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區材料科學Top期刊）
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100449
導熱填料形成的導熱網絡對提升其復合材料的導熱性能至關重要。一般認為，導熱復合材料的導熱系數（λ）隨導熱網絡的完善而逐漸提高。目前，關于復合材料導熱網絡的研究主要集中在三個方面：導熱網絡何時形成、如何形成，以及導熱網絡對導熱性能的提升機理。導熱網絡何時形成主要涉及導熱網絡形成時的臨界體積計算，主要與導熱填料的幾何形狀和尺寸有關，一般隨其長徑比的增加而減小。如何形成導熱網絡主要涉及導熱網絡的設計構筑，包括設計異質結構導熱填料以促進填料的彼此搭接，預制導熱填料連續搭接骨架形成多維導熱通路，以及加工驅動導熱填料的取向排列等。在導熱網絡促進導熱性能提升機理方面，一般認為導熱填料形成的導熱網絡降低了導熱填料間的界面熱阻，增加了聲子傳輸的通道，同時減少了因填料-基體界面不匹配造成的聲子散射。
但目前鮮有報道導熱網絡中導熱填料通路的數量、長短、貫穿方式及其分布等對復合材料導熱性能影響的研究，以及導熱網絡形成后，復合材料的導熱系數隨導熱填料用量的繼續增加又會呈現什么樣的變化等問題也有待進一步明晰。因此，設計構筑結構、密度、分布可控的導熱網絡，從多角度研究其對復合材料導熱性能的影響，對豐富完善導熱復合材料的導熱機理并指導其實際生產具有重要的理論意義和實際應用價值。西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”（SFPC）課題組以液氮瞬冷造粒技術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筑可控的石墨導熱網絡），進而結合熱壓工藝制備石墨/石蠟導熱復合材料。通過改變石蠟球的粒徑控制導熱網絡的疏密，通過改變石墨的用量控制導熱網絡的形成與完善過程，通過對石墨/石蠟導熱復合材料表面打磨拋光、分割重組等方法控制導熱網絡的分布及完整性；并創新性地提出“導熱網絡密度”概念來解釋不同石墨/石蠟導熱復合材料之間的λ差異。結合導熱系數測試結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-石墨導熱網絡的形成過程，及其導熱網絡的疏密、分布、完整性等對石墨/石蠟導熱復合材料導熱性能的影響。
研究結果表明，在相同石墨用量和模壓壓力下，石墨/石蠟導熱復合材料的導熱網絡密度具有最佳值（此時呈現最佳的導熱性能）。相同粒徑石蠟球的石墨/石蠟導熱復合材料的λ隨導熱網絡密度的增加而提高，但提升速率逐漸平緩。當石墨用量為10 wt%、模壓壓力為200 MPa、石蠟球粒徑為2.08±0.08 mm時，石墨/石蠟導熱復合材料具有最佳的λ（1.81 W/(m·K)），遠高于相同石墨用量和模壓壓力制備的自由分散狀態的石墨/石蠟導熱復合材料的λ（0.79 W/(m·K)）。石墨/石蠟導熱復合材料表面的打磨處理（破壞導熱網絡的完整性）會使其λ大幅下降（最大λ僅為1.13 W/(m·K)）。將具有導熱網絡和自由分散狀態的石墨/石蠟導熱復合材料通過分割、重組的方式改變其導熱網絡分布，重組后石墨/石蠟復合材料的λ隨分割、重組次數增加而降低（最小λ僅為0.85 W/(m·K)）。總體而言，導熱網絡密度越高、導熱網絡分布越均勻、導熱網絡越完整，石墨/石蠟導熱復合材料的導熱性能越好。
本工作近期以“Controllable thermal conductivity in composites by constructing thermal conduction networks”為題發表于Materials Today Physics（2021, 20: 100449）上。西北工業大學化學與化工學院2018級博士研究生郭永強和2019級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家自然科學基金（51773169和51973173）、XXX重點項目（高導熱非金屬材料）、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目（2019JC-11）、西北工業大學博士論文創新基金（CX202055）以及高分子電磁功能材料陜西省“三秦學者”創新團隊的資助和支持。
論文信息：
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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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100449