【前言背景】
隨著電子設備向高功率密度和高集成度的方向發展，散熱正逐漸成為制約電子設備高效率和壽命的主要問題。因此如何實現高效的散熱正逐漸成為研究的重要方向，而定向傳熱被認為是解決電子設備的散熱的重要途徑。
近日，上海第二工業大學節能與新能源材料研究團隊對二維材料的各向異性傳熱特性進行了概述。文章主要介紹了二維材料的本征各向異性傳熱，影響因素和控制手段；二維材料薄膜的制備方法及宏觀各向異性熱性能的影響因素；二維材料在基體中的定向排列技術以及復合材料宏觀各向異性熱性能的影響因素。相關綜述以”Anisotropic heat transfer properties of two-dimensional
materials”為題發表于《Nanotechnology》上。 （DOI：https://doi.org/10.1088/1361-6528/abdb15）該工作的第一作者為上海第二工業大學碩士研究生楊家偉。通訊作者分別為上海第二工業大學于偉教授，共同通訊作者為邵陽學院劉長青副教授。
圖1. 各向異性二維傳熱材料的分類與應用
【二維材料的本征各向異性傳熱特性】
二維材料，例如石墨烯，氮化硼（BN），黑磷（BP），層狀過渡金屬化合物和Mxene，由于其獨特的分層結構而具有顯著的各向異性傳熱特性。它主要受二維材料的結構參數和表面狀態的影響，當然制備方法的影響也非常大。例如二維材料的本征各向異性熱輸運可以通過熱還原和化學處理來調節。圖2顯示了常見的二維材料本征各向異性傳熱特性的影響因素和控制手段。
【薄膜材料】
圖2. 二維材料制備方法以及影響各向異性傳熱的因素
圖3. 不同方向上BNNs和hBNNs的熱性能、不同方向上的散熱表現
圖4. BP納米帶的制備及其各向異性特點
圖3和圖4分別顯示了兩種不同的二維材料氮化硼和黑磷的各向異性熱輸運的特點。在不同的方向上熱導率呈現不同的值，而且長度和厚度也對熱導率產生影響。通過對二維材料各向異性熱輸運特點的討論，分析影響二維熱性能的因素，而通過調整和控制這些因素可以有效的實現二維材料各向異性熱輸運，從而為提高電子器件的散熱提供新的途徑。
【二維薄膜材料】
由二維材料作為基質或填料組成的薄膜同樣具有出色的各向異性熱性能。研究發現可以使用一些相關的合成工藝，例如化學氣相沉積，逐層組裝，靜電紡絲和真空輔助過濾來獲得二維復合膜。二維薄膜的各向異性熱特性受其自身尺寸和表面特性的影響，除此之外，二維材料在膜中的排列也可以影響各向異性熱導率。
圖5.純CNF和Ti3C2 / CNF復合膜在不同方向上的熱性能
在目前的研究中發現熱導率對溫度有一定的依賴性。隨著溫度的升高，導熱系數在各向異性方面也表現出不同的特性。隨著溫度升高，Ti3C2 / CNF膜的熱導率也增加。如圖5，二維復合膜的熱導率高于純CNF的熱導率，但面內熱導率高于法相熱導率，顯示出熱輸運的各向異性。
【基于二維復合材料的宏觀各向異性傳熱性能】
基于具有各向異性傳熱的二維材料作為填料來制備復合材料，在智能熱管理中顯示出廣闊的應用前景。二維材料各向異性傳熱特性可以通過磁場，電場和模板方法的定向調制來優化，例如可以通過選擇的模板制備具有所需結構的復合材料。通過宏觀調控二維材料的熱性能，更好地服務于智能設備（如電子設備）的熱管理（圖6）。
圖6.基于二維材料作為填料制備的復合材料的宏觀各向異性傳熱性能的調控與應用
圖7.通過磁場進行調控石墨烯懸浮液
通過磁場和電場外界調節可以實現二維材料的各向異性分布，從而產生各向異性的熱傳輸。如圖7所示為磁場調節下形成各向異性的石墨烯懸浮液。除此之外，二維材料也可以通過模板法構建各向異性特性，常見的模板法由冰模板法、定向組裝、冷凍干燥等。通過宏觀的調控可以實現材料熱性能的各向異性，從而為加速電子設備散熱提供更多途徑，拓寬熱管理的應用。
【展望】
作者對二維材料的發展提出一下幾點展望：（1）如何獲得高質量的二維材料，同時成本處于可控范圍； （2）目前測量材料導熱系數的方法和方法還不夠準確，而且非常復雜，未來將探索新的方法來提高其導熱系數的測量精度； （3）目前對一些新的二維材料的本征熱導率的研究還不夠充分。一些二維材料（例如Mxene，過渡金屬二維材料）缺少有關缺陷和影響尺寸的數據； （4）二維材料各向異性傳熱特性的機理研究的還不充分； （5）如何進行高質量薄膜材料的制備以及對宏觀各向異性傳熱的控制； （6）未來將尋找更好的定向排列技術來調節其宏觀二維材料的各向異性熱輸運。