北京航空航天大学程群峰团队IM综述：基于二维纳米材料的各向异性导热薄膜

论文信息

L. Li, Q. Cheng. Anisotropic thermally conductive films based on two-dimensional nanomaterials. Interdiscip. Mater. 2024; 3(6). doi: 10.1002/idm2.12204

摘要

随着现代电子设备加速向集成化、微型化、高频化方向发展，电子设备的热积聚问题越来越严重，对具有高效热管理能力材料的需求日益增大。热管理的主要目的是使用导热材料将电子设备中多余的热量转移到外部环境中。与传统的热管理材料相比，各向异性导热二维纳米薄膜能够将热量沿平面方向快速传导并隔绝垂直方向上产生的热量，从而实现可控定向热传导。北京航空航天大学程群峰教授团队系统总结了基于二维纳米材料制备的各向异性导热薄膜的研究进展。首先，介绍了二维纳米材料的各向异性导热性能和各向异性导热薄膜的制备方法。然后，总结了二维纳米薄膜各向异性导热性能的最新研究进展，概述了各向异性导热二维纳米薄膜在电子器件、储能设备散热以及热电材料等的应用。最后，提出了面临的挑战及其未来的研究方向。

主要内容

1. 背景介绍

得益于科学技术的迅速发展，现代电子设备如手机、平板及笔记本电脑等不断地向集成化和微型化等方向发展，与此同时，电子设备的功率密度不断地增加，其在运行过程中产生的热量积聚问题日益严重，不仅会降低其运行性能和使用寿命，还会带来潜在的火灾隐患。为了解决电子设备严重的散热问题，保持其长期稳定运行，迫切需要制备具有高效散热能力的热管理材料。传统导热金属如铜、铝及铁等易腐蚀、难加工及密度大等缺点，限制了它们在电子产品微型化中的实际应用。此外，聚合物复合材料因其具有重量轻、柔韧性好、耐腐蚀性强等优点，但其本征导热性能较差，难以满足高性能导热材料的要求。与传统导热材料相比，二维纳米材料如石墨烯（Graphene）、氮化硼（BN）、碳化钛（MXene）等因其独特的层状结构表现出优异的各向异性导热性能，是制备各向异性导热薄膜的理想基元材料。

本综述总结了基于不同类型二维纳米材料制备的各向异性导热薄膜的最新研究进展（图1）。首先讨论了不同类型二维纳米材料的导热性能及其测试方法。其次，总结了二维纳米薄膜的制备方法和各向异性导热性能的研究进展。然后，概述了各向异性导热二维纳米薄膜在电子器件、储能设备以及热电材料的应用进展。最后，总结并提出了该领域面临的挑战及其未来的研究方向。

图1 基于不同类型二维纳米材料的各向异性导热薄膜。

2. 二维纳米材料的本征各向异性导热性能

由于其独特的层状结构，二维纳米材料如石墨烯、氮化硼、碳化钛、二硫化钼等表现出优异的各向异性导热性能，通常在面内方向上表现出较高的导热系数，而面外方向上则表现出较低的导热系数。然而纳米材料导热系数的测量方法与传统方法有很大差别，主要归因于纳米材料的厚度、声子热输运及表面尺寸效应等影响。因此，许多测量二维纳米材料热输运特性的技术得到了研究和发展（图2）。

图2 不同类型二维纳米材料的各向异性导热性能。

3. 二维纳米薄膜各向异性导热性能

二维纳米材料具有优异的各向异性导热性能，是制备各向异性导热薄膜的理想基元材料。近年来，研究人员开发了各向异性导热二维纳米薄膜的制备方法，包括真空辅助抽滤、刮涂、层层自组装以及溶胶凝胶膜转换法。本综述对基于二维纳米材料制备的各向异性导热薄膜按照不同二维纳米材料进行了分类讨论，包括石墨烯薄膜（图3）、氮化硼薄膜（图4）、碳化钛薄膜（图5）、其他二维纳米薄膜。

图3 石墨烯薄膜的各向异性导热性能。

图4 氮化硼薄膜的各向异性导热性能。

图5 碳化钛薄膜的各向异性导热性能。

4. 各向异性导热二维纳米薄膜热管理应用

制备具有高各向异性导热性能的二维纳米薄膜已成为研究前沿热点，但其实际应用尚处于发展初期，主要应用于电子器件、储能设备散热以及热电材料等应用领域。如图6所示，二维纳米薄膜作为典型的散热器，能够使热量优先沿面内方向传导，广泛用于智能手机、电子元件、LED模块等电子产品。此外，导热薄膜还能用于电化学储能装置的散热（图7）。

图6 各向异性导热二维纳米薄膜在电子器件中的散热应用。

图7 各向异性导热二维纳米薄膜在储能设备中的散热应用。

5. 总结与展望

基于二维纳米材料制备的各向异性导热薄膜由于其优异的导热性能、可控定向传热能力等优点引起了研究人员的广泛关注。本综述系统总结了基于二维纳米材料制备的各向异性导热薄膜的研究进展。与传统导热材料相比，二维纳米薄膜展现出更优异的各向异性导热性能和力学性能，在热管理领域应用中取得了巨大的进展，但仍存在一些挑战。

（1）二维纳米材料的尺寸、层数以及表面官能团等决定了二维纳米薄膜的各向异性导热性能。目前的常用方法制备得到的二维纳米材料缺陷较多，严重影响二维纳米薄膜性能。因此，需要开发高质量、规模化制备二维纳米材料的新技术。

（2）在二维纳米薄膜制备过程中，界面相互作用、取向和孔隙也会影响二维纳米薄膜的各向异性导热性能。首先，二维纳米片间的相互作用较弱，通过引入其他界面如共价键形成协同效应来改善界面相互作用，降低界面热阻；此外，通过外力诱导策略（刮涂剪切、离心浇铸等）来改善二维纳米片的取向排列；通过有序界面交联、小尺寸纳米材料填充等策略结合的方法降低二维纳米薄膜的孔隙，进一步提升各向异性导热性能。

（3）目前，对于各向异性导热二维纳米薄膜的各向异性导热机理的解释尚不清晰，可以从宏观结构和微观声子热输运这两个角度进行分析讨论。

（4）考虑到实际热管理应用需求，除了需要优异的各向异性导热性能外，还需考虑热稳定性、阻燃性、抗疲劳性能等。此外，针对目前二维纳米薄膜的制备技术的尺寸限制，还应开发低成本、大规模制备二维纳米薄膜的制备方法进一步满足实际应用需求。

作者简介

程群峰，北京航空航天大学化学学院教授。从事仿生纳米复合材料的研究工作，发现了降低纳米复合材料力学性能的“孔隙”新现象，发展了降低孔隙率提高力学性能的新策略，创制了一系列轻质高强纳米复合材料，为纳米复合材料的应用奠定了理论基础。获国家杰青、优青、牛顿高级学者基金和北京市杰青等人才项目的资助。获美团青山科技奖、北京市杰出青年中关村奖、茅以升科学技术奖-北京青年科技奖、中国复合材料学会青年科学家奖、中国化学会青年化学奖。担任中国复合材料学会纳米复合材料分会常务副主任；Chinese Chemical Letters、Biomaterials Advances、Giant 等期刊编委。以通讯作者在Science (3篇)、Nat. Mater. (1篇)、Nat. Commun. (4篇)、PNAS (5篇)等期刊发表论文100余篇，引用11000余次，H因子60，授权中国发明专利40项，出版专著《仿生层状二维纳米复合材料》。

李雷，北京航空航天大学化学学院2021年博士研究生，师从程群峰教授，主要从事基于仿生设计的热管理纳米复合材料研究。目前以第一/共一作者在Science、Adv. Funct. Mater.、Mater. Horiz. 等期刊发表8篇论文。