日前，四川大學傅強教授/吳凱副研究員團隊報道了一種“具有金屬級導熱系數和可控導熱路徑的全有機聚合物塊狀材料”，他們的策略是在聚合物基體內、以全程連續的高分子聚乙烯纖維（PEMF）定構聲子的傳熱高速通道、減少因聚合物-PEMF兩相界面所引起的聲子散射，賦予了有機聚合物材料金屬級別的定向導熱能力、以及傳熱路徑可柔性定制的特點（圖1）。相關研究成果在線發表于材料領域優秀期刊Advanced Science上。
圖1. PDMS/PEMF有機聚合物塊狀材料的加工定構示意圖和可控傳熱的熱成像記錄
絕緣導熱高分子材料在電子器件熱管理和新能源技術中具有重要的應用價值，但是他們本征的低導熱系數極大地限制了其在高功率器件方面的實際作用。目前主流的方法是往聚合物基體內引入導熱系數更高的微米/納米填料，通過控制填料的含量、分散或分布提高聚合物復合材料的導熱系數。但是，由于微/納米填料的巨大比表面以及其與聚合物基體的聲子振動和擴散模式的不匹配，兩者共混改性不可避免地會在聚合物與填料的界面處帶來嚴重的聲子散射問題。即使可以通過調控填料之間的搭接部分降低聚合物-填料或填料-填料之間的界面熱阻，但復合材料的導熱系數遠遠達不到填料本征的數值。此外，通過調控填料取向的方向，目前可以調控復合材料在面內/面外方向的導熱系數，讓熱源處的熱量更容易沿著復合材料的取向方向傳遞，但是若是在復合材料內部構建更為復雜的傳熱路徑，還需要更加獨特的復合材料成型加工方法。總而言之，到目前為止，開發導熱系數10 W/m K以上的復合材料仍是一個巨大的挑戰，而如何進一步調控熱量在這種高導熱復合材料內部的傳導路徑更是一件十分有趣、而又困難的事情。
圖2. PDMS/PEMF復合材料的導熱系數。
低維的高分子材料，特別是高度拉伸取向的纖維或薄膜，在特定方向具有非常優異的導熱能力，例如PE纖維的導熱系數可以高達100 W/m K，但如何將上述PE纖維的優點拓展到三維的聚合物塊體材料中目前還尚未有系統性的嘗試。針對上述所提到的幾個問題和挑戰，在本文中，他們利用PEMF長度方向高導熱的特點，通過模具加工、真空浸漬以及高壓水切割的方法可控定構了垂直方向高導熱的PDMS/PEMF絕緣復合材料。如圖2所示，由于PEMF可以在米級尺度上保持完整的連續狀態，不會在傳熱方向引入任何的PDMS-PEMF微觀界面，因此該復合材料的垂直導熱系數可以高達38.27 W/m K，其性能甚至可以比擬一些金屬材料，如不銹鋼等。此外，這種全有機的材料還具有優異的絕緣能力，極好的介電性能，以及輕質的特點，其絕緣導熱系數幾乎超過了目前所報道的所有三維塊體材料。
圖3. PDMS/PEMF復合材料的導熱系數。
圖3中，他們根據EMT線性模型和Foygel非線性模型分別擬合了PDMS/PEMF復合材料內部多相界面的熱阻大小，發現：正是由于這種全程連續的PEMF導熱通路，多相體系之間的界面熱阻，包括PDMS-PEMF界面熱阻（≈ 0 m2 K W-1）、PEMF內晶區與非晶區的界面熱阻（7.77*10-9 m2 K W-1）、PEMF晶區間的界面熱阻（4.1*10-11 m2 K W-1）遠遠低于常規的聚合物/填料共混填充體系（10-6 – 10-9 m2 K W-1）。
除此之外，這種連續的有機高分子纖維相比于剛性的無機填料，還具有柔性的特點，其受到較小的外力作用就能彎曲變形，以改變PEMF纖維束在PDMS基體內的構型。因此，設計特定的成型加工模具，他們可以自由地設計PEMF纖維束的形狀和取向方向，賦予PDMS/PEMF復合材料特定的傳熱路徑。從圖3中發現，從熱源處傳遞出來的熱量僅沿著PEMF纖維束的長度方向傳播，甚至可以沿著特定的方向發生拐彎和扭轉，這是一種非常有趣的現象，主要歸因于纖維束長度和直徑方向極大的導熱性差異。
圖4. PDMS/PEMF復合材料作為熱界面材料使用時的熱管理性能
圖4中，他們分別將PDMS/PEMF這種材料用于LED和COB封裝芯片的熱管理上面。值得一提的是，PDMS/PEMF這種全有機的高分子材料具有類似于不銹鋼金屬的散熱能力，其在COB芯片上的散熱效果可以比擬使用大功率風扇后的熱管理效果，顯示出極其優異的應用潛力。
當然，研究人員也認為這種復合材料的制備方法仍然存在很多需要改進的地方，亟待進一步的研究。例如：（1）受限于高壓水切割技術，PDMS/PEMF材料的厚度無法做的很薄，對于界面間距比較小的發熱器件還不太適用；（2）PDMS/PEMF材料在特定壓力作用下，導熱系數有所下降，且無法很好的恢復；（3）PEMF在150度高溫環境下分子鏈容易解取向，引起導熱系數下降，復合材料的耐熱性能不佳。但是，他們也相信，跳出聚合物/填料填充改性這類思維屏障，這種以連續有機高分子纖維定構導熱復合材料的全新策略很有可能為制備高絕緣導熱的復合材料提供嶄新的契機。
相關成果以“Fully Organic Bulk Polymer with Metallic Thermal Conductivity and Tunable Thermal Pathways”發表在Advanced Science（Advanced Science, 2021, 2004821, DOI: 10.1002/advs.202004821）上。南京理工大學和四川大學高分子學院聯合培養的博士研究生張永正和四川大學碩士畢業生雷楚昕為本論文的共同第一作者，通訊作者為四川大學高分子學院的傅強教授和吳凱副研究員。感謝國家自然科學基金創新群體項目（No. 51721091）、江蘇省自然科學基金青年基金（No. BK20200501）、四川大學雙百計劃對本工作的大力支持！特別感謝浙江大學謝濤教授對該工作的討論、指導和建議！
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202004821
