浙大高超教授团队《Adv. Mater.》：液晶剪切智造术大面积制备竖直排列高导热材料

研究背景

随着电子器件功率密度集成化、微型化、智能化的高速发展，高性能热界面材料越来越成为电子器件热管理的迫切需求。传统热界面材料通过高导热填料与聚合物基质随机共混制备，在填充含量超过50 vol%时导热率低于10 W m-1 K-1。调控填料的垂直取向是提升热界面材料导热率的重要方法。高导热二维纳米填料，比如寡层石墨烯，氮化硼等，已普遍被用作构筑基元构建垂直取向的导热网络。常见的取向调控方法包括电场取向、磁场取向、定向冰模板法、流动取向等。然而，取向型热界面材料的导热率难于突破50 W m-1 K-1，如何在低填料含量下实现复合材料高导热率是巨大的挑战。

成果出处

浙江大学高分子系高超教授团队提出了一种创新的“剪切智造术”策略，实现了大片径高取向氧化石墨液晶的制备。剪切智造术是指通过程序化控制的微丝运动在液晶中引发微剪切流场，微剪切流场诱导片层垂直取向。由于氧化石墨片层的横向尺度巨大，垂直取向后不易松弛，基于分散液的慢松弛，可以利用剪切智造术进行大面积片层取向调控，形成各种定制的液体图案。剪切智造术通过程序化控制的微丝运动引发微米级剪切场，剪切场注入足够大的能量克服大片径氧化石墨的惯性和水动力能垒，诱导片层垂直取向。剪切智造术实现了液晶调控的尺度空间由小分子、一维大分子、二维胶体到大颗粒的拓展，极大丰富了液晶的种类与范畴。相比常规的液晶取向方法，比如表面锚固、光刻、电磁场取向，剪切智造术具有高能量、高精度、高效率、普适性等众多优势，是调控液晶取向和制备高各向异性先进材料的新方法。

基于剪切智造术制备的大尺寸氧化石墨液晶具有高达0.82的取向度和慢松弛特征，展现出规模制备优势。基于高取向液晶制备的石墨阵列为聚合物基质提供了高效声子传输通道，极大降低了声子散射并弱化片层/聚合物界面热阻。石墨阵列基热界面材料展现出94 W m-1 K-1的导热率，超过金属热界面材料-铟(81 W m-1 K-1)15%。相关成果以“Vertical Array of Graphite Oxide Liquid Crystal by Microwire Shearing for Highly Thermally Conductive Composites”为题发表在《Adv. Mater.》期刊上(DOI: 10.1002/adma.202300077)。论文第一作者为团队博士生曹敏。论文得到了国家自然科学基金、浙江大学百人计划、中央高校专项基金、山西浙大新材料研究院等相关经费资助和机构支持。

图文导读

图1. “微丝剪切”调控大片氧化石墨取向。

图2. 高取向氧化石墨的慢松弛。

图3. 高取向石墨阵列增强复合材料导热率。

图4. 高导热复合材料。

图5.复合材料热管理应用。

该论文提供了“剪切智造术”策略制备大片径高取向氧化石墨液晶，实现复合材料导热率的金属量级突破，该方法具有高精度、编程性、普适性等诸多优势，可灵活操控从胶体粒子到大颗粒的取向，是制备高各向异性的先进材料的新方法。该工作是在高超教授团队前期积累和前人工作经验总结的基础上完成，早在2019年，该团队研究人员发现了氧化石墨烯液晶慢松弛动力学特征，并利用剪切微印刷术制备了超液晶材料。相关工作包括Nat. Commun., 2019, 10, 4111; Science, 2021, 372, 614; Nat. Commun., 2011, 2, 571; Adv. Mater., 2013, 25,188; Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2006584; Sci. Adv., 2020, 6, eabd4045；Matter, 2020, 3, 230; Acc. Mater. Res. 2020, 1, 175等。