东北林业大学王成毓、杨海月教授团队 ACHM:木质素诱导的超分子作用力助力实现热管理新突破

本研究受木材启发，通过碱木质素诱导超分子组装，开发出一种兼具高导热与优异粘弹性的热界面材料，实现了接触热阻降低71.9%和导热系数提升18.8%，为电子设备热管理提供了高效解决方案。

东北林业大学王成毓教授、杨海月教授团队制备了一种粘弹性导热橡皮泥（AL-VTCP）。该材料结合相变乳液与氮化硼纳米片，通过动态超分子相互作用显著提升粘弹性、优化导热路径，实现接触热阻降低71.9%（至20.0 mm²·K·W⁻¹）与导热系数提升18.8%（至3.278 W·m⁻¹·K⁻¹）。搭载该材料的CPU设备凭借其优异的界面适配性和相变吸热能力，较高性能商用热界面材料额外降温约13.1℃，同时具备低压缩模量（170 kPa）和低环境影响，为5G集成系统中的电子热管理提供了高效新方案。

相关成果以“Biomimetic, viscoelastic and interface adaptive thermally conductive composites via lignin-induced supramolecular self-assembly for advanced thermal management” 为题发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上。

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背景介绍

随着电子设备向高功率密度、高集成度方向发展，热管理成为制约其性能提升的关键瓶颈。研究表明，电子设备温度每升高 2℃，可靠性下降 10%，50℃环境下的使用寿命仅为 25℃时的六分之一。TIMs 的核心作用是填充芯片与散热器之间的微小空隙，降低接触热阻，然而传统 TIMs 要么导热性能优异但粘弹性差、界面适配性不足，要么粘弹性良好却导热效率低下。

相变热界面材料作为新型 TIMs，兼具导热和储热功能，但存在导热系数低、易泄漏、界面适配性不足等问题。虽然添加氮化硼纳米片（BNNS）等导热填料可提升导热性能，但随着填料浓度增加，材料粘弹性会显著恶化，形成难以调和的性能矛盾。自然界中的木材通过木质素与纤维素、半纤维素之间的超分子相互作用，实现了高强度与良好韧性的完美结合，这为解决 TIMs 的性能矛盾提供了绝佳的仿生灵感。

针对现有热界面材料（TIMs）高导热性与优良粘弹性难以兼顾的固有矛盾，本研究灵感源自木材超分子结构，通过碱木质素（AL）诱导的超分子自组装，制备了一种粘弹性导热橡皮泥（AL-VTCP）。该材料整合了相变乳液与氮化硼纳米片（BNNS），实现了纳米尺度的热调控。得益于 AL 诱导的动态超分子相互作用，AL-VTCP 不仅粘弹性显著提升，接触热阻降低 71.9%（从 71.2 降至 20.0 mm²・K・W⁻¹），还优化了导热路径，导热系数较 VTCP 提升 18.8%（从 2.76 提升至 3.278 W・m⁻¹・K⁻¹）。结合相变吸热能，搭载 AL-VTCP 的 CPU 设备较高性能商用 TIMs 额外降温约 13.1℃。此外，AL-VTCP 还具有低压缩模量（170 kPa）、优异的界面适配性和极小的环境影响。该研究通过分子层面的界面工程，实现了导热性能优化与界面阻力最小化的统一，为 5G 集成系统中的先进电子热管理提供了新方案。

图1. AL-VTCP 复合材料的制备流程。

图2. AL-VTCP 复合材料的结构表征。

图 3.  AL-VTCP 复合材料的力学性能。

图 4. AL-VTCP 复合材料的导热性能。

图 5. AL-VTCP 复合材料的接触热阻。

图 6. AL-VTCP 复合材料的散热性能及应用。

图 7. AL-VTCP 复合材料在 CPU 热管理中的应用。

图 8.  AL-VTCP 复合材料的环境影响。

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总结展望

本研究以木材超分子结构为灵感，通过碱木质素诱导的超分子自组装策略，成功制备了兼具高导热性和优良粘弹性的热界面材料 AL-VTCP。当 BNNS 含量为 40 wt% 时，AL-VTCP 的导热系数达 3.278 W・m⁻¹・K⁻¹，接触热阻低至 20.0 mm²・K・W⁻¹，压缩模量仅 170 kPa，在 CPU 热管理测试中较商用 TIMs 额外降温 13.1℃，且环境影响显著低于传统 TIMs。

该研究通过分子层面的界面工程，巧妙解决了热界面材料中导热性能与粘弹性的固有矛盾，为高性能 TIMs 的设计提供了全新思路。未来研究可进一步优化 AL 与其他组分的相互作用，探索更高导热系数的填料组合，拓展材料在极端环境下的应用潜力。随着技术的不断完善，这种仿生、环保的热界面材料有望在 5G 通信、新能源汽车、航空航天等领域的先进电子设备热管理中实现广泛应用，推动电子设备向更高性能、更可持续的方向发展。

Lei Qiao, Jiazuo Zhou, Fangmiao Wang, et al. Biomimetic, viscoelastic and interface adaptive thermally conductive composites via lignin-induced supramolecular self-assembly for advanced thermal management, Advanced Composites and Hybrid Materials, 2026.

https://doi.org/10.1007/s42114-025-01589-3

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封面：文章插图

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