聚合物基三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)熱復(fù)合材料

熱設(shè)計 2021-01-18

天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊以《Three-dimensional Interconnected Networks for Thermally Conductive Polymer Composites: Design, Preparation, Properties, and Mechanisms》為題在Materials Science & Engineering: R: Reports（IF=26.625）雜志上發(fā)表綜述文章，全面介紹了三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及在制備聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料方面的研究。

開發(fā)高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料已經(jīng)成為熱管理領(lǐng)域的一個研究熱點。高功率、高集成度電子器件等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對高效熱管理系統(tǒng)要求越來越高。而高性能熱界面材料作為熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵材料，要求具有輕質(zhì)、高導(dǎo)熱、高穩(wěn)定性和彈性等性能。

傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料如金屬、無機(jī)導(dǎo)熱材料有質(zhì)量大、柔性差等缺點，導(dǎo)熱聚合物的應(yīng)用發(fā)展正不斷向高導(dǎo)熱材料領(lǐng)域滲透。將聚合物與高導(dǎo)熱填料復(fù)合是制備導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的一個簡單、高效的策略。對于具有重要的意義，以三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)作為填料與聚合物復(fù)合，可以提高復(fù)合均勻性以及減少聲子界面散射，有效提高復(fù)合材料導(dǎo)熱效率。

本征型導(dǎo)熱聚合物

通過調(diào)控聚合物分子鏈提高熱導(dǎo)率

聚合物分子鏈的無序性和分子鏈間相互作用弱是導(dǎo)致聚合物熱導(dǎo)率低的主要原因，聚合物鏈的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)和隨機(jī)振動極大地降低了聲子的平均自由程，造成大量的聲子散射。通過提高聚合物的結(jié)晶度、改善聚合物鏈的取向性、增強分子鏈間的相互作用，可以有效地改善聲子在聚合物鏈上的傳遞，從而提高聚合物的熱導(dǎo)率。目前，增強分子鏈的排列和結(jié)晶度的最常用方法是拉伸形成聚合物纖維或薄膜，這種特殊的形態(tài)限制了其實際應(yīng)用。在大范圍內(nèi)對聚合物的結(jié)晶度和分子鏈取向進(jìn)行調(diào)控仍然是一個難以解決的問題。

分散填料型聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料

大量填充導(dǎo)熱填料以提升聚合物的熱導(dǎo)率

聚合物的導(dǎo)熱性能可通過直接填充導(dǎo)熱填料來改善，但其往往需要極大的填充量才可以達(dá)到理想的熱導(dǎo)率，同時還需要解決填料的分散性和界面相容性問題。復(fù)合材料的低填料含量其熱導(dǎo)率值改善較差，而高填料含量會削弱聚合物的加工性能和力學(xué)性能。

預(yù)制三維網(wǎng)絡(luò)型導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料

三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)提升聚合物熱擴(kuò)散性能

在制備高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料方面，相比于分散的填料顆粒，三維網(wǎng)絡(luò)的連通結(jié)構(gòu)具有較小的界面熱阻，更具有優(yōu)勢。首先，預(yù)構(gòu)建的三維連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)可以保證填料在聚合物基體中均勻分散，克服填料制備過程中團(tuán)聚的缺點。其次，聚合物中相互連接的填料網(wǎng)絡(luò)提供了更多的傳熱通道，并通過降低界面熱阻的負(fù)面影響來增加熱導(dǎo)率。第三，三維網(wǎng)絡(luò)的預(yù)構(gòu)建使取向性調(diào)控更加容易。

三維石墨烯導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)

三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法

三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法包括化學(xué)氣相沉淀（CVD）、電化學(xué)、氧化石墨烯(GO)網(wǎng)絡(luò)還原、自組裝、三維打印、模板法等。石墨烯晶體質(zhì)量、結(jié)構(gòu)取向及網(wǎng)絡(luò)密度影響聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

三維碳納米管導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)

碳納米管氣凝膠中的界面熱阻

增強碳納米管之間連接構(gòu)建連續(xù)網(wǎng)絡(luò)

三維碳納米管網(wǎng)絡(luò)主要包括碳納米管陣列和碳納米管氣凝膠。碳納米管陣列高取向性使其在制備定向高導(dǎo)熱復(fù)合材料方面具有極大的優(yōu)勢。由于個體碳管之間存在的界面熱阻，三維的碳納米管氣凝膠熱導(dǎo)率較差，提高碳管之間的界面連接，是提升其熱導(dǎo)率的關(guān)鍵。

三維氮化硼導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)

氮化硼的電絕緣性使其在在微電子方面的熱管理領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。氮化硼納米片的自組裝或CVD原位生長可構(gòu)建三維氮化硼骨架。氮化硼復(fù)合材料的骨架密度應(yīng)足夠高，可提供足夠數(shù)量的傳熱通道。調(diào)整氮化硼網(wǎng)絡(luò)的取向方向可以控制熱傳導(dǎo)復(fù)合材料中不同方向的熱導(dǎo)率值。

其他三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)

常用的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)包括金屬導(dǎo)熱骨架、金剛石導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)、碳化硅網(wǎng)絡(luò)、氧化鋁網(wǎng)絡(luò)及雜化導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)等。

復(fù)合材料中原位構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)

在制備聚合物復(fù)合材料過程中原位構(gòu)建互連的填料網(wǎng)絡(luò)是另一種簡單和可行的方法。通過導(dǎo)熱填料涂覆聚合物顆粒，再利用熱壓成型工藝，實現(xiàn)導(dǎo)熱填料在聚合物基體中形成三維連續(xù)結(jié)構(gòu)。但完全包覆的填充顆粒會造成復(fù)合材料中形成不連續(xù)的聚合物相，從而影響宏觀材料的力學(xué)性能。