+86-21-56710715
-
-
-
-
-
WhatsApp
-
WeChat
3D-печать + наноцеллюлоза + арамид: «тройной прорыв» в области теплоизоляционных материалов для электронных устройств
2026-04-21
1. Предпосылки исследования
Портативные электронные устройства, такие как 5G-телефоны, становятся всё более интегрированными, что приводит к острой проблеме перегрева во внутренних горячих зонах. Хотя традиционные металлические радиационные материалы обладают хорошей теплопроводностью, они плохо изолируют горячие точки и легко вызывают перегрев корпуса; наноцеллюлозные аэрогели привлекают внимание благодаря сверхлёгкости и низкой теплопроводности, но имеют недостатки: низкую механическую прочность, недостаточную термостабильность, склонность к усадке и деформации при сушке. В то же время традиционные технологии формования с трудом позволяют изготавливать теплоизоляционные материалы, адаптированные к сложной структуре электронных устройств. В связи с этим команда предложила комбинировать наноцеллюлозу (НЦ) с арамидными нановолокнами (АНВ) и использовать технологию 3D-печати для преодоления указанных двойных узких мест.
2.Основной дизайн эксперимента
Основой исследования являются рецептура композитного аэрогеля и разработка технологии 3D-печати. По материалам: на основе НЦ вводится АНВ с образованием композитной системы; оба компонента создают стабильную трёхмерную сеть за счёт сильных водородных связей между карбоксильными и амидными группами. По технологии: используется метод прямого чернильного письма (ПЧП); сначала готовятся высокостабильные смешанные чернила НЦ/АНВ, затем с помощью SolidWorks проектируется структура, адаптированная к электронному устройству, и преобразуется в код для печати; регулируются давление экструзии 500-600 мбар и скорость сопла 5-10 мм/с; после сублимационной сушки получается готовое изделие. В эксперименте созданы группы с различным содержанием АНВ и контрольная группа из чистой НЦ; всесторонне протестированы механические, теплоизоляционные и другие свойства материала, а также проведены практические испытания на материнской плате 5G-телефона.
3.Ключевые результаты экспериментов
Испытания свойств показали, что композитный аэрогель C/A50% с добавлением 50% АНВ показывает наилучшие результаты. По механическим свойствам: модуль Юнга достигает 176,3 кПа, что в 10 раз выше, чем у чистой НЦ (16,7 кПа); он выдерживает давление в 1300 раз превышающее собственный вес. По теплоизоляции: теплопроводность составляет всего 0,032 Вт/(м·К), что находится на передовом уровне среди аналогичных материалов. По стабильности: при хранении в среде 100°C в течение недели заметных изменений не наблюдается; после многократных циклов диспергирования-сушки свойства остаются стабильными. В прикладных испытаниях данный аэрогель, наложенный на горячую зону материнской платы 5G-телефона, через 15 минут работы снижает температуру материнской платы с 47°C до 31°C; даже в закрытом корпусе обеспечивается эффективный контроль температуры.
4.Основной механизм действия
Превосходные свойства композитного аэрогеля обусловлены синергией компонентов и структурными преимуществами. С одной стороны, сеть водородных связей, образованная АНВ и НЦ, не только устраняет проблему рыхлой структуры чистой НЦ, уменьшая усадку при сушке, но и благодаря собственной высокой прочности и термостойкости АНВ одновременно повышает механические и термостабильные свойства материала. С другой стороны, индивидуализированная пористая структура, создаваемая 3D-печатью, значительно прерывает пути теплопередачи, снижая теплопроводность. В то же время эта пористая структура совместно с водородными связями придаёт материалу гибкость, позволяя адаптироваться к сложным внутренним контурам электронных устройств и обеспечивая точную теплоизоляцию горячих зон.
5.Значение исследования
Данное исследование новаторски сочетает технологию ПЧП с композитным аэрогелем, преодолевая двойные ограничения традиционных теплоизоляционных материалов по формованию и свойствам. Разработанный материал сочетает лёгкость, высокую теплоизоляцию и возможность кастомизации, идеально подходя для портативных электронных устройств. Кроме того, использование натуральной НЦ в качестве сырья соответствует концепции зелёной устойчивости, а возможность многократной переработки и рециркуляции снижает эксплуатационные расходы. Данное решение не только предоставляет практический новый выбор для терморегулирования электроники, но и задаёт осуществимую парадигму для применения технологии 3D-печати в области биоосновных композитных теплоизоляционных материалов, что имеет важное значение для продвижения промышленного применения лёгких теплоизоляционных материалов.
