日前，四川大學(xué)傅強教授/吳凱副研究員團隊報道了一種“具有金屬級導(dǎo)熱系數(shù)和可控導(dǎo)熱路徑的全有機聚合物塊狀材料”，他們的策略是在聚合物基體內(nèi)、以全程連續(xù)的高分子聚乙烯纖維（PEMF）定構(gòu)聲子的傳熱高速通道、減少因聚合物-PEMF兩相界面所引起的聲子散射，賦予了有機聚合物材料金屬級別的定向?qū)崮芰Α⒁约皞鳠崧窂娇扇嵝远ㄖ频奶攸c（圖1）。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于材料領(lǐng)域優(yōu)秀期刊Advanced Science上。
圖1. PDMS/PEMF有機聚合物塊狀材料的加工定構(gòu)示意圖和可控傳熱的熱成像記錄
絕緣導(dǎo)熱高分子材料在電子器件熱管理和新能源技術(shù)中具有重要的應(yīng)用價值，但是他們本征的低導(dǎo)熱系數(shù)極大地限制了其在高功率器件方面的實際作用。目前主流的方法是往聚合物基體內(nèi)引入導(dǎo)熱系數(shù)更高的微米/納米填料，通過控制填料的含量、分散或分布提高聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。但是，由于微/納米填料的巨大比表面以及其與聚合物基體的聲子振動和擴散模式的不匹配，兩者共混改性不可避免地會在聚合物與填料的界面處帶來嚴(yán)重的聲子散射問題。即使可以通過調(diào)控填料之間的搭接部分降低聚合物-填料或填料-填料之間的界面熱阻，但復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到填料本征的數(shù)值。此外，通過調(diào)控填料取向的方向，目前可以調(diào)控復(fù)合材料在面內(nèi)/面外方向的導(dǎo)熱系數(shù)，讓熱源處的熱量更容易沿著復(fù)合材料的取向方向傳遞，但是若是在復(fù)合材料內(nèi)部構(gòu)建更為復(fù)雜的傳熱路徑，還需要更加獨特的復(fù)合材料成型加工方法。總而言之，到目前為止，開發(fā)導(dǎo)熱系數(shù)10 W/m K以上的復(fù)合材料仍是一個巨大的挑戰(zhàn)，而如何進一步調(diào)控?zé)崃吭谶@種高導(dǎo)熱復(fù)合材料內(nèi)部的傳導(dǎo)路徑更是一件十分有趣、而又困難的事情。
圖2. PDMS/PEMF復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
低維的高分子材料，特別是高度拉伸取向的纖維或薄膜，在特定方向具有非常優(yōu)異的導(dǎo)熱能力，例如PE纖維的導(dǎo)熱系數(shù)可以高達(dá)100 W/m K，但如何將上述PE纖維的優(yōu)點拓展到三維的聚合物塊體材料中目前還尚未有系統(tǒng)性的嘗試。針對上述所提到的幾個問題和挑戰(zhàn)，在本文中，他們利用PEMF長度方向高導(dǎo)熱的特點，通過模具加工、真空浸漬以及高壓水切割的方法可控定構(gòu)了垂直方向高導(dǎo)熱的PDMS/PEMF絕緣復(fù)合材料。如圖2所示，由于PEMF可以在米級尺度上保持完整的連續(xù)狀態(tài)，不會在傳熱方向引入任何的PDMS-PEMF微觀界面，因此該復(fù)合材料的垂直導(dǎo)熱系數(shù)可以高達(dá)38.27 W/m K，其性能甚至可以比擬一些金屬材料，如不銹鋼等。此外，這種全有機的材料還具有優(yōu)異的絕緣能力，極好的介電性能，以及輕質(zhì)的特點，其絕緣導(dǎo)熱系數(shù)幾乎超過了目前所報道的所有三維塊體材料。
圖3. PDMS/PEMF復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
圖3中，他們根據(jù)EMT線性模型和Foygel非線性模型分別擬合了PDMS/PEMF復(fù)合材料內(nèi)部多相界面的熱阻大小，發(fā)現(xiàn)：正是由于這種全程連續(xù)的PEMF導(dǎo)熱通路，多相體系之間的界面熱阻，包括PDMS-PEMF界面熱阻（≈ 0 m2 K W-1）、PEMF內(nèi)晶區(qū)與非晶區(qū)的界面熱阻（7.77*10-9 m2 K W-1）、PEMF晶區(qū)間的界面熱阻（4.1*10-11 m2 K W-1）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)的聚合物/填料共混填充體系（10-6 – 10-9 m2 K W-1）。
除此之外，這種連續(xù)的有機高分子纖維相比于剛性的無機填料，還具有柔性的特點，其受到較小的外力作用就能彎曲變形，以改變PEMF纖維束在PDMS基體內(nèi)的構(gòu)型。因此，設(shè)計特定的成型加工模具，他們可以自由地設(shè)計PEMF纖維束的形狀和取向方向，賦予PDMS/PEMF復(fù)合材料特定的傳熱路徑。從圖3中發(fā)現(xiàn)，從熱源處傳遞出來的熱量僅沿著PEMF纖維束的長度方向傳播，甚至可以沿著特定的方向發(fā)生拐彎和扭轉(zhuǎn)，這是一種非常有趣的現(xiàn)象，主要歸因于纖維束長度和直徑方向極大的導(dǎo)熱性差異。
圖4. PDMS/PEMF復(fù)合材料作為熱界面材料使用時的熱管理性能
圖4中，他們分別將PDMS/PEMF這種材料用于LED和COB封裝芯片的熱管理上面。值得一提的是，PDMS/PEMF這種全有機的高分子材料具有類似于不銹鋼金屬的散熱能力，其在COB芯片上的散熱效果可以比擬使用大功率風(fēng)扇后的熱管理效果，顯示出極其優(yōu)異的應(yīng)用潛力。
當(dāng)然，研究人員也認(rèn)為這種復(fù)合材料的制備方法仍然存在很多需要改進的地方，亟待進一步的研究。例如：（1）受限于高壓水切割技術(shù)，PDMS/PEMF材料的厚度無法做的很薄，對于界面間距比較小的發(fā)熱器件還不太適用；（2）PDMS/PEMF材料在特定壓力作用下，導(dǎo)熱系數(shù)有所下降，且無法很好的恢復(fù)；（3）PEMF在150度高溫環(huán)境下分子鏈容易解取向，引起導(dǎo)熱系數(shù)下降，復(fù)合材料的耐熱性能不佳。但是，他們也相信，跳出聚合物/填料填充改性這類思維屏障，這種以連續(xù)有機高分子纖維定構(gòu)導(dǎo)熱復(fù)合材料的全新策略很有可能為制備高絕緣導(dǎo)熱的復(fù)合材料提供嶄新的契機。
相關(guān)成果以“Fully Organic Bulk Polymer with Metallic Thermal Conductivity and Tunable Thermal Pathways”發(fā)表在Advanced Science（Advanced Science, 2021, 2004821, DOI: 10.1002/advs.202004821）上。南京理工大學(xué)和四川大學(xué)高分子學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生張永正和四川大學(xué)碩士畢業(yè)生雷楚昕為本論文的共同第一作者，通訊作者為四川大學(xué)高分子學(xué)院的傅強教授和吳凱副研究員。感謝國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目（No. 51721091）、江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（No. BK20200501）、四川大學(xué)雙百計劃對本工作的大力支持！特別感謝浙江大學(xué)謝濤教授對該工作的討論、指導(dǎo)和建議！
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202004821
