西北工业大学《国家科学评论》发表化学与化工学院顾军渭教授导热/吸波一体化复合材料最新研究成果

近日，化学与化工学院顾军渭教授团队在《国家科学评论》（National Science Review）期刊在线发表题为《一种基于类仙人掌结构功能填料的吸波/热管理一体化复合材料》（Cactus-like architecture for synergistic microwave absorption and thermal management）的研究论文。

随着电子电气设备日趋向结构小型化、模块集成化和功能多元化方向发展，开发兼具高效热管理和宽频吸波性能的复合材料已成为同步解决电子元器件电磁兼容与散热问题的关键。受仙人掌多级刺状表面微结构启发，本研究提出构建一种仿生三维网络结构，通过“方向-解耦”设计实现其导热和吸波的双重功效。以氮化硼纳米片（BNNS）构筑水平取向导热通路，在其层间垂直定向生长钴催化氮掺杂碳纳米管阵列制备仿仙人掌状的异质结构功能填料（(Co@NCNTs)@BNNS），再通过定向组装工艺与固-固相变聚乙二醇（ScPEG）高分子基体复合得到导热/吸波一体化复合材料。结果表明，当(Co@NCNTs)@BNNS的质量分数为30 wt%时，复合材料在2.5 mm的厚度下表现出最佳的吸波性能和导热性能，其最大有效吸收带宽（EAB_max）达到6.72 GHz，面内（λ_∥）和面间（λ_⊥）导热系数分别达到2.55 W/(m·K)和0.94 W/(m·K)，实现了其导热/吸波一体化设计制备。密度泛函理论（DFT）分析证明了Co@NCNTs与BNNS体系的界面键合本质，验证了Co@NCNTs间独特的电子结构对电磁波吸收的优势。本研究可为下一代高集成度电子设备中热-电磁协同管理材料的设计提供了新的思路与策略。

化学与化工学院2023级硕士研究生祁佳敏为本文的第一作者，顾军渭教授和中北大学梁超博副教授为本文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、陕西省创新能力支撑计划项目、重庆市自然科学基金等项目的资助支持。

论文信息：

祈佳敏，梁超博*, 阮坤鹏, 李沐坤, 郭华, 何沐锟，邱华, 郭永强, 顾军渭*. 一种基于类仙人掌结构功能填料的吸波/热管理一体化复合材料.国家科学评论, 2025, 10.1093/nsr/nwaf394.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf394

图文简介：

图1 类仙人掌结构（Co@NCNTs)@BNNS的制备及表征。仙人掌启发示意图（a-b）；(Co@NCNTs)@BNNS制备示意图（c）；XRD谱图（d）；Raman谱图（d）；N和C的XPS精细谱图（f-g）；Co-BNNS的电荷密度图（h）；pCOHP图（i-k）。

图2 ZIF-67、ZIF-67@BNNS及其热解产物的SEM和TEM照片。ZIF-67（a1-a3）及其热解产物（b1-b3）的SEM和TEM照片；ZIF-67@BNNS（c1-c2）及其热解产物（d1-d2）的SEM照片；（c3）Co@NCNTs的HRTEM照片；Co@NCNTs的SAED照片（d3）。

图3 (Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG复合材料的制备流程、化学结构、和微观形貌。复合材料的制备流程图（a）；ScPEG的FT-IR谱图（b）、DSC谱图（c）和XRD谱图（d）；(Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG骨架的SEM照片（e-f）；(Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG复合材料的SEM照片（g）。

图4 (Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG复合材料的ε’和ε”、μ’和μ”、RL和EAB数据。电磁参数（a-c）；|Δ|（d-f）；RL（g-i）。

图5 (Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG复合材料的RCS模拟和电磁波吸收机制示意图。RCS模拟图（a-c）；RCS值（d）；Co@NCNTs的原子模型（e）和电荷密度图（f）；吸波机理图（g）。

图6 (Co@NCNTs)@BNNS/ScPEG复合材料的导热性能、潜热存储能力和实际散热应用效果。复合材料的λ值（a）；与已报道材料λ的比较（b）；与已报道材料λ和EAB_max的比较（c）；红外热成像温度曲线（d）；DSC循环曲线（e-f）；实际散热应用（g-i）。

（文字：祁佳敏；图片：祁佳敏；审核：顾军渭）