由马萨诸塞大学阿默斯特分校领导的一个研究小组发现，在为现代设备开发新材料的过程中，缺陷可以提供优势。这些材料的设计目标是轻质、柔韧和高效散热。
这些插图显示了填充有完美（顶部为石墨）或不完美（底部为氧化石墨）填料的聚合物（长管）。图片来源：马萨诸塞大学阿默斯特分校
根据这项研究的理论和实验结果，使用含有缺陷的导热填料制成的聚合物比使用完美填料制成的聚合物性能高出 160%。这一意想不到的发现挑战了人们长期以来认为不完美会降低材料性能的观点，为制造高导热性聚合物复合材料提供了另一种方法。
这项研究由马萨诸塞大学阿默斯特分校领导，并得到了麻省理工学院、北卡罗来纳州立大学、斯坦福大学、橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室和莱斯大学的支持。
聚合物因其轻质、电绝缘、柔韧和易于制造等金属和陶瓷无法比拟的特性而被广泛应用于现代科技中。高速微芯片、发光二极管、手机和软机器人等设备中都有这些材料的身影。
然而，大多数普通聚合物都是热绝缘体，导热率低，容易导致过热。它们的绝缘性能会滞留热量，产生热点，从而降低性能，增加磨损，并增加故障和火灾的风险。
为了解决这个问题，科学家们试图通过添加高导热填料（如金属、陶瓷或碳基化合物）来提高聚合物的导热性。想法很简单：添加这些填料应该能改善材料的热性能。
然而，结果并不总是尽如人意。例如，混有热导率约 2,000 瓦/米/开尔文（W m-1 K-1）金刚石的聚合物，而加入 40% 的金刚石填料后，理论上可达到约 800 瓦/米/K-1 的热导率。而在实践中，填料结块、缺陷、填料与聚合物之间的高接触电阻以及聚合物基体的低导热性等难题阻碍了热传递。
理解聚合物材料中的热传输机制一直是一个长期的挑战，部分原因是聚合物结构复杂、缺陷无处不在以及紊乱。
研究通讯作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校机械与工业工程系助理教授 Yanfei Xu
研究人员使用聚乙烯醇 (PVA) 开发了两种聚合物复合材料，每种的体积分数都很低，仅为 5%：一种含有完美的石墨填料，另一种含有有缺陷的氧化石墨填料。他们的目标是为了解聚合物材料中的热传导以及管理异质界面的热传导奠定基础。
不出所料，理想的填料比不完美的填料导热性更强。
我们测得完美填料（石墨）本身的热导率高达 292.55 W m-1 K-1，而缺陷填料（氧化石墨）本身的热导率仅为 66.29 W m-1 K-1，两者相差近五倍。
研究第一作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校机械工程研究生 Yijie Zhou
然而，令人意想不到的是，含有缺陷氧化石墨填料的聚合物在引入这些填料后，其性能比含有完美石墨填料的聚合物高出 160%。
为了了解缺陷如何影响聚合物复合材料的热传输，研究人员结合使用了实验和模型，包括中子散射、热传输测量、量子力学建模和分子动力学模拟。
他们发现，缺陷填料能增强热传递，因为它们不规则的表面使聚合物链无法像完全光滑的填料那样密集堆积。这一结果被称为聚合物与缺陷填料在聚合物/填料界面上的振动耦合得到改善，从而提高了热导率，降低了热阻，使材料的热传导效率更高。
缺陷有时会起到桥梁的作用，增强整个界面的耦合，使热流更顺畅。事实上，不完美有时会带来更好的结果。
Jun Liu，北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系副教授
Xu 认为，这些实践和理论发现为开发具有超高导热性的新型聚合物材料奠定了基础。这些进步为从高性能微芯片到下一代软机器人等设备提供了新的机遇，使其能够通过改善散热更高效地运行。
参考文献：
Zhou, et al. (2025) Defects vibrations engineering for enhancing interfacial thermal transport in polymer composites. Science Advances. doi/10.1126/sciadv.adp6516
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