来源 | Science Advances

链接 | https://doi.org/10.1126/sciadv.adp6516

01

背景介绍

近年来，聚合物基电子设备（如高功率电池和软体机器人）发展迅速，但其运行过程中产生的废热可能导致过热和安全隐患。高效散热对确保设备可靠性和安全性至关重要，常见聚合物热导率低（0.1-0.3 W/mK），限制了热量散发。为提高热导率，研究者通过添加高热导率填料（如碳纳米管、石墨烯等，k >1000W/mK）来增强聚合物复合材料的热导率，但通常仅提升一个数量级，且高填料体积分数（>40%）会损害机械性能和加工性能。主要挑战包括高填料/填料和聚合物/填料界面热阻、填料分散控制不足以及对高填料体积分数的依赖。理论模型和实验表明，提升电子或声子传输对增强界面热传输至关重要，但这些理论难以直接应用于非晶态的聚合物。界面缺陷对热导率的影响复杂，且聚合物复合材料的界面热传输机制尚未完全理解，部分原因是其多相、无序和多尺度异质性结构。系统性实验研究有限，进一步理解聚合物复合材料中的界面热传输机制仍是重要研究方向。

02

成果掠影

近日，马萨诸塞大学许艳菲团队发现通过向聚合物复合材料中引入含氧缺陷填料（如氧化石墨），其界面热导率显著高于使用完美填料（石墨）的复合材料。研究团队以聚乙醇（PVA）为基质，分别加入完美填料（石墨）和缺陷填料（氧化石墨），通过激光闪射法、中子散射、量子力学模型和分子动力学模拟等手段系统分析热传输机制。氧化石墨通过改良Hummers法制备，其表面含羟基、环氧基等缺陷基团（图1B），并通过拉曼光谱和红外光谱确认缺陷存在。研究发现，含5vol%缺陷填料的PVA复合材料热导率达1.38±0.22W/mK，比完美填料复合材料（0.86±0.21 W/mK）高出402%。该研究首次揭示了缺陷在界面热传输中的积极作用，挑战了“缺陷必然增加热阻”的传统观点。通过低比例缺陷填料实现高热导率，避免了高填充对材料机械性能的损害，为开发轻质、柔性热界面材料（如电子散热片、航空航天材料）提供了新策略。研究者指出，这一机制或可推广至其他聚合物-填料体系，推动热管理技术的革新。研究成果以“Defects vibrations engineering for enhancing interfacial thermal transport in polymer composites”为题发表在《Science Advances》期刊。