《Prog. Mater. Sci.》高导热聚合物最新综述！

来源 |Progress in Materials Science

原文 |https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101362

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背景介绍

电子/微电子器件正朝着小型化和高密度集成化的方向发展。电子设备的热管理问题日益突出。电子器件的高功率密度、高频率、高集成度必然会产生大量的热量。根据研究报告，5G电子设备产生的热量是4G的三倍。如果不能及时散热，将严重影响设备的正常工作和使用寿命。此外，在温度过高的环境下工作，也会影响材料的绝缘性能、机械性能和稳定性。因此，开发新型高导热复合材料对于解决电子器件的热管理问题至关重要。

高分子复合材料具有重量轻、密度低、可加工、电绝缘等特点，广泛应用于日常生活和工业生产的各个方面。然而，固有的低导热系数将严重影响复合材料在需要快速散热的场景中的应用。为了提高导热性 复合材料中，通常在聚合物基体中加入导热填料，使复合材料具有较高的导热性，并考虑到复合材料优异的综合性能。目前，高导热复合材料在电子封装、电机隔热、LED器件和电池热管理等方面有着广泛的研究和应用。。最常用的导热填料有氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、石墨烯等。近年来，研究人员主要关注填料尺寸、结构、表面形貌以及填料在聚合物基体中的分布状态对复合材料导热性能的影响。提高基体与填料之间的界面相容性可以促进填料在基体中的分散，从而避免填料之间的团聚，实现较低的界面热阻。

为了提高复合材料的导热性，人们做了很多努力。从聚合物基体出发，通过调节基体的初级近端结构和次级远端结构，有效地提高了复合材料的导热性。从导热填料的选择和改性、成型工艺和外界因素入手，通过控制导热填料在聚合物基体中的取向，构建有效的传热路径，提高复合材料的导热性。然而，与均相本质导热聚合物相比，双组分或多相复合材料由于引入了额外的相而产生了更多的新界面。填充成分的添加量越高，形成的界面数量越多，这将对复合材料导热性的提高产生不利影响。复合材料界面结合弱也会导致力学性能的恶化。优异的界面性能也提高了复合材料的热、绝缘和介电性能。近二十年来，导热复合材料界面的研究引起了广泛的关注，但这仍然是一个需要克服的技术挑战。

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成果掠影

近日，北京科技大学查俊伟团队针对如何有效地控制界面行为，降低界面热阻取得最新成果。 本文综述了复合材料的导热机理和导热理论，深入分析了界面热阻对声子传热的影响。 从填料的非定向结构设计、填料的共掺杂和多层结构设计三个方面阐述了基于界面调节策略提高复合材料导热性能的重要性。 结合目前的研究现状，介绍了导热复合材料的多功能性。 希望本文的研究对聚合物基导热复合 材料的研究具有一定的指导意义。 研究成果以“ Polymer composites with high thermal conductivity: Theory, simulation, structure and interfacial regulation ”为题发表 在《Progress in M ateria ls Science 》期刊。

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图文导读

图1 界面调节提高导热系数的有效策略示意图

图2 热传导机理示意图

图3 复合材料界面层传热示意图

图4 (a) ae-BN/PI和h-BN/PI复合材料的结构模型。(b) ae-BN/PI复合材料的热边界电阻随温度和δ的变化规律。(c) MWCNTs/PEEK复合材料的Foygel模型拟合曲线。(d) Vc的切线拟合(e) BN/CNTs/NR复合材料的Foygel模型拟合过程。(f-k)纳米颗粒/纳米管/聚合物、纳米颗粒/纳米片/聚合物和纳米管/纳米片/聚合物复合材料的有效导热系数与填料质量分数的关系示意图

图5 (a) rGO/g-C3N4薄膜模型。(b) rGO与/g-C3N4界面处的温差。(c) rGO与rGO界面温度差。(d) rGO与g-C3N4成键区声子谱。(e)氧化石墨烯与gC3N4非键合区的声子谱。(f) 10 nm纳米粒子相互作用图:(1)分子间力耦合，(2)在340 K下形成共价键，(3)在2000 K退火后在340 K下形成共价键。(g)“缓冲”有限元模拟模型示意图。(h)粒子叠加生成的复合结构示意图。(i) FEA计算不同接触面积复合材料的有效导热系数;(j) FEA计算不同AgMP和AgNP体积比复合材料的导热系数

图6所示。(a)基于ML的人工神经网络网络(ANN)结构示意图。(b) ANN-10 - 50-10网络拟合结果，显示了ae-BN/PI复合膜的导热系数与温度和填充量的关系。(c) 293种材料的二维MDS图。性能包括热容量、密度、熔点、单体电池体积、组成比、原子座标(AC)、电负性(EN)、电离势(IP)、质量和结合能。(d)前100种高界面热阻材料的LSBoost、GPRs和svm预测。(e)多尺度模拟方案。(f) RVE立方体和网格模型。

图7 (a) cnn的TEM图像。(b) PI/CNNS薄膜的SEM横截面图。(c) PI/CNNS薄膜的形成过程及CNNS取向图。(d) PI/CNNS薄膜导热系数，(e) EMT模型拟合，(f) Foygel模型拟合。

图8 Ca2+-CNFs/BNNS/c-CNTs复合材料:(a)制备示意图。(b)界面相互作用结构模型;(c)面内和面外导热系数

图9 (a) M@GNSx/PI复合材料制备示意图。(b)弯曲试验后M@GNS15/PI的热扩散率和导热系数。(c)和(d)、(e)和(f)、(g)和(h)分别为纯PI、GNS15/PI和M@GNS15/PI的有限元温度分布

图10 (a)和(b) CNTs@BN杂化填料的制备工艺及反应机理。(c) BN， (d) CNTs， (e) CNTs@BN (BN: CNTs = 20:1)， (f) 30% wt% CNTs@BN/EVA复合膜的SEM图像。(g)不同BN / CNTs质量比的EVA复合材料的面内导热系数(CNTs@BN填充5 vol%)。(h) CNTs@BN/EVA复合材料的面内导热系数和(i)相应的增强率(BN: CNTs = 20:1)

图11 (a) E-G@C-P3HT/PVA复合材料的制备示意图。(b) π-π相互作用和阳离子-π相互作用的传热机理。(c) E-G@C-P3HT/PVA复合材料的面内和(d)面外导热系数

图12 (a) P(DMA-HEMA)共聚物的合成。(b)不同DMA:HEMA比例下P(DMA-HEMA)和P(DMA-HEMA)/ VACNT复合材料的结合强度和(c)导热系数。(d) P(DMA-HEMA)与vacnt之间的声子输运和相互作用示意图

图13 不同CF网络的纳米复合材料传热示意图

图14 (a)真空过滤法制备多层BNNS/ANF膜的结构图。(b)正多层梯度和(c)负多层梯度BNNS/ ANF薄膜图。(d)单层BNNS/ANF薄膜的面内、面外导热系数。(e)正、负多层梯度BNNS/ANF薄膜的导热系数

图15 (a) PVA/BNNS复合材料制备示意图。(b)不同喷涂时间下PVA/BNNS复合材料的导热系数。(c) PVA/BNNS复合材料导热系数的各向异性。(d)重叠BNNS复合材料示意图

图16 (a)导热系数与力学性能、壁密度的关系示意图。PBNF复合材料:(b)壁密度图，(c)导热增强，(d)抗拉强度，(e)杨氏模量，(f)韧性与壁密度的关系。 多层梯度BNNS/ANF薄膜:(g)断裂机理示意图;(h) 9%应变下的有限元模拟

图17 MgAl-LDO/rGO-s/CNF薄膜(a)制备原理图，(b)热传导路径图，(c)导热系数，(d)界面相互作用建模，(e)体积电阻率

图18 (a) CaF2/PI复合膜“晶状相”结构诱导的传热路径示意图。(b) IL-10 vol% CaF2/PI复合膜的SEM横截面图。(c)纯PI和CaF2/PI复合膜的面内导热系数，(d)介电常数，(e)介电损耗。(f)纯PI、5 vol% CaF2/PI、10 vol% CaF2/PI和IL-10 vol% CaF2/PI薄膜的偏振显微镜图像。(g)热声发生器的操作和测量示意图