天大封偉團隊「綜述」：聚合物基三維連續網絡的導熱複合材料

2020-08-27 小材科研

近日，天津大學材料學院封偉教授團隊在材料科學頂級綜述期刊MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R-REPORTS (IF = 26.625)上發表題為「Three-dimensional Interconnected Networks for Thermally Conductive Polymer Composites: Design, Preparation, Properties, and Mechanisms」的綜述。論文第一作者為張飛博士，通訊作者為封偉教授，論文DOI：10.1016/j.mser.2020.100580

伴隨著5G、大數據、人工智慧、物聯網、工業4.0、國家重大戰略需求等領域的技術發展，電子器件正朝著高功率、高集成化和可攜式的方向發展，這亟需高效、輕質和高穩定性的熱管理材料和方案來保證電子產品的效率、可靠性、安全性、耐用性和持續穩定性。如何大幅提高導熱材料的熱導率一直是熱管理材料行業的技術痛點，也是促進消費電子、5G設備、高功率晶片、集成電路、電池等突破功率限制的關鍵。由於傳統導熱材料如金屬、無機導熱材料存在質量大、柔性差等缺點，導熱聚合物的應用正在不斷向高導熱材料領域滲透。聚合物導熱材料在成本、可加工性、柔韌性及穩定性等方面更有優勢。但絕大多數的聚合物自身的導熱性很差（一般導熱係數為0.2 ~ 0.5 W/mK），無法滿足高導熱的需求，開發高導熱的聚合物複合材料已經成為該領域的一個研究熱點。採用複合高導熱填料（如石墨烯、碳納米管、氮化硼、金屬氧化物等）是一種簡單而高效的方式來提高聚合物基體的熱導率，目前在工業生產已經有了廣泛的應用。現有的大量研究表明，在聚合物材料內部構建導熱網絡可以在低添加量的條件下實現熱導率的大幅度提高，這種三維滲流網絡（如圖1所示）可以為聲子的快速傳遞提供通道，從而加速熱量沿著三維網絡進行傳遞。


圖1. 利用高導熱填料構建三維連續網絡用於高效熱管理

封偉團隊在綜述中重點介紹了不同三維導熱網絡的構建及在製備聚合物導熱複合材料方面的最新進展，如石墨烯三維網絡、碳納米管網絡、氮化硼網絡、金屬三維導熱網絡等。討論了不同導熱材料三維網絡的構建方法、結構取向調控方法及影響導熱性能的關鍵因素（取向性、界面連接性、網絡密度等）。同時，比較了不同的填料形式（分散顆粒填料與三維連續填料網絡）對複合材料熱導率的影響。相比於共混法製備的導熱複合材料，基於三維填料網絡的複合材料在填充比、分散性、取向控制及熱導率提升率上都具有明顯的優勢。毫無疑問，三維連續導熱網絡的形成對於提升聚合物熱導率至關重要。可以預見，三維導熱填料網絡的設計將作為一種實現聚合物高導熱率的重要手段，成為新一代熱管理系統的研究熱點。

極端環境熱管理系統在能源化工、通訊衛星、高速飛行器及人工智慧等領域都發揮重要作用。導熱複合材料作為熱管理系統的關鍵材料，直接影響著其在不同環境內的熱傳導方向和效率。近年來，天津大學封偉教授團隊以高導熱碳複合材料為研究基礎，針對其存在的導熱各向異性、易損傷、壓縮回彈性差以及與高彈性難以兼顧的問題，提出了通過微觀結構設計、界面優化、分子級相互作用優化，分別實現複合材料的定向高導熱、彈性高導熱及自修復高導熱，探索其在複雜界面和極端環境熱傳導領域的應用。

在國家自然科學基金項目的支持下，團隊在高導熱材料的研究和設計上取得了一系列的原創性成果（Macromolecules, 2020, 10.1021/acs.macromol.9b02544；Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1901383；Carbon, 2019, 9, 145, 378；Carbon, 2019, 149: 281; Compos. Sci. Tech.，2019,179,10-40; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1805053; Carbon, 2018, 131: 149; Compos. Commun., 2018, 9, 33; Carbon 2017, 116, 83; Compos Part A-Appl S, 2016, 91: 351; Carbon 2016, 109, 575; Carbon 2016, 104, 157; Carbon 2014, 77, 1054.）。同時，作為中國複合材料學會導熱複合材料分會依託單位，主任委員封偉教授藉助學會組織多個學術沙龍，為導熱複合材料領域的專家和學者提供一個良好的學術交流平臺，對推動我國導熱複合材料的研究、開發及應用起到重要的作用。

來源：天津大學

論文連結

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X20300383

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