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  隨著電子元器件的高功率化、高密度化和高集成化以及特高壓直流輸電遠距離、低損耗和大容量的迅猛發展，日益突出的散熱問題已成為阻礙大功率電子元器件、超大規模和超高速集成電路，以及特高壓輸電設備乃至整個電子、電氣產業發展的瓶頸問題。為了保障電子元器件和特高壓輸電設備用材料在工作環境溫度下運行的穩定性和可靠性，需使用高導熱材料，迅速有效地將積聚的熱量傳遞和釋放出去，延長電子元器件和特高壓輸電設備的使用壽命。同時還希冀導熱材料具有輕質、優異力學性能和易加工成型等綜合特性，以便降低電子元器件和特高壓輸電設備的整體重量，同時保證使用的安全可靠性、批量生產效率和批次穩定性。

  聚合物本體導熱系數λ低（λ在0.18～0.44 W/mK之間），無法適應高功率化、高密度化和高集成化電子元器件以及特高壓輸電設備高效快速的散熱要求。因此，研究開發高導熱且力學性能優異的聚合物基復合材料對特高壓電氣設備、半導體和電子、電氣相關領域材料的設計和拓展具有迫切的理論意義和實際應用價值。

  為了提高聚合物基體的導熱性能，近年來，西北工業大學顧軍渭教授課題組通過在聚合物樹脂基體中填充單一或混雜高導熱金屬或無機填料，經熔融、溶液或粉末共混復合制備了一系列聚合物基導熱復合材料（Compos Sci Technol, 2017, 139: 83-89；Composites Part A, 2017, 92: 27-32；Composites Part A, 2017, 95: 267-273；Nanoscale, 2016, 8: 19984-19993；RSC Adv, 2015, 5: 36334-36339；RSC Adv, 2014, 4: 22101-22105）。并通過界面分子學設計，借助特定的界面聚合物層（圖1）有效降低了導熱填料/聚合物樹脂基體兩相界面熱阻，進一步提升聚合物基導熱復合材料的導熱性能，初步解決了由于兩相界面熱障引起的聚合物基導熱復合材料導熱性能提升不佳的技術問題（Composites Part A, 2017, 101: 237-242；Int J Heat Mass Tran, 2016, 92: 15-22；RSC Adv, 2016, 6: 35809-35814；Composites Part A, 2015, 78: 95-101）。

圖1 納米氮化硼（nBN）的表面功能化改性

  此外，課題組設計開發“原位聚合-靜電紡絲-高溫模壓”制備聚合物基導熱復合材料技術（圖2），突破了傳統聚合物基導熱復合材料的制備方法，實現了低用量碳化硅（Composites Part A, 2015, 79: 8-13）、氮化硼（Composites Part A, 2017, 94: 209-216）和石墨烯（J Mater Chem C, 2018, 6: 3004-3015）等導熱填料下聚合物樹脂基體內導熱通路或導熱網絡的高效形成，有望解決現有常規制備加工方法難以兼顧聚合物基導熱復合材料高導熱和優異力學性能的技術瓶頸問題。

圖2 “原位聚合-靜電紡絲-高溫模壓”法制備改性石墨烯/聚酰亞胺納米導熱復合材料

  在實驗研究的基礎上，課題組前期提出“導熱逾滲”行為對聚合物基導熱復合材料導熱性能的快速提升起著極其重要的作用（Polym Compos, 2014, 35: 1087-1092），發展了現有聚合物基導熱復合材料的導熱機理；基于傳統的“并聯”模型和“串聯”模型，課題組建立了氮化硼/改性氰酸酯導熱復合材料的優化導熱方程（Composites Part A, 2018, 107: 570-578），其對導熱系數λ的擬合效果明顯優于經典的導熱模型（Maxwell和Russell模型等）；最近，課題組還基于有效介質理論和熱量守恒，綜合考慮諸多影響因素（導熱填料厚度、幾何因子、取向分布和體積分數；導熱填料和聚合物基體間的界面熱障及界面層厚度，導熱填料和聚合物基體本體的導熱系數），課題組建立了一個更適用于改性石墨烯/聚酰亞胺導熱復合材料的導熱方程（方程1），該方程有望用于計算各向異性聚合物基導熱復合材料的有效導熱系數。

（方程1）

  文于近期以“Significantly Enhanced and Precisely Modeled Thermal Conductivity in Polyimide Nanocomposites by Chemically Modified Graphene via in-situ Polymerization and Electrospinning-hot press Technology”為題發表（J  Mater Chem C, 2018, 6: 3004-3015），第一作者為碩士生郭永強。本研究工作得到了國家自然科學基金（51773169、51403175）和中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室開放課題（LSL-1715）的資助。

  論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/tc/c8tc00452h