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背景介绍
电子信息技术和人工智能的快速发展增加了对集成、大规模和高性能计算和存储设备的散热需求，大型数据中心散热冷却方式开始由风冷向液冷进行转变。然而，导热材料作为热管理系统的重要组成部分，在液体环境中的稳定性不佳且无法自发形成防隔水环境。因此，环境的转变对导热材料的性能提出了更高的要求：1）高导热性来提高传热效率；2） 低模量填充发热装置之间的微小间隙，降低界面热阻；3）防水绝缘性能确保材料及设备在水下环境的正常运行。通过聚合物分子设计，构建防水、低模量特性，并与导热填料相结合为实现聚合物基导热复合材料的水下应用提供了可能性。
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成果掠影
近日，天津大学封伟教授团队提出了一种贻贝启发的防水聚合物基导热复合材料。通过聚合物设计，将防水链段聚二甲基硅氧烷和富含多重相互作用的分子3-甲基丙烯酰多巴胺有机结合，通过机械研磨与液态金属均匀复合，获得了高导热、低模量、快速室温自修复且具有防隔水性能的聚合物基导热复合材料。所获得的PDMS-DMA/EGaIn复合材料具有多种特性，包括低模量(75.8 kPa)、高导热系数(6.9 W m-1 K-1)和快速的室温自修复能力，即使在水下也能在20分钟内完全修复。基于其电绝缘和耐水性，PDMS-DMA/EGaIn成为空气和水下热管理中高效稳定传热的有希望的候选者。因此，这种防水聚合物基复合材料在未来浸入式液体冷却系统的热保护层应用中具有重要意义。研究成果以“Mussel-Inspired Polymer-Based Composites for Efficient Thermal Management in Dry and Underwater Environments”为题发表在《ACS Nano》。天津大学材料学院博士生张恒为第一作者，封伟教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委重点项目的支持。
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图文导读
聚合物富含多种可逆相互作用，如氢键、金属配位等。贻贝启发的邻苯二酚基团可以与液态金属表面形成金属配位相互作用。在研磨复合过程中，聚合物与液态金属表面的相互作用减小了液态金属液滴尺寸，提高填料分散性，促使填料均匀分布且密集排列（图1）。
图1.PDMS-DMA/EGaIn复合材料的制备。
（a）水下条件下防水导热材料工作原理概述。（b）PDMS-DMA的化学结构。（c）PDMS-DMA/EGaIn复合材料的制备示意图。（d-e）PDMS-DMA/EGaIn复合材料中多种交联作用的示意图。（f）PDMS-DMA/EGaIn复合材料的扫描电镜（SEM）图像。（g-h）PDMS-DMA/EGaIn复合材料的能谱元素（EDS）图。
邻苯二酚和EGaIn之间的金属配位作用以及丰富的氢键，为PDMS-DMA/EGaIn复合材料赋予了优异的延展性和优异的自愈能力（图2）。复合材料具有极低的模量（75.8 kPa），并且可在室温下实现快速自修复，10分钟可实现100%的自修复效率，水下环境下20分钟可实现80%的自修复效率。复合材料的水下自修复能力为在水下环境的使用提供了密封和稳定性。
图2.PDMS-DMA/EGaIn复合材料的力学性能。
（a）PDMS-DMA/EGaIn复合材料超高拉伸性的机制。（b）不同EGaIn体积分数的PDMS-DMA/EGaIn的应力-应变曲线。（c）PDMS-DMA/EGaIn在室温下不同自修复时间的应力-应变曲线。（d）PDMS-DMA/EGaIn在不同自修复持续时间下的自修复效率。（e）PDMS-DMA/EGaIn自修复过程的示意图。（f）显示PDMS-DMA/EGaIn自修复前后的照片。（g）PDMS-DMA/EGaIn水下自修复过程的照片。（h）不同自修复时间下，原始和修复的PDMS-DMA/EGaIn在水下的拉伸应力-应变曲线。
聚合物与液态金属表面的相互作用促使液态金属分散为小颗粒且分布均匀，同时液态金属被聚合物包封。因此复合材料具有优异的绝缘性能和导热性能（图3）。复合材料的导热率最大可达6.9 W m-1 K-1，电阻可达1.67×1012 Ω cm，满足了导热材料在电子设备中的应用需求。
得益于PDMS的疏水性和复合材料中可逆相互作用赋予的自修复性，复合材料PDMS-DMA/EGaIn表现出优异的防水性，使其在防止短路和与水接触时损坏电子元件方面非常有效，同时，有助于电子元件和水之间的有效热交换，降低电子设备的工作温度（图5）。作为浸没液体冷却应用中电子设备的防水和传热保护层，复合材料在水下也具有良好的冷热冲击的稳定性，为电子设备提供水下防水性能和高效、稳定的散热性能。
