文章分享丨三維網(wǎng)絡(luò)填料在聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能增強中的研究進(jìn)展

隨著設(shè)備功率的飛躍、產(chǎn)品設(shè)計的極致小型化、元器件的高度集成以及電源配置的密集化，先進(jìn)熱管理材料已成為確保設(shè)備高效運行與長期可靠性的核心要素。在眾多材料中，導(dǎo)熱復(fù)合材料因其獨特的性能優(yōu)勢，成為當(dāng)前先進(jìn)熱管理材料研究的焦點。特別地，通過在聚合物基體內(nèi)精心構(gòu)建三維導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱劑/導(dǎo)熱粉體網(wǎng)絡(luò)，能夠顯著提升復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，這一方法因此受到了廣泛的研究關(guān)注。本文將從三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建策略出發(fā)，詳細(xì)分類并總結(jié)當(dāng)前主要的研究方法，包括自組裝法、相分離法、模板法及取向分布法。

自組裝法：自組裝法是一種利用靜電力、氫鍵等分子間相互作用力，促使導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱劑/導(dǎo)熱粉體在溶劑中自發(fā)聚集，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的方法。此過程中，水熱還原法因其高效性而被頻繁采用。特別地，片狀填料因其易于堆疊形成多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成為該方法的優(yōu)選材料。

相分離法：相分離法則通過熱壓、析出等手段，在聚合物基體的相界面處誘導(dǎo)高導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱劑/導(dǎo)熱粉體聚集，并構(gòu)建出相互連接的導(dǎo)熱通路。該方法允許在填充導(dǎo)熱填料后再進(jìn)行互連處理，無需預(yù)先構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)，但需注意控制相界面的引入，以避免對復(fù)合材料其他性能造成不利影響。

模板法：模板法依托于三維多孔模板，通過精確填充導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱劑/導(dǎo)熱粉體并移除模板，來構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。其模板種類豐富，包括冰模板、鹽模板、泡沫模板及3D打印模板等。模板法不僅能實現(xiàn)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的精確控制，還能制備出高導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合材料。然而，該方法面臨材料選擇受限、工藝流程復(fù)雜及工業(yè)化難度大等挑戰(zhàn)。

取向分布法：取向分布法則巧妙地利用過濾、定向凍結(jié)、磁場等手段，引導(dǎo)片狀或柱狀導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱劑/導(dǎo)熱粉體在聚合物基體中按特定方向排列，從而制備出導(dǎo)熱性能增強且具有各向異性的復(fù)合材料。其中，利用冰晶生長或抽濾技術(shù)控制填料取向分布的方法，以其低成本和高效性備受青睞。然而，該方法對填料形態(tài)有一定要求，且難以實現(xiàn)高度定制化。

結(jié)論：展望未來，三維網(wǎng)絡(luò)填料增強的聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料將在多個方面迎來新的發(fā)展機遇。首先，需進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱劑/導(dǎo)熱粉體分布與三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)導(dǎo)熱性能的精準(zhǔn)調(diào)控與可控制備。其次，應(yīng)致力于降低制備成本，探索大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的可行路徑。同時，界面熱阻作為制約導(dǎo)熱性能提升的關(guān)鍵因素，需通過深入研究與創(chuàng)新技術(shù)來加以克服。最后，多性能并重的發(fā)展趨勢將引導(dǎo)我們在提升導(dǎo)熱性能的同時，兼顧輕量化、高強度等多元化需求，以滿足不同行業(yè)對高性能熱管理材料的迫切需求。

內(nèi)容來源：周正榮, 顏秀文, 何峰, 等. 三維網(wǎng)絡(luò)填料增強聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的研究進(jìn)展[J]. 復(fù)合材料學(xué)報, 2024, 41(7): 3301-3321.