瞿金平院士华中科技大学团队 CEJ：一种集形状记忆、自修复、电磁屏蔽和多源驱动热管理功能于一身的新型复合相变材料

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由于通讯技术，电子设备的快速发展和数字系统的频繁使用，电子设备产生的电磁辐射和温度控制问题已经引起了广泛的社会关注。长期暴露于高频电磁辐射不仅会对电子设备的精度造成影响，还会对相关操作人员的身体健康造成不可逆的伤害。此外，高频辐射带来的热量集中也会对生命财产安全造成致命的威胁。将相变材料（PCM）独特的显热吸收和潜热释放特性与电磁屏蔽材料相结合并用于多源热管理和电磁屏蔽保护被认为是解决上述问题的可行性方案之一。迄今为止，研究者们在制备高效的电磁屏蔽材料方面已做出了巨大努力，包括利用磁滞损耗，介电损耗，电阻损耗等方法制备导电聚合物、金属反射体以及吸波压片等在内的多功能复合屏蔽材料。然而，电磁波被削弱的能量会以热量的形式集中释放，传统刚性屏蔽材料无法适应极端的温度变化以及多样化的应用需求。这对于趋于精细化的电子产业和通讯技术的发展极其不利。因此，迫切需要开发低成本、柔韧性好以及易于规模化的方法来制备具有温度管控功能的柔性电磁屏蔽材料，但这样的工作仍鲜见报道。

近日，华中科技大学瞿金平院士/卢翔副教授团队首次报告了一种结合电磁屏蔽与多源驱动相变热管理的多功能稳定形状相变材料 (SSPCMs)，用于有效的电磁辐射防护和温度控制（图1）。其中利用喷涂法引入MXene纳米片使SSPCMs的表面形成了层层堆叠结构的功能层，多层结构有利于通过多重内部反射和吸收来充分损耗电磁波的能量，同时，该结构还有助于材料导电网络的搭建以及对太阳光的高效吸收（图2）。其次，复合相变材料具有惊人的热致柔性，在高温下能实现优异的形状记忆（图3）及自修复功能（图4）。此外，MXene功能层厚度的增加也可以提高电磁屏蔽效能和电/光热转换效率。其中在8.2-12.4 GHz辐射下的SET高达54.1 dB（图5）, 外加3.0V电压的升温速率与降温速率分别为+0.82 ℃/s和-0.23 ℃/s，~90s内就能升至~100 ℃（图6），同时在1 kW m^-2模拟光照下的能在~60s内升温至~80 ℃，相变平台期长达350s（图7）。该工作有望在缓解电磁辐射及其伴生的温度失控领域，以及多源驱动热管理领域提供新的手段。

图1 (a)低成本，可规模化连续制备SSPCM方案; (b)SSPCMs的电磁屏蔽及导电机制。

图2 (a-b) SSPCMs表面上不同厚度的MXene层; (c-d) SSPCMs横截面的SEM与EDS图像; (e-f) SSPCMs表面的SEM与EDS图像。

 图3 (a, b)扭曲和拉伸定型条件下HDIT@PEG matrix (HPM)依靠相变过程进行的热致形状记忆行为。

图4 (a)复合相变材料 HPM的自修复机制示意图; (b)光学显微镜下HPM的系修复过程。

 图5 (a-c)不同MXene厚度下的SSPCMs的总体屏蔽效能(SET)、反射损耗(SER)以及吸收损耗(SEA); (d)不同MXene厚度下的SSPCMs的屏蔽系数R值; (e)SSPCMs的最大SET值与最小SET值; (f)SSPCMs的SET与SET/t值对比; (g-i) 不同MXene厚度下的SSPCMs的SET, SER和SEA平均值; (j)电磁屏蔽机理示意图。

图6 (a)不同电压下SSPCM-4的温度-时间曲线; (b)外加电压(3.0V)下的SSPCM-4升-降温曲线; (c)不同循环次数下的SSPCM-4的电热曲线; (d)渐变电压下SSPCM-4的温度-时间曲线; (e)SSPCM-4在不同外部电压下的加热和冷却循环;(f)外接电压点亮小灯泡与电热转化过程的数码照片。

 图7 (a)SSPCMs的光热转化机制示意图; (b)不同MXene厚度的SSPCMs的光热转化曲线; (c)SSPCM-4的15次光热循环曲线; (d-g)不同循环次数的SSPCM-4的温度-时间曲线。

相关工作以“A novel covalent polymerized phase change composite with integrated shape memory, self-healing, electromagnetic shielding and multi-drive thermal management functions”发表在Chemical Engineering Journal （中科院1区，影响因子16.744）。论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院2022级博士研究生方宇，论文共同通讯作者为吴浩博士后和卢翔副教授，论文作者还包括硕士研究生李卓霖，博士研究生李小龙、盛梦杰和瞿金平院士。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发项目以及华中科技大学人才引进启动基金的资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723003315

团队简介：

华中科技大学瞿金平院士团队自2019年组建至今，主要围绕多相多组分体系传递与反应过程强化、生态难消纳物质绿色化替代与再利用、功能材料绿色高效制造与产业化应用开展相关研究工作。团队与国内外众多高校、研究机构和企业保持密切合作，目前在研纵向和横向项目多项，拥有一批先进的高分子材料合成、加工和测试表征仪器设备，具备完善的研究设施和科研条件。团队常年招收硕士研究生、博士研究生、科研助理、机械工程师和博士后（团队联系人：卢翔老师；联系邮箱：[e-mail]）

作者简介：

卢翔，华中科技大学化学与化工学院副教授、博士生导师，主要研究领域为高分子材料的功能化改性及成型加工新方法、新理论。目前已以第一或通讯作者在Advanced Functional Materials, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interface, Composites Science and Technology, Composites Part A, Composites Part B等具有重要影响力的国际刊物上发表SCI论文70余篇，主持承担国家自然科学基金、国家重点研发计划课题等项目多项。

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