英文原題：Application-Driven High-Thermal-Conductivity Polymer Nanocomposites
通訊作者：黃興溢（上海交通大學）
作者：Ying Lin, Pengli Li, Wenjie Liu, Jie Chen, Xiangyu Liu, Pingkai Jiang, and Xingyi Huang*
聚合物納米復合材料結合了聚合物基體的優(yōu)點和納米填料帶來的獨特效果，是材料家族中的重要成員。而導熱性能作為材料的一種基本性質，直接影響材料的成型與加工，以及相關器件、系統(tǒng)的設計和性能。隨著聚合物納米復合材料在熱相關領域的廣泛應用，能源、環(huán)境、社會的可持續(xù)發(fā)展對該類材料的導熱性能提出了更高的要求。
上海交通大學黃興溢教授團隊總結了具有高各向同性和各向異性導熱性能的聚合物納米復合材料的研究路線圖，系統(tǒng)分析了各種導熱增強策略，闡述了納米填料對聚合物納米復合材料導熱性能的增強作用。然后，重點介紹了聚合物納米復合材料的導熱性在可穿戴電子器件、熱界面材料、電池熱管理、介電電容器、電力電氣設備、太陽能儲存、生物醫(yī)療、二氧化碳捕集和輻射制冷等不同領域的重要意義。最后，展望了導熱聚合物納米復合材料未來的研究、發(fā)展方向，為開發(fā)具有高導熱性能的新興聚合物納米復合材料提供了一些見解。
本文亮點：
（1）系統(tǒng)總結了具有各向同性和各向異性高導熱聚合物納米復合材料的制備技術和研究進展，揭示了導熱增強機制。
（2）系統(tǒng)介紹了聚合物納米復合材料的導熱性在可穿戴電子器件、熱界面材料、電池熱管理等各領域的重要意義。
（3）最后，討論了導熱聚合物納米復合材料在應用中面臨的挑戰(zhàn)和機遇，展望了未來的研究和發(fā)展方向。
各向同性導熱聚合物納米復合材料的研究
材料的導熱性能分為各向同性和各向異性，對于各向同性的研究早于各向異性。采用零維、一維、二維和三維納米導熱填料在聚合物基體中構筑導熱結構，0-3型導熱聚合物復合材料研究最早，與0-3型和1-3型復合材料相比，2-3型復合材料進一步降低了整體界面熱阻；3-3型納米復合材料中導熱填料之間的界面熱阻較小，導熱增強效果更好。構筑三維導熱結構有助于提高納米增強劑的導熱增強效率。
圖1. 各向同性高導熱聚合物納米復合材料的研究進展
各向異性導熱聚合物納米復合材料的研究
在聚合物基體中構筑層狀導熱結構是獲得高面內導熱聚合物納米復合材料最常用的策略。前人通過抽濾、熱壓、雙輥軋制、刮涂等方法構建導熱結構，使納米增強材料在聚合物基體中呈層狀分布，形成取向結構，從而提高復合材料的面內導熱系數(shù)。
圖2. 具有高面內導熱系數(shù)的聚合物納米復合材料研究進展
在聚合物基體中構建縱向取向導熱結構可實現(xiàn)復合材料面外熱導率的有效提升。前人通過化學氣相沉積、電場誘導等策略制備諸如碳納米管、納米纖維以及金屬納米線等無機納米陣列作為聚合物復合材料的導熱結構。除了無機陣列外，具有高軸向導熱系數(shù)的有機纖維，也可以捆綁成陣列，以生產具有高面外導熱系數(shù)的全有機復合材料。此外，二維片狀導熱填料也可通過合適的制備技術，如冰模板法、3D打印和剪切智造等進行垂直定向，從而有效提高復合材料的面外導熱性。
圖3. 具有高面外導熱系數(shù)的聚合物復合材料的研究進展
導熱聚合物納米復合材料的應用
導熱系數(shù)對于聚合物納米復合材料在可穿戴電子器件、熱界面材料、電池熱管理、介電電容器、電力電氣設備、太陽能的儲存與轉換、生物醫(yī)療、二氧化碳捕集和輻射制冷等不同應用領域具有重要意義。但同時，熱阻、機械性能、加工性能和電性能等其他性能參數(shù)在聚合物納米復合材料的各種應用中也具有非常重要的影響。
圖4. 導熱聚合物復合材料在柔性可穿戴器件中的應用
圖5. 導熱聚合物納米復合材料作為熱界面材料在電子器件熱管理中的應用
圖6. 導熱聚合物納米復合材料在電池熱管理中的應用
圖7. 導熱聚合物納米復合材料在介電電容器中的應用
圖8. 導熱聚合物納米復合材料在電氣設備中的應用
圖9. 導熱聚合物納米復合材料在太陽能儲存中的應用
圖10. 導熱聚合物納米復合材料在生物醫(yī)療中的應用
圖11. 導熱聚合物納米復合材料在輻射制冷中的應用
總結與展望
導熱聚合物納米復合材料在傳統(tǒng)及新興領域顯示出巨大的應用潛力，能夠有效解決與熱相關的問題。關于導熱聚合物納米復合材料的研究，應考慮以下幾點：新興的高導熱聚合物納米復合材料應立足于應用研究；聚合物納米復合材料的導熱性能增強不應以犧牲其他性能為代價；此外，針對不同的應用，需要同時著重研究其他各種性能（如，加工性能、力學性能、電學性能、熱阻、綠色環(huán)保、生物毒性等等）對材料實際應用的影響。
原文：
Application-Driven High-Thermal-Conductivity Polymer Nanocomposites
Ying Lin, Pengli Li, Wenjie Liu, Jie Chen, Xiangyu Liu, Pingkai Jiang, and Xingyi Huang*
ACS Nano,?2024,?18, 3851–3870
Publication Date: January 24, 2024
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08467
? 2024 American Chemical Society
來源：石墨烯網《ACS Nano觀點：應用導向的高導熱聚合物納米復合材料研究》