随着5G通信、人工智能和高集成计算模块的快速发展，现代电子产品正朝着小型化和高功率密度方向不断迈进，由此引发的热管理挑战日益严峻，直接影响器件性能、运行稳定性和使用寿命。风扇和液冷系统等主动冷却方案虽然散热能力较强，但其体积、复杂性和功耗需求限制了它们在轻量化、节能型智能电子产品中的应用。相变材料凭借其在固-液转变过程中吸收大量潜热的特性，成为抑制瞬时热斑和调节热通量的重要候选材料。然而，相变材料固有的低导热系数（通常为0.1-0.5 W·m⁻¹·K⁻¹）严重制约了其实际应用。
针对上述挑战，蒙纳士大学刘闽苏研究员、清华大学丘陵和东南大学邹瑞萍合作提出了一种利用熔体输运的对流增强策略。他们通过非溶剂诱导相分离技术制备了具有互连核心通道（体积占比超过90%）和多孔导电壳层的复合纤维。实验和数值分析表明，特定的通道结构能够激活内部对流，其热贡献超过本征热传导的100%。优化后的复合相变纤维在仅含3 wt%添加剂的情况下实现了1.05 W·m⁻¹·K⁻¹的导热系数，熔化后可提升至2.48 W·m⁻¹·K⁻¹，性能优于具有更高本征导热系数的纤维。器件级演示证实了这类纤维在热缓冲方面的巨大潜力。相关论文以“Convection enhanced phase change composite fibers for advanced thermal management”为题，发表在Nature Communications上。
研究团队设计了一种层级核壳结构纤维，兼具三大功能：核心内部连续互连的孔隙网络确保封装相变材料的均匀热接触和高效热吸收；高内部空隙率为相变材料提供充足储存空间；由芳纶纳米纤维/氮化硼纳米片构成的致密外壳则赋予纤维结构稳定性、定向导热路径和防泄漏屏障。通过同轴湿法纺丝技术，研究人员实现了这一层级结构的一步成型。当纤维芯层凝胶接触凝固浴后，溶剂快速向外扩散触发非溶剂诱导相分离，生成径向扩展的手指状大孔；而富含芳纶纳米纤维的外壳因密集的氢键网络而快速固化，形成致密且机械性能优异的外层，其中氮化硼纳米片呈现定向排列。扫描电镜图像验证了清晰的核壳形态，显示均匀的壳层厚度和芯层内的指状孔结构。计算机断层扫描进一步揭示，这些大孔形成了连续且曲折的通道网络而非孤立空隙。汞压孔率测试显示孔径范围为500 nm至10 μm，远超PEG2000分子的流体力学半径（12.5 nm），表明分子尺度受限效应可忽略不计。实验测得孔隙率达89%，与理论估算值92%高度吻合，差示扫描量热分析和热重分析表明纤维潜热约为118 J/g，对应约90 wt%的PEG负载量。
图1. 相变复合纤维的设计、制备与形貌表征。 (a) 核-壳纤维结构示意图，突出用于相变材料封装的宏通道和致密外壳；(b) 同轴湿法纺丝制备过程示意图；(c) 溶剂交换过程中非溶剂诱导相分离形成宏通道结构的机制示意图（蓝色：水；黄色：芳纶纳米纤维/二甲基亚砜；灰色：聚乙烯醇缩丁醛/N,N-二甲基乙酰胺）；(d) 代表性核-壳纤维的横截面扫描电镜图像，显示清晰的芯部和致密外壳；(e) 计算机断层扫描重建的轴向截面，显示曲折连通的孔网络分布；(f) 通过压汞法测定的芯部材料孔径分布。
关于外壳的增强作用，应力-应变曲线显示无壳多孔纤维的拉伸强度仅为0.92 MPa，而具有ANF/BNNS外壳的PFS-5纤维强度提升至5.55 MPa。断裂面扫描电镜图像进一步揭示了差异：无壳纤维呈现脆性断裂特征，而带壳纤维在破坏前发生显著形变，表明外壳有效耗散机械能并延缓裂纹扩展。弯曲性能测试同样证实核壳结构显著提升了纤维的韧性和柔韧性。在热传导方面，瞬态电热测量显示无壳纤维导热系数仅为0.01 W·m⁻¹·K⁻¹，而PFS-5提升至1.16 W·m⁻¹·K⁻¹。相变材料浸润后，PIF-5导热系数升至0.46 W·m⁻¹·K⁻¹，PIFS-5则达到1.22 W·m⁻¹·K⁻¹。动态热性能测试表明，距离热源相同距离处，PIFS-5在200秒后温度达到65°C，而PIF-5仅达到61°C，证明外壳促进了沿纤维的热量快速再分布。长期热循环测试显示，经过100次加热-冷却循环后，PIF-5损失了22.0%的质量和21.7%的潜热，扫描电镜观察到泄漏留下的空隙；而PIFS-5保留了99.1%的质量和98.7%的潜热，横截面确认无可见相变材料损失。
图2. 所制备纤维的力学性能、热导率和热稳定性。 (a) 无外壳多孔纤维和带ANF/BNNS外壳多孔纤维的拉伸应力-应变曲线，显示PFS显著增强的拉伸强度和韧性。插图：PFS拉伸断裂后的横截面SEM图像；(b) 数码照片显示PFS相比脆性PF具有优异的弯曲完整性；(c) PF、PFS、相变材料浸润纤维和带外壳的相变材料浸润纤维的热导率；(d) 热红外图像和(e) 加热过程中固定点的相应温度-时间曲线，展示了PIFS相比PIF增强的轴向热传递效率；(f) PIF和PIFS在100次热循环中的质量保持率。插图SEM图像显示循环前后代表性纤维的横截面，突出外壳结构优异的PCM防漏性能；(g) PIF和PIFS在100次热循环后的焓保持率。
为了构建结构可编程平台，研究团队通过改变芯层纺丝液中BNNS含量来调节PIFS纤维的多孔骨架。二维BNNS具有强烈的结构塑造能力，随着BNNS含量从10 wt%增加至70 wt%，芯层形态从稀疏、高度分支的手指状大孔逐渐演变为更窄、更密集分布的孔隙，骨架增厚形成更致密的框架。当BNNS含量达70 wt%时，芯层转变为具有更小孔隙的紧凑网络。流变曲线表明增加BNNS含量显著提高了粘度并减缓了富聚合物相的松弛，意味着有效扩散率降低并向粘度主导的相分离机制转变。基于Cahn-Hilliard框架的相分离模拟再现了从粗大、宽间距手指状孔到紧凑、精细分割通道网络的实验观察过渡。尽管孔结构存在差异，所有PFS样品均保持约90%的高孔隙率，平均孔径从PFS-1的5309 nm减小至PFS-7的502 nm，但仍远大于PEG2000的流体力学半径。
图3. 不同BNNS含量下纤维芯部的形貌演化。 (a) 纤维设计策略示意图，显示芯部BN含量从PFS-1（10 wt%）到PFS-7（70 wt%）逐渐增加；(b-e) PFS-1、PFS-3、PFS-5和PFS-7的横截面SEM显微照片，显示随BN含量增加的通道结构变化；(f-i) PFS-1、PFS-3、PFS-5和PFS-7的放大横截面SEM显微照片，显示通道细节；(j) 基于Cahn-Hilliard框架的相分离模拟，对应于不同芯部BNNS浓度下的相分离。
研究团队进而探究结构差异如何影响传热。固有导热系数随芯层BNNS含量增加而上升，PFS样品从0.85升至1.49 W·m⁻¹·K⁻¹，PCM浸润后从0.89升至1.55 W·m⁻¹·K⁻¹。然而动态红外热测试揭示了相反趋势：在加热进入相变区间时，导热系数较低的PIFS-3反而表现出更快的升温速度，而导热系数更高的PIFS-7升温更慢。这一不匹配现象在未浸润PCM的纤维中或熔点以下温度未出现，表明该现象源于熔体输运而非固相传导。温度-时间曲线分析显示两个特征峰：低温峰与PCM熔化膨胀增强与固体骨架热接触有关，高温峰则归因于熔融PCM内部的对流。水流实验表明，PIF-1具有最大最开放的通道，表现出最高最快的流量；而PIF-7的孔隙最小最曲折，流动阻力最大。这揭示了固态传导与熔体流动性之间的竞争关系：PIFS-3在两者之间达到平衡，提供了最佳的总体热性能。瞬态电热测量显示，有效导热系数在熔点以下基本恒定，但在熔点以上显著增加，PIF-1和PIF-3的提升超过100%。
图4. 不同芯部结构的PFS纤维的物理热学性质与动态热性能。 (a) PCM浸润前后纤维热导率随芯部BN含量的变化；(b) 相应PIFS样品的实测密度和潜热；(c) 代表性热红外图像和(d) PIFS纤维在加热过程中固定监测点的相应温度-时间曲线；(e) 从(d)导出的微分温度-时间曲线，突出受孔结构和对流影响的加热速率分布差异；(f) 水流动实验研究PFS内部通道对流体迁移性的影响；(g) PIFS样品的温度依赖性热导率，显示相变后热导率增加；(h) 不同温度下纤维的热导率增强比。
为了理解通道结构对对流换热的影响，研究人员基于PIFS样品的特征构建了四种几何模型进行数值模拟。所有模型具有相同材料组成、固相导热系数和90%孔隙率，差异仅在于内部骨架的厚度和间距。从Geom-1到Geom-4，骨架逐渐增厚、排列更密集，流道变窄，流体运动阻力显著增加，水力直径和达西渗透率均下降数个数量级。在加热过程中，体积平均流体速度随自然对流环流建立而增加，约2.5秒时达到峰值。Geom-1支持跨越大部分孔隙体积的大尺度循环环流，实现热流体从加热边界向冷侧的高效输运；随着骨架致密化，回流逐渐受限，Geom-4中流体几乎保持静止。在最大对流时刻，Geom-1和Geom-2的死区比例分别为17.7%和70.1%，Geom-3急剧上升至98%，Geom-4则在整个过程中保持接近100%。Geom-1实现了keff从1.75至3.51 W·m⁻¹·K⁻¹的提升，增强超过100%，而Geom-4仅获得约10%的提升。
考虑到纤维基热管理组件的实际应用，研究人员还考察了热通量和重力方向对多孔网络内浮力驱动对流的影响。以Geom-1为代表，热图像直观展示了重力方向如何重构内部热输运。当重力垂直于热通量方向时，温度场显示出跨越整个多孔域的延长回流路径，实现了高效的横向热量再分布。而当重力与热通量同向或反向时，浮力驱动运动变得局部化，导致更强的热分层和孔隙体积利用率降低。冷端温度和有效导热系数的演化均显示垂直情况下达到最高值。温度依赖性瞬态电热测量表明，PIFS-1在垂直方向的对流增强超过123%，重力同向时为103%，反向时仅为47%。这表明纤维在器件表面水平放置更有利于散热，与热管和均温板的工程直觉一致。参数分析进一步显示，在骨架和相变材料本征导热系数均较低的体系中，对流增强效应最为显著。
图5. 四种不同内部几何模型的多物理场传热动力学模拟。 (a) 四种模型几何示意图；(b) 水力直径和达西扩散率，反映结构设计对流体输运行为的影响；(c) t=2.5秒时的速度场分布；(d) 全局平均速度的时间演化和(e) 全局死区比例；(f) 基于热流和冷热端温差计算的全局有效热导率；(g) 四个模型在不同时间点的温度场分布，以及(h) 冷端温度曲线；(i) 不同情况下的温度场分布；(j) 冷端温度曲线和(k) 相应的全局有效热导率；(l) 通过瞬态电热法测量的PIFS-1在不同情况下的温度依赖性热导率。
在紧凑型电子设备中，散热常受限于空间不足、环境对流弱以及缺乏大型散热器的安装空间。研究人员将PIFS-3纤维组装的垫片直接应用于开发板的CPU上进行器件级测试。在持续最大负载应力测试1200秒后，红外图像显示无热管理情况下CPU产生的热量在受限空间内逐渐积累并扩散至整个PCB板，温度超过90°C。热扩散器和热缓冲垫均能有效降低整体PCB温度，但CPU核心温度演化分析表明，热扩散器在运行初期保持较低温度，而热缓冲垫使温度上升缓慢，在全负载运行600秒后CPU温度更低。CPU运行频率记录显示，热缓冲垫附着的CPU在约15分钟后出现明显更少的降频事件，表明长期热稳定性更佳。值得关注的是，PIFS纤维的本征导热系数低于2 W·m⁻¹·K⁻¹，远低于热扩散器。热电偶测量CPU、WiFi模块和内存模块的表面温度进一步证实，热缓冲情况下的所有监测组件表面温度均为最低。这一效应源于相变材料的潜热吸收，暂时储存热能并抑制峰值温度传播。数值模拟结果与实验观测一致，证实了热缓冲在受限环境中更有效地限制PCB、CPU及周围组件的温升。
图6. PIFS纤维在实际热管理应用中的演示。 (a) Orange Pi开发板的光学图像，CPU被PIFS纤维垫覆盖，以及运行1200秒后相应的红外热图像；(b) 运行期间CPU内部温度和(c) CPU运行频率；(d) 显示三个关键区域热电偶位置的光学图像：区域A: CPU，区域B: WiFi模块，区域C: 内存模块；(e) CPU、(f) WiFi模块和(g) 内存模块在三种不同情况下的热电偶测量表面温度；(h) 器件温度场；(i) 印刷电路板的平均温度和(j) 区域A（CPU）的平均温度。