具有金属级导热系数和可控导热路径的全有机聚合物块状材料
作者：张永正,# 雷楚昕,# 吴凯,* 傅强*
日前，四川大学傅强教授/吴凯副研究员研究团队报道了一种“具有金属级导热系数和可控导热路径的全有机聚合物块状材料”，他们的策略是在聚合物基体内、以全程连续的高分子聚乙烯纤维（PEMF）定构声子的传热高速通道、减少因聚合物-PEMF两相界面所引起的声子散射，赋予了有机聚合物材料金属级别的定向导热能力、以及传热路径可柔性定制的特点（图1）。相关研究成果在线发表于材料领域优秀期刊Advanced Science上。
图1. PDMS/PEMF有机聚合物块状材料的加工定构示意图和可控传热的热成像记录
绝缘导热高分子材料在电子器件热管理和新能源技术中具有重要的应用价值，但是他们本征的低导热系数极大地限制了其在高功率器件方面的实际作用。目前主流的方法是往聚合物基体内引入导热系数更高的微米/纳米填料，通过控制填料的含量、分散或分布提高聚合物复合材料的导热系数。但是，由于微/纳米填料的巨大比表面以及其与聚合物基体的声子振动和扩散模式的不匹配，两者共混改性不可避免地会在聚合物与填料的界面处带来严重的声子散射问题。即使可以通过调控填料之间的搭接部分降低聚合物-填料或填料-填料之间的界面热阻，但复合材料的导热系数远远达不到填料本征的数值。此外，通过调控填料取向的方向，目前可以调控复合材料在面内/面外方向的导热系数，让热源处的热量更容易沿着复合材料的取向方向传递，但是若是在复合材料内部构建更为复杂的传热路径，还需要更加独特的复合材料成型加工方法。总而言之，到目前为止，开发导热系数10 W/m K以上的复合材料仍是一个巨大的挑战，而如何进一步调控热量在这种高导热复合材料内部的传导路径更是一件十分有趣、而又困难的事情。
图2. PDMS/PEMF复合材料的导热系数。
低维的高分子材料，特别是高度拉伸取向的纤维或薄膜，在特定方向具有非常优异的导热能力，例如PE纤维的导热系数可以高达100 W/m K，但如何将上述PE纤维的优点拓展到三维的聚合物块体材料中目前还尚未有系统性的尝试。针对上述所提到的几个问题和挑战，在本文中，我们利用PEMF长度方向高导热的特点，通过模具加工、真空浸渍以及高压水切割的方法可控定构了垂直方向高导热的PDMS/PEMF绝缘复合材料。如图2所示，由于PEMF可以在米级尺度上保持完整的连续状态，不会在传热方向引入任何的PDMS-PEMF微观界面，因此该复合材料的垂直导热系数可以高达38.27 W/m K，其性能甚至可以比拟一些金属材料，如不锈钢等。此外，这种全有机的材料还具有优异的绝缘能力，极好的介电性能，以及轻质的特点，其绝缘导热系数几乎超过了目前所报道的所有三维块体材料。
图3. PDMS/PEMF复合材料的导热系数。
图3中，我们根据EMT线性模型和Foygel非线性模型分别拟合了PDMS/PEMF复合材料内部多相界面的热阻大小，发现：正是由于这种全程连续的PEMF导热通路，多相体系之间的界面热阻，包括PDMS-PEMF界面热阻（≈ 0 m2 K W-1）、PEMF内晶区与非晶区的界面热阻（7.77*10-9 m2 K W-1）、PEMF晶区间的界面热阻（4.1*10-11 m2 K W-1）远远低于常规的聚合物/填料共混填充体系（10-6 – 10-9 m2 K W-1）。
除此之外，这种连续的有机高分子纤维相比于刚性的无机填料，还具有柔性的特点，其受到较小的外力作用就能弯曲变形，以改变PEMF纤维束在PDMS基体内的构型。因此，设计特定的成型加工模具，我们可以自由地设计PEMF纤维束的形状和取向方向，赋予PDMS/PEMF复合材料特定的传热路径。从图3我们发现，从热源处传递出来的热量仅沿着PEMF纤维束的长度方向传播，甚至可以沿着特定的方向发生拐弯和扭转，这是一种非常有趣的现象，主要归因于纤维束长度和直径方向极大的导热性差异。
图4. PDMS/PEMF复合材料作为热界面材料使用时的热管理性能
图4中，我们分别将PDMS/PEMF这种材料用于LED和COB封装芯片的热管理上面。值得一提的是，PDMS/PEMF这种全有机的高分子材料具有类似于不锈钢金属的散热能力，其在COB芯片上的散热效果可以比拟使用大功率风扇后的热管理效果，显示出极其优异的应用潜力。
当然，我们也认为这种复合材料的制备方法仍然存在很多需要改进的地方，亟待进一步的研究。例如：（1）受限于高压水切割技术，PDMS/PEMF材料的厚度无法做的很薄，对于界面间距比较小的发热器件还不太适用；（2）PDMS/PEMF材料在特定压力作用下，导热系数有所下降，且无法很好的恢复；（3）PEMF在150度高温环境下分子链容易解取向，引起导热系数下降，复合材料的耐热性能不佳。但是，我们也相信，跳出聚合物/填料填充改性这类思维屏障，这种以连续有机高分子纤维定构导热复合材料的全新策略很有可能为制备高绝缘导热的复合材料提供崭新的契机。
相关成果以“Fully Organic Bulk Polymer with Metallic Thermal Conductivity and Tunable Thermal Pathways”发表在Advanced Science（Advanced Science, 2021, 2004821, DOI: 10.1002/advs.202004821）上。南京理工大学和四川大学高分子学院联合培养的博士研究生张永正和四川大学硕士毕业生雷楚昕为本论文的共同第一作者，通讯作者为四川大学高分子学院的傅强教授和吴凯副研究员。感谢国家自然科学基金创新群体项目（No. 51721091）、江苏省自然科学基金青年基金（No. BK20200501）、四川大学双百计划对本工作的大力支持！特别感谢浙江大学谢涛教授对该工作的讨论、指导和建议！
原文连接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202004821