文章分享丨三維網(wǎng)絡填料在聚合物基復合材料導熱性能增強中的研究進展

隨著設備功率的飛躍、產(chǎn)品設計的極致小型化、元器件的高度集成以及電源配置的密集化，先進熱管理材料已成為確保設備高效運行與長期可靠性的核心要素。在眾多材料中，導熱復合材料因其獨特的性能優(yōu)勢，成為當前先進熱管理材料研究的焦點。特別地，通過在聚合物基體內(nèi)精心構(gòu)建三維導熱填料/導熱劑/導熱粉體網(wǎng)絡，能夠顯著提升復合材料的導熱性能，這一方法因此受到了廣泛的研究關注。本文將從三維導熱網(wǎng)絡的構(gòu)建策略出發(fā)，詳細分類并總結(jié)當前主要的研究方法，包括自組裝法、相分離法、模板法及取向分布法。

自組裝法：自組裝法是一種利用靜電力、氫鍵等分子間相互作用力，促使導熱填料/導熱劑/導熱粉體在溶劑中自發(fā)聚集，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的方法。此過程中，水熱還原法因其高效性而被頻繁采用。特別地，片狀填料因其易于堆疊形成多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，成為該方法的優(yōu)選材料。

相分離法：相分離法則通過熱壓、析出等手段，在聚合物基體的相界面處誘導高導熱填料/導熱劑/導熱粉體聚集，并構(gòu)建出相互連接的導熱通路。該方法允許在填充導熱填料后再進行互連處理，無需預先構(gòu)建三維網(wǎng)絡，但需注意控制相界面的引入，以避免對復合材料其他性能造成不利影響。

模板法：模板法依托于三維多孔模板，通過精確填充導熱填料/導熱劑/導熱粉體并移除模板，來構(gòu)建三維導熱網(wǎng)絡。其模板種類豐富，包括冰模板、鹽模板、泡沫模板及3D打印模板等。模板法不僅能實現(xiàn)導熱網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的精確控制，還能制備出高導熱系數(shù)的復合材料。然而，該方法面臨材料選擇受限、工藝流程復雜及工業(yè)化難度大等挑戰(zhàn)。

取向分布法：取向分布法則巧妙地利用過濾、定向凍結(jié)、磁場等手段，引導片狀或柱狀導熱填料/導熱劑/導熱粉體在聚合物基體中按特定方向排列，從而制備出導熱性能增強且具有各向異性的復合材料。其中，利用冰晶生長或抽濾技術(shù)控制填料取向分布的方法，以其低成本和高效性備受青睞。然而，該方法對填料形態(tài)有一定要求，且難以實現(xiàn)高度定制化。

結(jié)論：展望未來，三維網(wǎng)絡填料增強的聚合物基導熱復合材料將在多個方面迎來新的發(fā)展機遇。首先，需進一步優(yōu)化導熱填料/導熱劑/導熱粉體分布與三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)導熱性能的精準調(diào)控與可控制備。其次，應致力于降低制備成本，探索大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的可行路徑。同時，界面熱阻作為制約導熱性能提升的關鍵因素，需通過深入研究與創(chuàng)新技術(shù)來加以克服。最后，多性能并重的發(fā)展趨勢將引導我們在提升導熱性能的同時，兼顧輕量化、高強度等多元化需求，以滿足不同行業(yè)對高性能熱管理材料的迫切需求。

內(nèi)容來源：周正榮, 顏秀文, 何峰, 等. 三維網(wǎng)絡填料增強聚合物基復合材料導熱性能的研究進展[J]. 復合材料學報, 2024, 41(7): 3301-3321.