。郑教授长期从事纳米碳材料与集成器件的先进制造加工及其在机械、电子、航空航天、医学等领域的应用，如多功能复合材料、柔性显示、柔性传感和柔性电磁屏蔽等，取得了一系列重要研究成果，已在Progress in Materials Science、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Angewandte Chemie International Edition、Carbon等本领域顶级期刊发表文章90余篇，论文总计被引用11,000余次，H-index为52。

刘丹，2017年获北京大学化学与分子工程学院博士学位，2021年2月加入香港中文大学（深圳）郑庆彬教授团队任博士后，2023年11月起任助理研究员，主要研究方向为柔性机械传感器、可拉伸导体、多功能柔性传感器。

孙雨铉，2019年毕业于中南大学，获学士学位，他目前是香港中文大学（深圳）郑庆彬教授团队材料科学与工程专业的博土研究生，主要研究方向为碳基导热复合材料制备及其综合应用。

薛洁，2018年毕业于北京科技大学，获学士学位，她目前是香港中文大学（深圳）郑庆彬教授团队材料科学与工程专业的博士研究生，主要研究方向为薄膜的可控制备及其在透明导电薄膜和多功能电子领域的应用。

供稿 | 郑庆彬教授团队

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