ACS Nano观点：应用导向的高导热聚合物纳米复合材料研究

英文原题：Application-Driven High-Thermal-Conductivity Polymer Nanocomposites

通讯作者：黄兴溢（上海交通大学）

作者：Ying Lin, Pengli Li, Wenjie Liu, Jie Chen, Xiangyu Liu, Pingkai Jiang, and Xingyi Huang*

聚合物纳米复合材料结合了聚合物基体的优点和纳米填料带来的独特效果，是材料家族中的重要成员。而导热性能作为材料的一种基本性质，直接影响材料的成型与加工，以及相关器件、系统的设计和性能。随着聚合物纳米复合材料在热相关领域的广泛应用，能源、环境、社会的可持续发展对该类材料的导热性能提出了更高的要求。

上海交通大学黄兴溢教授团队总结了具有高各向同性和各向异性导热性能的聚合物纳米复合材料的研究路线图，系统分析了各种导热增强策略，阐述了纳米填料对聚合物纳米复合材料导热性能的增强作用。然后，重点介绍了聚合物纳米复合材料的导热性在可穿戴电子器件、热界面材料、电池热管理、介电电容器、电力电气设备、太阳能储存、生物医疗、二氧化碳捕集和辐射制冷等不同领域的重要意义。最后，展望了导热聚合物纳米复合材料未来的研究、发展方向，为开发具有高导热性能的新兴聚合物纳米复合材料提供了一些见解。

本文亮点：

（1）系统总结了具有各向同性和各向异性高导热聚合物纳米复合材料的制备技术和研究进展，揭示了导热增强机制。

（2）系统介绍了聚合物纳米复合材料的导热性在可穿戴电子器件、热界面材料、电池热管理等各领域的重要意义。

（3）最后，讨论了导热聚合物纳米复合材料在应用中面临的挑战和机遇，展望了未来的研究和发展方向。

各向同性导热聚合物纳米复合材料的研究

材料的导热性能分为各向同性和各向异性，对于各向同性的研究早于各向异性。采用零维、一维、二维和三维纳米导热填料在聚合物基体中构筑导热结构，0-3型导热聚合物复合材料研究最早，与0-3型和1-3型复合材料相比，2-3型复合材料进一步降低了整体界面热阻；3-3型纳米复合材料中导热填料之间的界面热阻较小，导热增强效果更好。构筑三维导热结构有助于提高纳米增强剂的导热增强效率。

图1. 各向同性高导热聚合物纳米复合材料的研究进展

各向异性导热聚合物纳米复合材料的研究

在聚合物基体中构筑层状导热结构是获得高面内导热聚合物纳米复合材料最常用的策略。前人通过抽滤、热压、双辊轧制、刮涂等方法构建导热结构，使纳米增强材料在聚合物基体中呈层状分布，形成取向结构，从而提高复合材料的面内导热系数。

图2. 具有高面内导热系数的聚合物纳米复合材料研究进展

在聚合物基体中构建纵向取向导热结构可实现复合材料面外热导率的有效提升。前人通过化学气相沉积、电场诱导等策略制备诸如碳纳米管、纳米纤维以及金属纳米线等无机纳米阵列作为聚合物复合材料的导热结构。除了无机阵列外，具有高轴向导热系数的有机纤维，也可以捆绑成阵列，以生产具有高面外导热系数的全有机复合材料。此外，二维片状导热填料也可通过合适的制备技术，如冰模板法、3D打印和剪切智造等进行垂直定向，从而有效提高复合材料的面外导热性。

图3. 具有高面外导热系数的聚合物复合材料的研究进展

导热聚合物纳米复合材料的应用

导热系数对于聚合物纳米复合材料在可穿戴电子器件、热界面材料、电池热管理、介电电容器、电力电气设备、太阳能的储存与转换、生物医疗、二氧化碳捕集和辐射制冷等不同应用领域具有重要意义。但同时，热阻、机械性能、加工性能和电性能等其他性能参数在聚合物纳米复合材料的各种应用中也具有非常重要的影响。

图4. 导热聚合物复合材料在柔性可穿戴器件中的应用

图5. 导热聚合物纳米复合材料作为热界面材料在电子器件热管理中的应用

图6. 导热聚合物纳米复合材料在电池热管理中的应用

图7. 导热聚合物纳米复合材料在介电电容器中的应用

图8. 导热聚合物纳米复合材料在电气设备中的应用

图9. 导热聚合物纳米复合材料在太阳能储存中的应用

图10. 导热聚合物纳米复合材料在生物医疗中的应用

图11. 导热聚合物纳米复合材料在辐射制冷中的应用

总结与展望

导热聚合物纳米复合材料在传统及新兴领域显示出巨大的应用潜力，能够有效解决与热相关的问题。关于导热聚合物纳米复合材料的研究，应考虑以下几点：新兴的高导热聚合物纳米复合材料应立足于应用研究；聚合物纳米复合材料的导热性能增强不应以牺牲其他性能为代价；此外，针对不同的应用，需要同时着重研究其他各种性能（如，加工性能、力学性能、电学性能、热阻、绿色环保、生物毒性等等）对材料实际应用的影响。

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