随着可再生能源技术的快速发展，相变材料（PCMs）因其高效储能特性成为缓解能源供需时空错配的关键媒介。然而，传统PCMs如聚乙二醇（PEG）存在泄漏、低热导率及光热转换效率低下等瓶颈，严重限制了其在太阳能利用和电子热管理等领域的应用。本研究受鸟类中空骨骼结构的启发，创新性地开发了一种三维互连空心金刚石泡沫（3D HDF），并通过封装PEG2000制备出高性能复合相变材料（HDF/PEG）。实验结果表明，该材料热导率较纯PEG提升378%，光热转换效率达86.5%，同时可将电子元件温升时间延长4倍。这不仅为解决PCMs的固有缺陷提供了新思路，还为太阳能收集与存储、高功率电子设备热管理等领域提供了集成化解决方案。

研究背景及意义

在全球能源结构转型的背景下，开发高效储能技术是平衡可再生能源间歇性与能源需求连续性的核心挑战。相变储能技术通过材料相变过程中的潜热吸收与释放，成为实现热能时空调控的重要手段。其中，聚乙二醇（PEG）因高储能密度、无毒性和化学稳定性备受关注，但其低热导率、液态泄漏及几乎为零的光吸收能力，严重制约了其在光热转换和电子热管理中的应用。

近年来，多孔骨架材料（如金属泡沫、多孔碳）被广泛用于提升PCMs性能。例如，铜泡沫可将PEG热导率提升123%，但金属骨架的高密度和腐蚀风险限制了其适用性；碳基材料（如石墨烯、多孔碳）虽轻质且化学稳定，但其热导率提升幅度（通常<200%）仍无法满足高功率场景需求。此外，现有复合PCMs的光热转换效率多依赖于外部光吸收剂，增加了制备复杂度。因此，开发兼具高导热性、结构稳定性与光热协同增强的新型骨架材料，成为突破PCMs应用瓶颈的关键。

自然界中，鸟类骨骼的空心网络结构通过优化氧气存储与传输效率支撑高效呼吸，这一仿生设计启发了研究者对多孔骨架结构的重构。本研究通过仿生设计与先进制备工艺的结合，首次构建了三维连续互连的空心金刚石泡沫（HDF），为PCMs性能提升开辟了新路径。

主要研究内容

本研究以铜泡沫（CF）为模板，通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）在其表面生长金刚石薄膜。为消除铜与金刚石的晶格失配，预先采用射频磁控溅射沉积钛（Ti）中间层，随后通过激光穿孔与酸浸蚀去除CF模板，最终获得了轻质、高孔隙率的HDF骨架（图1）。扫描电镜（SEM）显示，HDF呈现均匀连续的微米级孔洞结构，金刚石晶粒尺寸为3–5 μm，形成金字塔形微晶表面。拉曼光谱进一步证实金刚石薄膜的高结晶质量（特征峰位于1331.98 cm^-1），而X射线衍射（XRD）与傅里叶变换红外光谱（FTIR）表明，HDF与PEG2000仅通过物理结合，未发生化学反应（图2）。

图1.材料制备工艺示意图

图2.HDF和HDF/PEG的形态和结构特征

通过熔融渗透法将PEG2000封装于HDF骨架中，结果表明，制备的HDF/PEG复合材料展现出显著优化的热性能。差示扫描量热（DSC）测试显示，其潜热为111.48 J/g，虽因HDF占位较纯PEG（152.06 J/g）有所降低，但过冷度从19.1 ℃降至15.2 ℃，潜热差异从12.61 J/g缩小至0.17 J/g。激光闪射法（LFA）测得复合材料的室温热导率达1.458 W/(m·K)，较纯PEG提升了378%（图3），归因于HDF内部连续的高导热网络。热重分析（TGA）显示，HDF/PEG在320 ℃以下具备优异的稳定性，且循环100次后性能衰减小于10%。

图3.PEG2000和HDF/PEG的热性能

在光热转换方面，HDF的多孔结构增强了PEG2000的太阳光吸收能力。紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱显示，复合材料的全波段吸收率显著高于纯PEG。氙灯模拟太阳光照射下，HDF/PEG在5分钟内升温至54.5 ℃，光热转换效率达86.5%（图4）。此外，应用于电子元件热管理时，HDF/PEG可将芯片温升时间延长4倍（3V电压下从127秒增至598秒），冷却时间延长2.3倍，红外热成像显示其有效抑制了局部热点，验证了其在延缓热疲劳、提升设备寿命中的潜力。

图4.HDF/PEG的光热转换性能

研究结论

本研究通过仿生设计与材料创新，成功开发出了基于三维空心金刚石泡沫（HDF）的复合相变材料（HDF/PEG）。相较于传统金属或碳基骨架，HDF的轻质、化学稳定性与结构连续性为其在太阳能集热、工业余热回收及高功率电子设备热管理等场景的应用奠定了基础。未来研究可进一步优化HDF的孔隙率与金刚石晶粒尺寸，探索规模化制备工艺，推动该材料从实验室向产业化过渡。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-025-0991-7