聚合物基三維連續(xù)網(wǎng)絡的導熱復合材料

熱設計 2021-01-18

天津大學封偉教授團隊以《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，全面介紹了三維導熱網(wǎng)絡的構建及在制備聚合物基導熱復合材料方面的研究。

開發(fā)高導熱聚合物復合材料已經(jīng)成為熱管理領域的一個研究熱點。高功率、高集成度電子器件等領域的快速發(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)的關鍵材料，要求具有輕質、高導熱、高穩(wěn)定性和彈性等性能。

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

本征型導熱聚合物

通過調(diào)控聚合物分子鏈提高熱導率

聚合物分子鏈的無序性和分子鏈間相互作用弱是導致聚合物熱導率低的主要原因，聚合物鏈的非晶態(tài)結構和隨機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率。目前，增強分子鏈的排列和結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)限制了其實際應用。在大范圍內(nèi)對聚合物的結晶度和分子鏈取向進行調(diào)控仍然是一個難以解決的問題。

分散填料型聚合物導熱復合材料

大量填充導熱填料以提升聚合物的熱導率

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

預制三維網(wǎng)絡型導熱聚合物復合材料

三維導熱網(wǎng)絡提升聚合物熱擴散性能

在制備高性能導熱復合材料方面，相比于分散的填料顆粒，三維網(wǎng)絡的連通結構具有較小的界面熱阻，更具有優(yōu)勢。首先，預構建的三維連續(xù)導熱網(wǎng)絡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聚的缺點。其次，聚合物中相互連接的填料網(wǎng)絡提供了更多的傳熱通道，并通過降低界面熱阻的負面影響來增加熱導率。第三，三維網(wǎng)絡的預構建使取向性調(diào)控更加容易。

三維石墨烯導熱網(wǎng)絡