北大团队新成果：只加20%填料，导热飙升8倍！让穿戴设备冷静下来
来源 | Wearable Electronics
链接 | https://doi.org/10.1016/j.wees.2025.10.002
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背景
可穿戴电子向高集成、高功率、微型化发展，热量累积严重影响器件性能、使用寿命与使用安全。常用弹性体（PDMS）导热系数仅0.1~0.5 W/m·K，无法满足高效散热需求。传统导热填料复合需高填充量才能提升导热性，会大幅降低材料拉伸性能，不满足可穿戴柔性要求。氮化硼（BN）面内导热系数达600 W/m·K，但在弹性体中难以实现垂直定向，热渗透阈值偏高虽可提升导热性，但高填料含量会严重损害材料的机械柔韧性。
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成果掠影
近日，北京大学郑雨晴团队研发出链状定向氮化硼 / 聚二甲基硅氧烷（CLA-BN/PDMS）可拉伸导热复合材料，突破了传统导热材料“高导热=低柔韧性”的瓶颈。通过长时间磁场诱导使磁性功能化氮化硼（mf-BN）在弹性体中形成垂直链状定向结构，仅添加20 wt%填料就实现1.57 W/m·K的面外导热系数（较纯 PDMS 提升超 800%），同时保持134%的断裂伸长率；该材料可作为热界面材料降低 LED 工作温升约37%，还能将可穿戴温度传感器响应时间缩短54%，该材料在LED散热、可穿戴温度传感器等场景中展现出优异性能，为下一代可穿戴电子设备的热管理提供了实用材料方案。研究成果以“Chain-like aligned boron nitride embedded in elastomer for thermal management in wearable electronics” 为题，发表于《Wearable Electronics》期刊。
03
图文导读
图1、（a）磁性官能化BN（mf-BN）制备的示意图。（b）链状排列的BN/PDMS（CLA-BN/PDMS）复合材料的制造工艺示意图。图2、（a）BN、s-BN、Fe₃O₄NP和mf-BN的Zeta电位。（b）BN、s-BN和mf-BN的FTIR光谱。（c）s-BN和mf-BaN的XPS光谱。（d）Fe₃O₄NP、BN和mf BN的XRD图谱。（e）SEM图像和（f）mf-BN显示硼（b，红色）、氮（N，蓝色）、氧（O，绿色）和铁（Fe，紫色）的相应元素图谱。（g）横截面SEM图像和（h）mf-BN侧面的放大图。（i）mf-BN在水分散体中的磁分离行为。图3、（a） 不同BN/Fe₃O₄质量比的CLA-BN/PDMS复合材料的平面TC。（b）经过不同磁场处理时间的定向BN/PDMS复合材料的平面TC和（c）XRD图。分别用磁场处理（d）0小时、（e）2小时和（f）24小时的BN/PDMS复合材料的横截面SEM图像。红色箭头表示基质中mf-BN填料的方向（比例尺=10μm）。（g）CLA-BN/PDMS复合材料中热传导途径的示意图。（h）与部分对齐的BN/PDMS、随机BN/PDMS和原始BN/PDMS复合材料相比，CLA-BN/PDMS复合材料的平面TC和EMT模型拟合结果。（i）CLA-BN/PDMS复合材料和纯PDMS的应力-应变曲线。（j）CLA-BN/PDMS复合材料在0%应变、100%拉伸应变和弯曲下的照片。（k）CLA-BN/PDMS复合材料和纯PDMS样品的照片。图4、（a） LED芯片中的热管理示意图。（b）具有（顶部）和不具有（底部）热界面材料的LED芯片的照片和红外热图像（比例尺=1 cm）。（c）可穿戴温度传感器结构示意图。（d）可穿戴温度传感器的照片（在手模型上演示）。（e）相对电容随温度而变化。（f）热界面材料在可穿戴温度传感器中的作用。（g）比较作为接触层的PDMS和CLA-BN/PDMS之间的温度响应。（h）使用CLA-BN/PDMS作为接触层的可穿戴温度传感器的循环稳定性超过40个循环。插图：温度曲线的放大图。
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