北京大学邹如强教授团队：气凝胶限域 + 垂直 rGO 通道！相变复合材料 300 次循环储热 retention 98%，无泄漏

背景介绍

在高功率电子设备、新能源系统等领域，相变材料（PCMs）面临三大瓶颈：热整流比低，难以定向传热；易泄漏、循环衰减，稳定性差；导热效率低，响应速度慢。开发生态兼具高热整流比、稳定储热及高效导热的复合材料，是突破热管理技术的关键。

研究成果

近日，北京大学 邹如强教授、Zhenghui Shen 团队提出 “生物启发型气凝胶限域 + 结构各向异性” 设计策略，成功开发出石墨烯基相变复合材料（GOX@PW、v-rGOX@PW），实现了热整流与储热性能的协同优化。该材料以石蜡（PW）为相变核心，生物启发型气凝胶为限域骨架：GOX 气凝胶为各向同性多孔网络，v-rGOX 气凝胶为垂直取向还原氧化石墨烯通道，经黄原胶（XG） fibril 强化后，兼具结构稳定性与定向导热能力。这种双体系设计使材料具备卓越综合性能：热整流方面，GOX@PW/v-rGOX@PW 双层器件在 13℃温差下热整流比达 2.4-2.6，实现 “单向导热” 二极管效应；导热性能方面，v-rGOX@PW 的面内热导率达 1.65 W/(m・K)，是纯 PW 的 8 倍；储热性能方面，相变焓值 166-171 kJ/kg，300 次循环后储热 retention 率 96-98%，无泄漏现象；实际应用中，作为 CPU/GPU 热界面材料，可使峰值温度降低 13℃，冷却效果显著优于商用材料。该材料制备工艺可规模化，为电子设备冷却、定向热管理等场景提供了高效解决方案，相关研究成果以 “Bioinspired aerogel-confined phase change materials for high-performance thermal rectification and device cooling” 为题，发表于《Energy Storage Materials》。

图文摘要

图1. 复合材料的制备流程与结构设计。(a) 为各向同性 GOX 气凝胶制备路线（路线 A）：GO 与 XG 混合后经 80℃水热凝胶化、冷冻干燥，形成随机多孔网络。(b) 为垂直取向 v-rGOX 气凝胶制备路线（路线 B）：rGO 与 XG 混合后经定向冷冻、冷冻干燥，形成垂直层状通道结构。(c) 为复合材料与双层器件组装流程：气凝胶经真空浸渍 PW 形成 GOX@PW、v-rGOX@PW 复合材料，进一步组装为不对称双层器件（v-rGOX/GOX@PW），实现热整流功能。

图2. 气凝胶与复合材料的微观结构表征。(a-b) 为 v-rGOX 气凝胶的横截面 SEM 图像：呈现高度有序的垂直层状通道，为定向导热提供路径（比例尺：200 μm/100 μm）。(c-d) 为 v-rGOX 气凝胶的顶面 SEM 图像：多孔互联结构，利于 PW 充分浸渍（比例尺：100 μm/30 μm）。(e) 为 GOX 气凝胶的横截面 SEM 图像：随机多孔网络，结构均匀（比例尺：100 μm）。(f-h) 为 GOX 气凝胶的 SEM-EDS 元素 mapping：C、O 元素均匀分布，证实 GO 与 XG 混合均匀（比例尺：50 μm/30 μm）。(i) 为 v-rGOX@PW 复合材料的 SEM 图像：PW 完全填充垂直通道，界面结合紧密（比例尺：30 μm）。(j-k) 为气凝胶宏观照片：超轻特性可置于狐尾草绒毛上（比例尺：1 cm）。(l-n) 为 v-rGOX 气凝胶的生物启发结构：模仿黄蜂巢的层状堆叠，提升结构稳定性与导热定向性（比例尺：100 μm）。

图3. 结构、化学兼容性与热性能分析。(a) 为 FTIR 光谱：GO 的 C=O 伸缩峰（1720 cm⁻¹）在还原后减弱，XG 的 C-O-C 伸缩峰（1150 cm⁻¹）保留，PW 的 CH₂/CH₃伸缩峰（2850-2950 cm⁻¹）无偏移，证实化学兼容性良好。(b) 为 Raman 光谱：GO 的 D/G 峰强度比在还原后升高，v-rGOX@PW 的 G 峰更尖锐，表明石墨化程度提升，利于 phonon 传输。(c) 为 XRD 图谱：GO 的 (001) 峰（10°）在还原后消失，出现 rGO 的 (002) 峰（24°），PW 的特征峰（21.3°、23.7°）保留，证实晶体结构稳定。(d) 为 DSC 曲线：GOX@PW 与 v-rGOX@PW 的相变峰对称，熔融温度约 55-60℃，结晶温度略低，相变焓值接近纯 PW。(e) 为 TGA 曲线：纯 PW 在 300℃完全分解，复合材料降解更缓慢，热稳定性提升。(f-g) 为热导率与增强效率：v-rGOX@PW 热导率 1.65 W/(m・K)，增强 725%；GOX@PW 热导率 0.65 W/(m・K)，增强 225%。(h) 为热传输示意图：GOX@PW 为各向同性散热，v-rGOX@PW 为垂直定向导热。(i) 为热导率模拟结果：与实验数据一致，v-rGOX@PW 呈现明显定向导热特征。

图4. 散热、防泄漏与热整流性能测试。(a-c) 为红外热成像与温度曲线：加热 250 s 后，v-rGOX@PW 温度达 67.5℃，散热速率最快；纯 PW 温度 49℃，且出现泄漏（比例尺：示意图展示测试装置与温度分布）。(d) 为 80℃泄漏测试：纯 PW 完全泄漏，GOX@PW 部分泄漏，v-rGOX@PW 无泄漏，质量损失可忽略。(e-f) 为模型房屋顶热管理示意图：夏季 v-rGOX@PW 层朝向热源，快速散热；冬季反向放置，减少热量流失。(g-h) 为模型房红外热成像：v-rGOX@PW 覆盖后表面温度更低，散热效率更优（比例尺：示意图展示温度分布）。(i-j) 为户外模型房实物图：经 120 分钟太阳照射，v-rGOX@PW 覆盖组更凉爽（比例尺：10 cm）。(k-l) 为户外模型房红外热成像：v-rGOX@PW 组表面温度显著低于 GOX@PW 组（比例尺：10 cm）。(m) 为热整流曲线：正向偏压下热通量（Q⁺）显著高于反向偏压（Q⁻），体现单向导热特性。(n-o) 为 POM 图像：纯 PW 形成球状晶簇，v-rGOX@PW 中 PW 结晶更细小均匀，受限域效应调控（比例尺：30 μm）。

图5. 热整流机制与性能基准。(a) 为热整流机制示意图：正向偏压时，v-rGOX 层面向热源，固体 – 固体传导主导，热阻低；反向偏压时，PW 熔融形成液层，Kapitza 热阻增大，抑制热传输。(b) 为性能基准对比：该复合材料的热整流比（2.4-2.6）优于多数已报道 PCM 基热二极管。(c) 为热整流测试装置示意图：封闭环境中通过加热器与热电偶精准控制温度梯度（比例尺：示意图展示装置结构）。(d) 为热通量 – 温差曲线：正向热通量随温差增大呈线性上升，反向热通量增长缓慢，整流效应显著。

图6. 电子设备冷却应用测试。(a) 为 CPU 散热测试装置示意图：复合材料作为热界面材料（TIM）夹在 CPU 与铜散热器之间，压力控制为 0.25 MPa（比例尺：示意图展示装置结构）。(b) 为 CPU 温度变化曲线：裸 CPU 峰值温度 97.8℃，GOX@PW 组降至 64.5℃，v-rGOX@PW 组降至 51.5℃，降温 46.3℃。(c) 为 200 次循环稳定性测试：v-rGOX@PW 组峰值温度无明显波动，稳定性优异。(d) 为 GPU 冷却示意图：模仿蜘蛛网结构的气凝胶复合材料，实现不对称热传导（比例尺：示意图展示结构）。(e-f) 为 GPU 红外热成像：正向偏压下温度快速下降，反向偏压下温度上升缓慢，整流效果明显（比例尺：示意图展示温度分布）。(g) 为 GPU 温度变化曲线：正向偏压时冷却效率显著高于反向偏压，体现定向热管理能力。

来源：Energy Storage Materials ( IF:20.2 )

链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.104961