一、研究背景

电信系统和便携式电子设备的快速发展推动了电子元器件的小型化与集成化，人工智能等大功率应用又进一步提升了电子设备的算力需求，这使得电子设备的热管理问题愈发突出。电子元件温度在70-80℃区间每升高1℃，可靠性就会降低5%，过热还可能引发短路甚至爆炸。

目前常用热管、相变材料和铜、银等高导热材料进行散热，但材料z方向热阻不足导致的元件表面发热和热点形成仍存挑战。气凝胶作为超低导热率的超轻多孔固体，是理想的隔热材料，而纤维素气凝胶作为生物基多孔材料，虽具有超低密度、设计可调性等优势，却存在耐热性、机械耐久性和加工性不足的问题，其亲水性还易导致吸湿变形，限制了在电子设备中的应用。

芳纶纳米纤维（ANF）具有高结晶度、刚性链结构、优异的阻燃性和热稳定性，将其与纤维素纳米纤维（CNF）复合，有望改善纤维素气凝胶的性能，同时3D打印技术可解决传统模具制造气凝胶精度低、效率差的问题，实现复杂结构气凝胶的定制化制备。

二、研究内容

2.1 材料制备

（1）芳纶纳米纤维（ANF）制备：将凯夫拉纤维、KOH与DMSO混合搅拌三天，加入去离子水后过滤洗涤，得到ANF分散液。

（2）纤维素纳米纤维（CNF）制备：采用TEMPO氧化法处理桦木木浆，经微流化器处理后得到TEMPO氧化的CNF水凝胶。

（3）CNF/ANF杂化气凝胶制备：将不同质量比（9:1、7:3、5:5）的1 wt% CNF和2 wt% ANF水分散液均质混合，液氮冷冻后冷冻干燥，制得C/A10%、C/A30%、C/A50%杂化气凝胶，同时制备纯CNF和ANF气凝胶作为对照。

（4）3D打印制备气凝胶：使用Brinter™ one 3D打印机，将1:1的1 wt% CNF和2 wt% ANF分散液作为打印墨水，在500-600 mbar挤出压力、喷嘴移动速度5-10 mm/s条件下打印，经液氮冷冻和冷冻干燥得到定制结构的3D打印气凝胶。

2.2 性能表征

通过扫描电镜（SEM）观察气凝胶和纳米纤维的形貌；利用万能试验机测试气凝胶的压缩力学性能；借助X射线衍射（XRD）分析材料的晶体结构；采用热重分析仪（TG）研究热行为；通过红外相机进行红外成像；使用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征化学结构；利用流变仪测试打印墨水的流变性能；采用热导率分析仪测定热导率。

2.3 关键实验结果与分析

图1. (a) CNF、C/A10%、C/A30%和C/A50%气凝胶置于花瓣上的照片；(b) C/A50%气凝胶弯曲和卷曲的照片；(c) C/A50%气凝胶加载200g重物前后的照片；(d) 不同气凝胶的XRD图谱；(e) 不同气凝胶的FT-IR光谱；(f) 不同气凝胶的TG曲线；(g) 不同气凝胶的压缩应力-应变曲线；(h) 对应杨氏模量和屈服应力值；(i) C/A50%气凝胶在50次疲劳测试中的高度保持率

（1）物理与机械性能：杂化气凝胶密度仅12-16 mg/cm³，孔隙率达98.9%-99.2%；C/A50%气凝胶的杨氏模量从纯CNF的16.7 kPa提升至176.3 kPa，提升近10倍，且在50次压缩-解压循环后高度保持率约87%，展现出优异的机械强度和回弹性。ANF与CNF间的氢键作用（CNF的-COOH与ANF的-CONH-形成氢键）是性能提升的关键。

（2）热稳定性：纯CNF气凝胶在290℃左右开始分解，而ANF和杂化气凝胶的分解温度高达520-550℃，ANF的芳香结构和分子间氢键赋予了杂化气凝胶优异的热稳定性。

图2. (a) 不同气凝胶的热导率；(b) 105℃加热下气凝胶的红外热成像俯视图；(c) 加热30分钟后气凝胶的红外热成像侧视图；(d) 冷热环境测试装置示意图；(e) C/A50%气凝胶、棉织物和聚苯乙烯泡沫在96℃高温下的温度-时间曲线；(f) C/A50%气凝胶、棉织物和聚苯乙烯泡沫在-50℃低温下的温度-时间曲线

（3）隔热性能：杂化气凝胶的热导率低至0.032 W/(m·K)（C/A50%），在105℃加热条件下，气凝胶表面与加热板间形成52-55℃的温度梯度；在96℃高温和-50℃低温环境中，C/A50%气凝胶的隔热性能优于棉织物和商用聚苯乙烯泡沫。

图3. (a-c) C/A50%气凝胶3D打印成芬兰地图、飞机和环形结构（左图为设计模型，右图为干燥后气凝胶，比例尺2cm）；(d) 3D打印纤维素水凝胶网格的光学照片（比例尺10mm）；(e) 打印样品漂浮在水上(e1)和自支撑环形结构(e2)；(f) C/A50%墨水在1Hz恒定频率下动态应力扫描的对数-对数图（插图为稳态粘度随剪切速率变化的对数-对数图）；(g) 不同厚度3D打印C/A50%气凝胶在热板上的红外图像；(h) 不同厚度3D打印C/A50%气凝胶在干冰冷板上的红外图像；(i) 不同厚度气凝胶与冷热板的温差

（4）3D打印性能：C/A50%墨水具有优异的剪切稀化行为和粘度恢复能力（120s内恢复84%粘度），可打印出芬兰地图、飞机、环形等复杂结构，且打印气凝胶的隔热性能随厚度增加而提升，9.5mm厚的C/A50%气凝胶与110℃热板间温差约63℃。

图4. (a) 5G智能手机（诺基亚8.3 5G）背面照片；(b) 气凝胶隔热体覆盖智能手机主板的示意图；(c) C/A50%隔热体照片（插图为培养皿中打印的C/A(5:5)水凝胶）；(d) 智能手机背面红外图像：(d1-d3) 无C/A50%隔热体的主板，(d4) 覆盖3D打印C/A50%隔热体的主板；(e) 有无C/A50%隔热体时主板表面温度随时间变化曲线；(f) 气凝胶隔热体对主板隔热的示意图；(g) 不同气凝胶材料的热导率与密度关系

（5）实际应用测试：将3D打印的C/A50%气凝胶应用于5G智能手机主板热点隔热，手机运行游戏15分钟后，无隔热体时主板表面温度达约47℃，覆盖隔热体后仅约31℃；安装手机壳后，无隔热体时主板温度升至60℃，而隔热体表面温度仅约41℃，展现出良好的实际隔热效果。

三、研究结论

1. 以ANF为增强相，通过3D打印制备了CNF/ANF杂化气凝胶，ANF的引入使C/A50%气凝胶的杨氏模量较纯CNF气凝胶提升近10倍，同时显著提高了气凝胶的热稳定性，分解温度从纯CNF的290℃左右提升至520-550℃。

2. 杂化气凝胶具有超低密度（12-16 mg/cm³）和极低的热导率（0.032-0.034 W/(m·K)），其隔热性能优于棉织物和商用聚苯乙烯泡沫，且在冷热极端环境下仍表现出优异的隔热效果。

3. C/A50%墨水具备良好的流变性能和3D打印适性，可制备出复杂定制化结构的气凝胶，克服了传统模具制造的精度和效率缺陷，且气凝胶具有优异的可回收性，可通过分散-干燥循环反复重塑。

4. 将3D打印的C/A50%气凝胶应用于5G智能手机主板热点隔热，有效降低了主板表面温度，验证了其在便携式电子设备热管理中的实用性，该制备方法也为电子、生物医学和环境领域高性能气凝胶的快速原型制造提供了可持续方案。

Scheme 1. (a) 3D打印制备CNF/ANF气凝胶的流程示意图；(b) 气凝胶用于便携式电子设备隔热的示意图

四、论文信息