随着先进电子器件集成度和功率密度的持续提升，器件内部热流密度显著升高，传统热界面材料已难以满足高效散热需求。由于中间相沥青基碳纤维（CF）的石墨微晶沿纤维轴高度取向，其轴向热导率可高达1200 W·m^-1·K^-1，是构筑高效导热网络的理想填料。通过外场取向或模板策略将碳纤维垂直排列，可以充分发挥其各向异性导热优势，在较低填料含量下显著提升热界面材料的面外导热性能。然而，垂直取向且紧密堆积的碳纤维网络在促进热量高效传输的同时，也会带来短路和电磁干扰风险，难以满足下一代电子器件对散热、电绝缘和电磁防护的综合需求。针对上述问题，已有研究通常采用氮化硼、氧化铝、碳化硅等绝缘导热填料，或在碳纤维表面构筑绝缘包覆层来抑制电子迁移。这些方法能够在一定程度上提高复合材料的电绝缘性能，但也往往会削弱热传导效率。此外，由于碳纤维取向程度不足或纤维间连接不充分，其高长径比优势也难以完全发挥。因此，在保持高效垂直导热能力的同时，实现电绝缘和有效的电磁波衰减，仍然是亟待解决的难题。

  近日，四川大学先进高分子材料全国重点实验室吴宏教授、郭少云教授团队受自然森林中树干负责长距离垂直传输、树枝负责分布连接和功能协同的结构启发，设计并制备了树干-树枝分级异质结构的导热复合材料，同步实现高效散热、电绝缘和吸收主导型电磁干扰屏蔽。

  2026年5月18日，相关工作以“Trunk-Branch-Inspired Carbon Fiber Scaffolds with Boron Nitride Network for Heat Dissipation and Electromagnetic Interference Shielding”为题发表在Nature Communications上（DOI：10.1038/s41467-026-73185-y）,论文第一作者为2023级博士研究生贾宁，通讯作者为吴宏教授。

  具体而言，首先采用低成本磁场辅助取向方法构筑垂直排列且紧密堆积的碳纤维骨架，作为主干状的垂直传热通道。随后，通过仿生原位生长策略在碳纤维骨架之间构筑类树枝的氮化硼网络，使其作为纤维间连接结构，而不是简单的绝缘包覆层或传统辅助填料。垂直取向碳纤维骨架保证了优异的面外导热能力，氮化硼网络则通过增强电绝缘性能优化阻抗匹配，进而改善电磁波吸收；同时，原位氮化硼网络连接碳纤维骨架，拓展了双向导热路径和电磁波传播路径。（图1）。通过结构和配方优化，在填料含量仅为20.17 vol%时，该复合材料的面外热导率达到57.96 W·m^-1·K^-1，面内热导率达到2.93 W·m^-1·K^-1，比热导率增强系数达1431.62 %·(vol%)^-1，同时具有良好的电绝缘性能，体积电阻率达到3.24×10⁸ Ω·cm，并在X波段表现出吸收主导型电磁干扰屏蔽性能，屏蔽效能达到44.79 dB，吸收系数为0.88。该工作为解决下一代电子器件中散热、电绝缘和电磁防护难以兼顾的问题提供了新的结构设计思路，也为多功能热界面材料的开发提供了参考。

图1 碳纤维骨架（VCS）及氮化硼/碳纤维分级异质骨架（BN-IVCS）的制备及结构表征

图2 VCS/PDMS及BN-IVCS/PDMS复合材料的导热和热管理性能

图3 VCS/PDMS及BN-IVCS/PDMS复合材料的电磁屏蔽性能

  研究团队：http://gsy.scu.edu.cn/

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-73185-y