高填充聚合物復合材料的導熱行為長期缺乏統一、可泛化的理論描述。在高填充體系中，填料間距急劇縮短、熱流路徑高度重排，使得傳統有效介質理論（EMT）在 40 vol% 以上迅速失效。如何在幾乎完整的可加工濃度范圍（0–70 vol%）內實現導熱性能的準確預測，并量化描述熱傳導的逾滲行為、揭示背后的物理機制，始終是導熱復合材料研究領域的關鍵科學問題。
近日，四川大學高分子科學與工程學院傅強/吳凱團隊提出了一種基于體心立方（BCC）結構的“最小熱阻路徑模型”。該模型通過強制熱流沿填料間的最小熱阻路徑優先傳遞，使熱流表現出明確的矢量特征。
2025年12月6日，該工作以“Thermal Conductivity Modeling Beyond the Dilute Limit Using a Body-Centered Cubic Framework for Densely Packed Polymer Composites”為題發表在《Nature Communications》上。論文的第一作者是四川大學博士生何璐，通訊作者是四川大學吳凱副研究員。
研究團隊將宏觀復合材料抽象為填料緊密堆積的 BCC 框架，并精確求解其局部熱阻網絡，從物理本質上捕捉了高填充體系中“熱流沿阻力最小路徑重新組織”的行為。雖然采用了幾何簡化，但模型仍能準確反映填料間距縮短所引發的強相互作用與路徑重構（圖1）。
圖1 BCC模型結構框架示意圖。
基于這一模型，團隊系統求解了不同體積分數、界面熱阻和路徑結構對應的等效熱阻，構建出覆蓋從稀疏到致密（0–68 vol%）的統一導熱模型（圖2），幾乎覆蓋氧化鋁、氮化鋁、氧化鋅、立方氮化硼、氮化硅等常見無機填料的全部可加工范圍。跨材料體系的大量數據驗證表明，BCC 模型在全濃度區間內均保持 R2 = 0.98、平均相對誤差（MRE）低于 20%，在不同填充量下均顯著優于 Hasselman–Johnson、Bruggeman 等經典導熱模型（圖3），為高填充復合材料導熱行為的預測提供了新的理論途徑。
圖2 BCC模型的算法流程及數據處理過程示意。
圖3 模型驗證效果及與經典導熱模型（Hasselman-Johnson、Bruggeman model）的對比。
此外，為推動模型的實際應用，研究團隊進一步開發了一套 Python 計算模塊（圖4、圖5），單次計算時間低于 10 s，可為高導熱復合材料的配方設計與性能優化提供高效、可用的預測工具。
圖4 模型的python計算模塊的流程示意圖與BCC模型的適用范圍。
圖5 程序化的python框架計算流程示意圖。
同時，該研究也為聚合物復合材料中的導熱逾滲現象提供了更具物理本質的解釋。基于 BCC 模型，團隊指出：導熱逾滲的關鍵并非傳統意義上的幾何連通性，而是“最小熱阻路徑中純基體段被逐步擠出”的動態重構過程。隨著填料體積分數不斷提高，最小熱阻路徑中的基體長度迅速壓縮，路徑總熱阻呈指數下降，從而在宏觀尺度上表現為導熱率的陡然上升。這一機制與導電逾滲具有相似性：逾滲區間實際上對應于“主導路徑的總阻值跨越數量級變化”的過程，其現象級表現即為材料熱導率的非線性變化。更為關鍵的是，界面熱阻RI在其中起決定性作用——當RI較低時，填料間的熱流連接更容易建立，最小熱阻路徑能夠充分重構，逾滲區間清晰可見；而當RI較高時，界面阻力主導傳熱行為，路徑難以有效重排，逾滲特征則被顯著削弱甚至完全消失。
該研究得到了國家重點研發計劃（2022YFB3806900）和國家自然科學基金（52522304和52373042）等項目的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67013-y
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