高性能導熱復合材料研究獲系列進展

近期，中國科學院深圳先進技術研究院集成所先進材料中心研究員孫蓉團隊在高性能導熱復合材料研究中取得一系列進展。

現代電子器件逐漸向高度集成化和高功率化發展，如果器件內部產生的熱量得不到有效地散發，將會引起熱失效。為了保證電器器件的工作表現和壽命，有效的散熱成為了制約電子產品發展的主要因素。解決散熱問題依賴于熱管理材料的發展。導熱材料通常由導熱填料和聚合物基體組成，溶液共混是制備含有隨機分布填料的復合材料的常用方法。然而，由于內部填料之間缺少有效互連，這種復合材料的導熱性能提高率通常很低。缺少填料組成的導熱通路意味著聲子將在填料/基體的界面處發生更多的散熱，帶來更大的界面熱阻。另一方面，加入大量的填料（>60wt%/vol%）雖然會得到較為理想的導熱性能，但是卻會嚴重影響復合材料的機械性能和加工性，難以實用。因此，對于導熱復合材料，如何在一個較低的填料含量下實現高的導熱系數仍是一大挑戰。

團隊導熱小組么依民、曾小亮等通過對填料進行取向的結構設計，結合碳化硅納米線的高導熱系數和長徑比，采用冰模板法制備了宏觀取向的碳化硅線網絡，并以此為填料制備了高導熱復合材料。對于聲子來說，穿過聚合物最便捷的方式是在聚合物內部建立填料組成的通道。因此，含有高導熱線狀填料的聚合物復合材料會顯示出導熱性能的巨大提高。該復合材料的導熱提高效率是其他報道的導熱絕緣復合材料效率的3~8倍，內部具有三維互連填料網絡的高導熱復合材料在熱管理領域有很大的應用潛力。

圖1.三維碳化硅線網絡的導熱原理示意圖

該小組在三維氮化硼-石墨烯導熱網絡的構建方面也取得了研究進展。前期的研究者為了使得三維填料骨架有一定的機械強度，在三維骨架的制備過程中通常要加入粘結劑。然而，粘結劑與填料之間的聲子譜不匹配會弱化填料骨架本身的傳熱，因此含有三維填料骨架的聚合物基復合材料的導熱性能往往也不理想。項目團隊以與聲子傳輸性質相近的氮化硼和石墨烯為組裝單元，構建了取向的聲子導熱網絡。復合材料的面外導熱系數達到了5.05 Wm-1K-1，高于其他報道的氮化硼基復合材料的導熱數值。

圖2.三維氮化硼-石墨烯網絡的導熱原理示意圖

該小組還提出了一種新穎的材料成型方法。受限于成本與生產設備等因素，真空輔助抽濾技術和冰模板法自組裝技術難以實現產業化，無法為我國電子材料產業做出貢獻。因此，曾小亮課題組探索并發明了一種簡易、快速以及宏量制備導熱填料的方法。通過將含有填料的水系分散液直接滴入液氮、結合冷凍干燥以及簡易的自動推進裝置，可以成功構筑三維的氣凝膠球狀填料。這種球狀填料具有大的孔隙率和比表面積，直接參與到導熱網絡的構建當中，可以有效地提高復合材料的導熱性能，在自動推進裝置的輔助下可以實現實驗室規模的小批量生產。此外，這種特殊的微觀結構在吸附及能源領域也表現出巨大的應用潛力。

圖3.三維氣凝膠球的制備原理示意圖

這一系列工作的進展都是圍繞著“結構—性能”進行的，材料研究中解釋清楚結構與性能的關系比單純地獲得高性能更難。知其然還要知其所以然，知道了結構與性能的關系，再把各種結構的制造成型方法研究出來，那這些成果就很有可能成功商業化應用，形成新的產品甚至產業。期待結果早日商業化生產！

以上研究得到科技部重點研發專項（2017YFB0406000）、廣東省創新科研團隊（2011D052）、廣東省重點實驗室（2014B030301014）和深圳市科技計劃項目等的資助。工作結果發表文獻：Vertically Aligned and Interconnected SiC Nanowire Networks Leading to Significantly Enhanced Thermal Conductivity of Polymer Composites（《具有面外取向碳化硅線網絡的高導熱復合材料》DOI: 10.1021/acsami.8b00328）。相關論文Construction of Three-dimensional Skeleton for Polymer Composites Achieving a High Thermal Conductivity（《構建含有三維導熱網絡的高性能復合材料》DOI: 10.1002/smll.201704044）。相關論文Liquid nitrogen driven assembly of nanomaterials into spongy millispheres for various applications（《液氮驅動制備多功能三維氣凝膠球》DOI:10.1039/C8TA00310F）。

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