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MSER：聚合物基三維連續網絡的導熱復合材料

伴隨著5G、大數據、人工智能、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、高集成化和便攜式的方向發展，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、高功率芯片、集成電路、電池等突破功率限制的關鍵。由于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（一般導熱系數為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復合材料已經成為該領域的一個研究熱點。采用復合高導熱填料（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。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制備聚合物導熱復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）對復合材料熱導率的影響。相比于共混法制備的導熱復合材料，基于三維填料網絡的復合材料在填充比、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于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能等領域都發揮重要作用。導熱復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復合材料為研究基礎，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，分別實現復合材料的定向高導熱、彈性高導熱及自修復高導熱，探索其在復雜界面和極端環境熱傳導領域的應用。

天津大學 2021-02-01

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