隨著5G時代的到來，電子產品在集成化、小型化、精密化的方向上取得了前所未有的發展。在保持高功率密度的同時也導致器件散熱問題越來越突出。 如果這些熱量不能及時排出，電子設備在運行過程中的可靠性和穩定性將受到負面影響，其壽命也將受到嚴重威脅。為了確保電子設備的長期、安全和可靠運行，研究和開發新型導熱材料已成為研制下一代電子器件的首要任務。受益于良好的柔韌性、低密度、優異的絕緣性、低成本、耐腐蝕性和易加工性等優點，導熱聚合物基復合材料已被廣泛用作5G通信、電子封裝、電氣設備、能源傳輸及航空航天等領域的熱管理材料。然而，由于聚合物中大分子鏈的無定形結構和振動可以引起大量的聲子散射，絕大多數的純聚合物都是熱絕緣體或相對較差的熱導體，較低的固有λ值在一定程度上限制了其在熱管理中的應用，因此對傳熱機理的深入理解是開發下一代導熱復合材料的先決條件。
近日，哈爾濱理工大學吳子劍副教授等人在Advanced Functional Materials上發表題為“A Roadmap Review of Thermally Conductive Polymer Composites: Critical Factors, Progress, and Prospects”的綜述文章。文章第一作者為哈爾濱理工大學碩士研究生王正芳，第一通訊作者為哈爾濱理工大學吳子劍副教授，英國諾森比亞大學Ben Bin Xu教授、UCLA賀曦敏教授、南京林業大學葛省波副教授為本文的共同通訊作者，哈爾濱理工大學為第一完成單位。
本文全面回顧了導熱聚合物復合材料領域的最新研究進展，并勾勒出技術路線圖，同時特別關注影響聚合物復合材料λ值的關鍵因素，以及如何提高λ值的熱傳導機制。本文結合微觀和宏觀，系統地介紹了材料內部的導熱機理及特性，介紹了聲子散射、聲子水動力學、電子-聲子耦合、聲子態密度等重要的理論，有利于讀者深入了解材料的內部的熱傳導機制。
圖1 聚合物基導熱復合材料研究進展部分闡述內容結構圖
圖2 填料和聚合物之間不同類型的接觸示意圖
圖3 聚合物導熱復合材料在微電子封裝領域的應用
盡管到目前為止已經取得了一些進展，但在進一步發展導熱聚合物復合材料技術方面仍有一些挑戰需要解決： (i)為了使以傳統方式制備的復合材料的導熱性能得到顯著提高，必須添加大量的導熱填料，而添加過多的導熱填料不僅會損害材料的機械性能，還會增加界面熱阻。由于引入了更多的界面，導致了更多的聲子散射點，阻礙了材料中的熱流。因此，在低填充物含量的情況下實現高熱導率仍然是當前研究的一個熱點話題。(ii)聚合物的固有λ值極低，但聚合物基體顯然占據了最大的比例，對復合材料性能的影響最大。因此，深入研究本征聚合物的導熱機制將有利于提高最終產品的λ值。(iii)對導熱聚合物復合材料的研究大多局限于理論和實驗層面。如何實現大規模工業化生產，也是未來亟待解決的問題。(iv)目前的熱傳導機制和模型并不完善，需要對熱傳導機制進行深入研究，這需要從多學科的角度來進行。計算機模擬和機器學習是建立新的熱傳導模型和設計下一代導熱產品的有力工具。(v)用不同測試設備得到的聚合物復合材料的λ值顯示出明顯的差異，熱導率的表征方法需要規范化和標準化，以使λ值具有可比性。(vi)智能材料發展迅速，設計和制備功能性導熱材料變得越來越重要，如具有高效EMI屏蔽的導熱材料、具有快速自愈能力的導熱材料和具有傳感功能的導熱材料等。
圖4 聚合物導熱復合材料在LED器件領域的應用
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202301549
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