一种仿生热传导网络使聚合物纳米复合材料具备了金属级别的热导率

《ACS Nano》：A Biomimetic Thermal Conduction Network Enables Metal-Level Thermal Conductivity in Polymer Nanocomposites

热界面材料高效设计。通过仿竹茎叶结构，采用非共价功能化与多级组装策略，制备聚多巴胺改性碳纤维（mPCFs）作为主热导通道，聚酰胺环氧氯加成物改性石墨烯纳米片（GNP）自组装形成横向导热网络，协同实现纵向高效导热与界面热耦合。环氧复合材料的纵向导热系数达289.5 W/m·K，机理分析结合经典模型与有限元模拟验证。

　　

现代电子产品的快速小型化和集成加剧了热量产生，因此对高性能热界面材料（TIMs）的需求日益迫切。虽然在聚合物复合材料中构建定向的热传导网络可以有效提高TIM应用中的平面导热性能，但传统方法通常涉及剧烈的加工过程，并忽略了整体热流的限制，这阻碍了热传导性能的进一步突破。受竹子蒸腾过程的启发，我们采用温和的非共价功能化技术和分层结构组装策略，设计了一种仿生“竹茎阵列-叶片”热传导网络。在该设计中，垂直排列的多巴胺功能化沥青基碳纤维（mPCFs）作为主要的热传导“茎”，而聚酰胺环氧氯丙烷改性的石墨烯纳米片则自组装在mPCFs上，充当“叶片”以增强水平热扩散。这种仿生网络将高效的长距离热传输与与聚合物基体的增强界面热耦合相结合，从而提高了整个复合材料的整体热流。所得到的环氧复合材料具有289.5 W m^–1 K^–1的卓越平面导热性能，超过了大多数聚合物复合材料甚至某些金属。此外，通过将实验结果与经典模型和有限元模拟的预测进行对比，阐明了其背后的热传导机制。这项工作为开发具有类似金属导热性能的高性能聚合物纳米复合材料，以应用于先进的热界面材料（TIMs）领域，提供了一种新的方法。