蘭州化物所突破電子設備“散熱防波”雙重難題

在5G通信、人工智能與物聯網技術飛速發展的當下，電子設備正加速向微型化、高集成化、高頻化邁進。然而，這一進程帶來了兩大棘手問題：設備內部熱量積聚引發性能衰減，電磁波干擾造成信號不穩定。特別是在智能手機、可穿戴設備及航空航天電子等緊湊封裝場景中，傳統散熱與電磁波防護方案因空間占用大、材料協同差，難以滿足需求。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所于元烈研究員團隊成功研發出兼具高效熱管理與電磁波防護功能的新型復合材料，實現“一材雙能”的突破，相關論文發表于《先進陶瓷》。

現代電子設備性能提升高度依賴芯片集成度，可單位面積內晶體管數量劇增，導致功耗密度呈指數級上升。以智能手機為例，處理器峰值功率超10瓦，內部散熱空間卻不足1立方厘米，熱量若不能及時導出，芯片就會降頻甚至燒毀。

同時，5G通信、Wi-Fi 6等高頻信號廣泛應用，設備內部電磁環境愈發復雜，電磁波干擾不僅會導致數據傳輸錯誤，還可能危及醫療設備、航空電子等關鍵系統安全。傳統方案采用獨立散熱片與金屬屏蔽層組合，在緊湊封裝環境下，二者常因空間沖突難以協同，且金屬材料高密度特性限制了設備輕量化設計。

研究團隊將突破點放在六方氮化硼（h-BN）這種層狀材料上。它結構與石墨相似，導熱性能優異、電絕緣性好，化學穩定性強、耐高溫氧化，是理想的散熱基材。但h-BN低介電常數和寬禁帶結構使其對電磁波近乎“透明”，無法直接用于吸收或屏蔽。為攻克這一難題，團隊采取三大創新策略。

其一，利用金屬有機框架材料ZIF-67衍生的鈷納米顆粒作催化劑，在BNF表面誘導生長碳納米管（CNTs），構建“管-片”橋連結構。CNTs導電特性優化了阻抗匹配，使入射電磁波在復合材料內部多次反射衰減；橋連結構則降低h-BN與聚合物基體間界面熱阻，復合材料熱導率較純PDMS提升近4倍，適用于5G基站等高頻高熱場景。

其二，開發了多尺度分級結構復合材料。通過高溫自催化工藝，在碳纖維表面生長仿球菊狀氮化硼微米球，引入磁性鈷納米顆粒形成PC-BNS/CF@Co復合體系。該材料極低填充量下實現寬頻電磁波吸收，制備復合薄膜的屏蔽性能可達-55dB，還具備優異光熱轉換能力。

其三，針對h-BN傳統化學改性工藝復雜、對環境負荷大的問題，提出機械力誘導活化策略。利用液態金屬特性，通過機械研磨工藝在BNF表面引入豐富界面極化中心和缺陷位點。優化后的復合材料可制成柔性薄膜，展現出優異的熱管理及良好的阻燃性能，確保了材料在極端環境下運行的可靠性。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221208