Yongqiang Guo#, Kunpeng Ruan# and Junwei Gu*. Controllable thermal conductivity in composites by constructing thermal conduction networks. Materials Today Physics, 2021, 20: 100449. 2019IF=10.443.（1區(qū)材料科學(xué)Top期刊）
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100449
導(dǎo)熱填料形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)對(duì)提升其復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能至關(guān)重要。一般認(rèn)為，導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)（λ）隨導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的完善而逐漸提高。目前，關(guān)于復(fù)合材料導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在三個(gè)方面：導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)何時(shí)形成、如何形成，以及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)對(duì)導(dǎo)熱性能的提升機(jī)理。導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)何時(shí)形成主要涉及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成時(shí)的臨界體積計(jì)算，主要與導(dǎo)熱填料的幾何形狀和尺寸有關(guān)，一般隨其長(zhǎng)徑比的增加而減小。如何形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)主要涉及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)構(gòu)筑，包括設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱填料以促進(jìn)填料的彼此搭接，預(yù)制導(dǎo)熱填料連續(xù)搭接骨架形成多維導(dǎo)熱通路，以及加工驅(qū)動(dòng)導(dǎo)熱填料的取向排列等。在導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)導(dǎo)熱性能提升機(jī)理方面，一般認(rèn)為導(dǎo)熱填料形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)降低了導(dǎo)熱填料間的界面熱阻，增加了聲子傳輸?shù)耐ǖ?，同時(shí)減少了因填料-基體界面不匹配造成的聲子散射。
但目前鮮有報(bào)道導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)熱填料通路的數(shù)量、長(zhǎng)短、貫穿方式及其分布等對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響的研究，以及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成后，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨導(dǎo)熱填料用量的繼續(xù)增加又會(huì)呈現(xiàn)什么樣的變化等問題也有待進(jìn)一步明晰。因此，設(shè)計(jì)構(gòu)筑結(jié)構(gòu)、密度、分布可控的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從多角度研究其對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，對(duì)豐富完善導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱機(jī)理并指導(dǎo)其實(shí)際生產(chǎn)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院顧軍渭教授“結(jié)構(gòu)/功能高分子復(fù)合材料”（SFPC）課題組以液氮瞬冷造粒技術(shù)制備出不同粒徑的石蠟球，采用微融覆法在石蠟球表面包覆石墨（旨在石蠟相界面間構(gòu)筑可控的石墨導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)），進(jìn)而結(jié)合熱壓工藝制備石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料。通過改變石蠟球的粒徑控制導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的疏密，通過改變石墨的用量控制導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成與完善過程，通過對(duì)石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料表面打磨拋光、分割重組等方法控制導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的分布及完整性；并創(chuàng)新性地提出“導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)密度”概念來解釋不同石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料之間的λ差異。結(jié)合導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果和紅外熱成像的溫度梯度圖像，深入探析石蠟相界面間石墨-石墨導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成過程，及其導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的疏密、分布、完整性等對(duì)石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。
研究結(jié)果表明，在相同石墨用量和模壓壓力下，石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)密度具有最佳值（此時(shí)呈現(xiàn)最佳的導(dǎo)熱性能）。相同粒徑石蠟球的石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料的λ隨導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)密度的增加而提高，但提升速率逐漸平緩。當(dāng)石墨用量為10 wt%、模壓壓力為200 MPa、石蠟球粒徑為2.08±0.08 mm時(shí)，石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料具有最佳的λ（1.81 W/(m·K)），遠(yuǎn)高于相同石墨用量和模壓壓力制備的自由分散狀態(tài)的石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料的λ（0.79 W/(m·K)）。石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料表面的打磨處理（破壞導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的完整性）會(huì)使其λ大幅下降（最大λ僅為1.13 W/(m·K)）。將具有導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)和自由分散狀態(tài)的石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料通過分割、重組的方式改變其導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)分布，重組后石墨/石蠟復(fù)合材料的λ隨分割、重組次數(shù)增加而降低（最小λ僅為0.85 W/(m·K)）?？傮w而言，導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)密度越高、導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)分布越均勻、導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)越完整，石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能越好。
本工作近期以“Controllable thermal conductivity in composites by constructing thermal conduction networks”為題發(fā)表于Materials Today Physics（2021, 20: 100449）上。西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院2018級(jí)博士研究生郭永強(qiáng)和2019級(jí)博士研究生阮坤鵬為本文的共同第一作者，顧軍渭教授為通訊作者。本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51773169和51973173）、XXX重點(diǎn)項(xiàng)目（高導(dǎo)熱非金屬材料）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)計(jì)劃杰出青年基金項(xiàng)目（2019JC-11）、西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金（CX202055）以及高分子電磁功能材料陜西省“三秦學(xué)者”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的資助和支持。
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Yongqiang Guo#, Kunpeng Ruan#, and Junwei Gu*. Controllable thermal conductivity in composites by constructing thermal conduction networks. Materials Today Physics, 2021, 20: 100449.
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