天津大学封伟团队【综述】：聚合物基三维连续网络的导热复合材料

近日，天津大学材料学院封伟教授团队在材料科学顶级综述期刊MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING R-REPORTS(IF = 26.625)上发表题为“Three-dimensional Interconnected Networks for Thermally Conductive Polymer Composites: Design, Preparation, Properties, and Mechanisms”的综述。论文第一作者为张飞博士，通讯作者为封伟教授，论文DOI：10.1016/j.mser.2020.100580

伴随着5G、大数据、人工智能、物联网、工业4.0、国家重大战略需求等领域的技术发展，电子器件正朝着高功率、高集成化和便携式的方向发展，这亟需高效、轻质和高稳定性的热管理材料和方案来保证电子产品的效率、可靠性、安全性、耐用性和持续稳定性。如何大幅提高导热材料的热导率一直是热管理材料行业的技术痛点，也是促进消费电子、5G设备、高功率芯片、集成电路、电池等突破功率限制的关键。由于传统导热材料如金属、无机导热材料存在质量大、柔性差等缺点，导热聚合物的应用正在不断向高导热材料领域渗透。聚合物导热材料在成本、可加工性、柔韧性及稳定性等方面更有优势。但绝大多数的聚合物自身的导热性很差（一般导热系数为0.2 ~ 0.5 W/mK），无法满足高导热的需求，开发高导热的聚合物复合材料已经成为该领域的一个研究热点。采用复合高导热填料（如石墨烯、碳纳米管、氮化硼、金属氧化物等）是一种简单而高效的方式来提高聚合物基体的热导率，目前在工业生产已经有了广泛的应用。现有的大量研究表明，在聚合物材料内部构建导热网络可以在低添加量的条件下实现热导率的大幅度提高，这种三维渗流网络（如图1所示）可以为声子的快速传递提供通道，从而加速热量沿着三维网络进行传递。

图1. 利用高导热填料构建三维连续网络用于高效热管理

封伟团队在综述中重点介绍了不同三维导热网络的构建及在制备聚合物导热复合材料方面的最新进展，如石墨烯三维网络、碳纳米管网络、氮化硼网络、金属三维导热网络等。讨论了不同导热材料三维网络的构建方法、结构取向调控方法及影响导热性能的关键因素（取向性、界面连接性、网络密度等）。同时，比较了不同的填料形式（分散颗粒填料与三维连续填料网络）对复合材料热导率的影响。相比于共混法制备的导热复合材料，基于三维填料网络的复合材料在填充比、分散性、取向控制及热导率提升率上都具有明显的优势。毫无疑问，三维连续导热网络的形成对于提升聚合物热导率至关重要。可以预见，三维导热填料网络的设计将作为一种实现聚合物高导热率的重要手段，成为新一代热管理系统的研究热点。

极端环境热管理系统在能源化工、通讯卫星、高速飞行器及人工智能等领域都发挥重要作用。导热复合材料作为热管理系统的关键材料，直接影响着其在不同环境内的热传导方向和效率。近年来，天津大学封伟教授团队以高导热碳复合材料为研究基础，针对其存在的导热各向异性、易损伤、压缩回弹性差以及与高弹性难以兼顾的问题，提出了通过微观结构设计、界面优化、分子级相互作用优化，分别实现复合材料的定向高导热、弹性高导热及自修复高导热，探索其在复杂界面和极端环境热传导领域的应用。

在国家自然科学基金项目的支持下，团队在高导热材料的研究和设计上取得了一系列的原创性成果（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.）。同时，作为中国复合材料学会导热复合材料分会依托单位，主任委员封伟教授借助学会组织多个学术沙龙，为导热复合材料领域的专家和学者提供一个良好的学术交流平台，对推动我国导热复合材料的研究、开发及应用起到重要的作用。

来源：天津大学

论文链接

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

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