一、研究背景

隨著電信系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備的快速發(fā)展，電子元器件和設(shè)備朝著小型化、集成化方向邁進(jìn)，同時(shí)人工智能等大功率應(yīng)用對(duì)電子設(shè)備的計(jì)算能力提出了更高要求。然而，這種先進(jìn)的緊湊封裝設(shè)計(jì)需要高效的熱管理系統(tǒng)，輕量化、可塑形且可持續(xù)的隔熱材料成為迫切需求。

電子設(shè)備在運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱量積聚，若不及時(shí)處理，可能導(dǎo)致設(shè)備過熱、短路甚至爆炸等問題。一般來說，電子元器件在70℃-80℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，其可靠性就會(huì)下降5%。目前，熱管、相變材料以及銅、銀等高導(dǎo)熱材料已被用于熱量的擴(kuò)散和消散，但許多材料在z方向上的熱阻不足，導(dǎo)致元器件表面發(fā)熱并形成熱點(diǎn)，仍存在較大的安全隱患。

氣凝膠作為一種超輕質(zhì)多孔固體材料，具有極低的熱導(dǎo)率，是理想的隔熱材料候選者。氣凝膠既可以由二氧化硅、氮化硼、聚酰亞胺等合成材料制備，也可以由生物聚合物制成具有納米級(jí)空隙結(jié)構(gòu)的可持續(xù)結(jié)構(gòu)。纖維素作為一種儲(chǔ)量豐富的生物聚合物，具有天然豐度高、可回收等優(yōu)點(diǎn)，由其制備的納米纖維素（CNF）氣凝膠在隔熱領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。

但納米纖維素氣凝膠存在諸多缺陷，如耐熱性不足、機(jī)械耐久性差、加工性能不佳等，其固有的親水性使其對(duì)水分敏感，易發(fā)生吸濕變形，導(dǎo)致強(qiáng)度和耐久性下降，且熱穩(wěn)定性低、易燃性高，這些都限制了其作為隔熱材料的應(yīng)用。

芳綸納米纖維（ANF）源自聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維（PPTA，商品名Kevlar），具有共軛分子結(jié)構(gòu)，憑借強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成高結(jié)晶度和剛性鏈結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)異的阻燃性、機(jī)械強(qiáng)度、耐化學(xué)性和熱穩(wěn)定性，在鋰電池隔膜、柔性印刷電路板、絕緣體等多種功能材料中已有應(yīng)用。將ANF作為納米填料引入CNF氣凝膠中，有望改善其性能缺陷，同時(shí)ANF形成的高粘度水凝膠可調(diào)配出水性雙組分穩(wěn)定分散體，滿足3D打印所需的流變特性，為制備復(fù)雜形狀的氣凝膠提供可能。

此前尚未有研究探索3D打印納米纖維素基氣凝膠在電子設(shè)備中的應(yīng)用，因此本研究旨在通過CNF與ANF的協(xié)同復(fù)合，結(jié)合3D打印技術(shù)，制備高性能的復(fù)合氣凝膠，以解決現(xiàn)有CNF氣凝膠的不足，滿足便攜式電子設(shè)備的熱管理需求。

二、研究內(nèi)容

（一）材料制備

1. 芳綸納米纖維（ANF）的制備：采用文獻(xiàn)方法制備芳綸納米纖維分散液（ANF/DMSO）。將2.0g Kevlar、2.0g氫氧化鉀（KOH）和98.0g二甲基亞砜（DMSO）加入瓶中，機(jī)械攪拌三天得到暗紅色粘稠溶液，隨后加入100mL去離子水作為質(zhì)子供體，繼續(xù)機(jī)械攪拌1小時(shí)，最后通過膜過濾器（DVPP，孔徑：0.65μm）過濾得到ANF，并使用去離子水徹底洗滌去除殘留的KOH和DMSO。（注意：DMSO/KOH廢液具有腐蝕性和潛在毒性，需妥善處理）

2. 纖維素納米纖維（CNF）的制備：將95%的干燥樺木牛皮紙漿、0.016g 2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）、0.1g溴化鈉（NaBr）和5mmol次氯酸鈉溶液（NaClO）與500mL去離子水混合，然后逐滴加入氫氧化鈉溶液（0.1M），維持pH值為10.0并反應(yīng)5小時(shí)。之后用去離子水洗滌氧化紙漿得到中性分散液，將紙漿通過微流化器（M-110EH-30，美國）在1000bar壓力下處理三次（內(nèi)腔尺寸400和200μm），再在1300bar壓力下處理兩次（內(nèi)腔尺寸400和100μm），得到TEMPO氧化的CNF水凝膠。

3. CNF/ANF（C/A）氣凝膠的制備：將1wt%的CNF水溶液和2wt%的ANF分散液按質(zhì)量比9:1、7:3和5:5混合，在室溫下以10000rpm均質(zhì)化5分鐘，然后加入干凈的聚四氟乙烯模具中，置于液氮中冷凍30分鐘，隨后將含有冷凍C/A混合物的模具快速轉(zhuǎn)移至冷凍干燥機(jī)（Scanvac Coolsafe 55-15 Pro；丹麥）中冷凍干燥三天，得到C/A氣凝膠，根據(jù)ANF含量分別命名為C/A10%、C/A30%和C/A50%。同時(shí)，直接由CNF和ANF制備參考?xì)饽z（分別稱為CNF和ANF）。

4. C/A氣凝膠的3D打印：使用商用3D打印機(jī)（Brinter? one，芬蘭）沉積系統(tǒng)，通過G代碼指令控制三軸臺(tái)式三級(jí)電機(jī)。利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)3D模型，內(nèi)置切片軟件將STL文件轉(zhuǎn)換為G代碼文件，以控制打印機(jī)噴嘴的3D運(yùn)動(dòng)。將1wt% CNF和2wt% ANF分散液（1:1）在室溫下混合均質(zhì)化，將水性C/A分散液裝入點(diǎn)膠閥，在500-600mbar的恒定擠出壓力下打印到塑料培養(yǎng)皿上。打印機(jī)噴嘴（內(nèi)徑：0.5mm）在X軸和Y軸上的運(yùn)動(dòng)速度控制在5-10mm/s以擠出C/A墨水，擠出后由于溶脹，細(xì)絲膨脹至約600μm。打印完成后，將3D打印物體在液氮中冷凍30分鐘，最后冷凍干燥得到具有定制結(jié)構(gòu)的3D C/A氣凝膠。

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

（二）材料表征

1. 形貌分析：采用掃描電子顯微鏡（SEM，Zeiss Sigma FESEM，德國）在5-10kV的加速電壓下觀察氣凝膠和納米纖維的形貌。

2. 機(jī)械性能測試：使用萬能試驗(yàn)機(jī)（Zwick/Roell，德國）在壓縮模式下，以10mm/min的加載速率測量氣凝膠的機(jī)械性能。測試在23℃和50%相對(duì)濕度（RH）條件下進(jìn)行，樣品在測試前至少在該條件下放置48小時(shí)。

3. XRD分析：使用Rigaku Smart Lab衍射系統(tǒng)（日本）在5°-60°的散射角（2θ）下記錄XRD圖譜。

4. 熱性能分析：使用熱重分析儀（SDT 650，TA儀器，美國）在氮?dú)鈿夥罩?，?0K/min的升溫速率測定氣凝膠的熱行為。

5. 紅外成像：使用紅外相機(jī)（Optris PI 640，德國）進(jìn)行紅外成像。

6. FT-IR光譜分析：使用ThermoFisher Nicolet iS 50光譜儀（美國）記錄FT-IR光譜。

7. 流變性能測試：使用DHR-1流變儀（TA Instruments，美國），采用錐板配置（直徑和間隙分別為40mm和50μm），在25℃下進(jìn)行流變性能測試。進(jìn)行三區(qū)間觸變性測試以研究打印墨水的粘度恢復(fù)行為，該測試在三個(gè)剪切階段測量粘度：i）低剪切階段（剪切速率：0.1s?1），用于檢查打印前墨水的粘度；ii）高剪切階段（10s?1），模擬噴嘴壁內(nèi)施加的應(yīng)力；iii）低剪切階段（0.1s?1），監(jiān)測擠出后的恢復(fù)能力。在0.01至100s?1范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切粘度測量，在0.1-1000Pa范圍內(nèi)以1rad/s的頻率進(jìn)行振蕩應(yīng)力掃描分析。

8. 溫度-時(shí)間曲線采集：使用多通道溫度計(jì)（JK808，中國）采集溫度-時(shí)間曲線。

9. 熱導(dǎo)率測量：使用熱導(dǎo)率分析儀（C-Therm TCi，加拿大），采用改進(jìn)的瞬態(tài)平面熱源技術(shù)測量熱導(dǎo)率。

（三）性能測試與應(yīng)用驗(yàn)證

1. 基本性能測試：對(duì)制備的氣凝膠進(jìn)行密度、孔隙率、收縮率等基本物理性能測試，評(píng)估其形態(tài)穩(wěn)定性和可加工性。

2. 熱絕緣性能測試：通過紅外相機(jī)監(jiān)測氣凝膠在加熱和冷卻過程中的溫度變化，對(duì)比不同ANF含量氣凝膠的熱絕緣效果，并與棉花紡織品和聚苯乙烯泡沫等商用隔熱材料進(jìn)行性能比較。

3. 循環(huán)穩(wěn)定性測試：對(duì)氣凝膠進(jìn)行多次分散-干燥循環(huán)，測試其機(jī)械性能和熱導(dǎo)率的變化，評(píng)估其 recyclability；將氣凝膠在100℃烘箱中存放一周，測試其結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能變化，評(píng)估其高溫長期穩(wěn)定性。

4. 3D打印性能驗(yàn)證：使用C/A水凝膠作為3D打印墨水，打印芬蘭地圖、飛機(jī)、圓環(huán)等多種復(fù)雜3D形狀和圖案，冷凍干燥后觀察其結(jié)構(gòu)完整性和形狀保真度，驗(yàn)證C/A墨水的3D打印可行性。

5. 電子設(shè)備應(yīng)用驗(yàn)證：將3D打印的C/A50%氣凝膠精確適配到商用5G智能手機(jī)（諾基亞8.3 5G）的主板上，在手機(jī)運(yùn)行5G信號(hào)下的游戲（PUBG Mobile）以產(chǎn)生大量熱量，通過紅外相機(jī)記錄主板在有無氣凝膠隔熱情況下的溫度變化，評(píng)估其在便攜式電子設(shè)備中的熱管理能力。

三、研究結(jié)論

1. 成功制備了3D打印的CNF/ANF復(fù)合氣凝膠，ANF作為雙功能納米成分，既增強(qiáng)了CNF基體的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，又促進(jìn)了水性C/A墨水的配制，該墨水具有長期流變穩(wěn)定性和良好的直接墨水書寫（DIW）打印性能，可制備復(fù)雜3D形狀的復(fù)合氣凝膠。

2. 當(dāng)ANF負(fù)載量為50%時(shí)，復(fù)合氣凝膠（C/A50%）表現(xiàn)出優(yōu)異的性能：楊氏模量較純CNF氣凝膠提高了十倍（從16.7kPa提升至176.3kPa）；熱導(dǎo)率極低，達(dá)到0.032W/(m·K)，是已報(bào)道氣凝膠中（基于材料密度）最低的之一；同時(shí)保持了高孔隙率（98.9%-99.2%）和超低密度（12-16mg/cm3），且在高溫下仍能保持幾何完整性。

3. 復(fù)合氣凝膠具有良好的可塑形性，可被彎曲、卷起和折疊，能支撐自身重量1300倍以上的重物而不坍塌或致密化；在50次壓縮-解壓循環(huán)（壓縮應(yīng)變20%）后，高度保持率約為87%，且經(jīng)過多次分散-干燥循環(huán)后，機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率無顯著變化，在100℃下存放一周后結(jié)構(gòu)和性能也保持穩(wěn)定，展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械耐久性、recyclability和高溫穩(wěn)定性。

4. 3D打印技術(shù)解決了傳統(tǒng)模具制造技術(shù)效率低、精度低的問題，能夠制備出復(fù)雜且精確貼合電子設(shè)備內(nèi)部緊湊空間的隔熱材料。將C/A50%氣凝膠應(yīng)用于5G智能手機(jī)主板的熱點(diǎn)區(qū)域隔熱，在手機(jī)高強(qiáng)度運(yùn)行15分鐘后，主板表面溫度從無隔熱時(shí)的約47℃顯著降低至31℃，有效阻止了z方向的溫度升高，且不會(huì)影響設(shè)備的性能和使用壽命，證明了其作為便攜式電子設(shè)備高效隔熱材料的巨大潛力。

5. 該研究提出的制備方法簡單可行，材料具有優(yōu)異的綜合性能，除了用于電子設(shè)備熱管理外，還在高溫氣溶膠過濾器、催化劑載體以及能源和環(huán)境等多個(gè)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的前景，為高性能、可定制幾何形狀氣凝膠的快速原型制造提供了一種可持續(xù)的方法。

四、論文信息

由于小編學(xué)識(shí)所限，文中內(nèi)容難免存在疏漏或不足之處。若您發(fā)現(xiàn)任何錯(cuò)誤或值得商榷的觀點(diǎn)，懇請(qǐng)不吝指正，

小編將第一時(shí)間修正完善。感謝您的包容與支持！

本文內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)公開素材，發(fā)布的目的在于學(xué)術(shù)交流、研討分享，

如相關(guān)內(nèi)容涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們，將第一時(shí)間下架內(nèi)容！

森工科技 AutoBio系列生物3D打印機(jī)

• 1. 科研型定位,滿足科研實(shí)驗(yàn)可視化參數(shù)需求；

• 2. 材料支持范圍廣，兼容多學(xué)科多領(lǐng)域材料；

• 3. 支持自調(diào)配材料，靈活適應(yīng)科研實(shí)驗(yàn)要求；

• 4. 少量材料即可打印測試，高效產(chǎn)出，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本；

• 5. 支持多噴頭多通道多材料多模式打印；

• 6. 支持各種外場輔助功能拓展和定制。