AlN/GNP混杂聚合物基复合材料的有效热导率：层级微力学模型

《Polymers》：Effective Thermal Conductivity of Hybrid AlN/Graphene Polymer Matrix Composites: A Hierarchical Micromechanical Model

　　

在先进热管理应用中，对具有增强热导率的轻质聚合物复合材料的需求不断增长。本研究建立了一种层级微力学模型（hierarchical micromechanical model），用于预测由氮化铝（aluminum nitride, AlN）颗粒和石墨烯纳米片（graphene nanoplatelets, GNPs）增强的混杂聚合物复合材料的有效热导率（effective thermal conductivity）。建模过程分两个连续阶段进行。首先，通过考虑石墨烯体积分数、长度、厚度、扁率比（flatness ratio）以及界面热阻（interfacial thermal resistance），确定GNP/聚合物基体的有效热导率。随后，将所得的石墨烯/聚合物相（graphene/polymer phase）视为AlN微米增强体的有效基体。采用基于代表性体积单元（representative volume element, RVE）的解析微力学公式确定最终混杂复合材料的热导率。结果表明，添加石墨烯可显著提高AlN/聚合物复合材料的热导率。较大的石墨烯长度也可改善混杂聚合物复合材料的传热特性。相反，增加石墨烯厚度会降低热导率增强效果。研究发现，AlN含量和纵横比（aspect ratio）强烈影响AlN/GNP/聚合物复合材料的热导率。所提出的模型为设计导热聚合物复合材料结构提供了有用指导。

论文主体解读

现代电子、航空航天、汽车和能源系统等技术持续发展，对兼具轻质和高效热管理能力的材料需求日益增强。在高功率电子与工程系统中，有效散热对控制工作温度、维持功能性能和延长服役寿命至关重要。聚合物材料因低密度、易加工、机械柔性、耐腐蚀和设计灵活而具吸引力，但其本征热导率低，限制了需要快速高效传热的应用。因此，提高聚合物基材料热导率成为先进热管理材料研发的重要目标。常用策略是引入导热微/纳填料，如短碳纤维（short carbon fibers, SCFs）、石墨烯纳米片（graphene nanoplatelets, GNPs）、碳纳米管（carbon nanotubes, CNTs）等。石墨烯基纳米填料因本征热导率极高而受关注，理论报道约为3000–5000 W/m·K；但石墨烯/聚合物复合材料热导率并非仅由石墨烯本征热导率决定，还受填料浓度、几何特征、填料–基体界面热阻（interfacial thermal resistance）以及连续导热通路形成等因素影响。Wang et al. 报道，在环氧中引入GNPs，在8 wt%负载下热导率较纯环氧提高达627%；Zhang et al. 报道仅添加2 wt% CNTs即可使复合材料热导率由0.15增至0.8 W/m·K。单一填料虽可显著增强，但可能无法充分利用优化传热的潜力，这促使研究人员关注含两种或以上不同几何、尺寸和热特性填料的混杂复合材料。Li et al. 研究GNP/CNT混杂环氧，热导率显著提高，主要归因于互连导热网络的形成；Pradhan et al. 展示石墨鳞片/CNT混杂聚碳酸酯可同时改善热导率、机械强度、电导率和电磁干扰屏蔽。除碳基增强体外，导热陶瓷填料也受关注，其中氮化铝（aluminum nitride, AlN）因高热导率、较低密度和良好热稳定性而有前景。文献调查显示，尚未对考虑重要微结构的AlN/石墨烯增强聚合物基复合材料热导率开展系统研究。该研究的新颖性在于建立多步均匀化过程，将适当微力学模型结合，在统一框架内考虑纳米级GNPs和微米级AlN颗粒的贡献。

研究人员建立层级微力学框架，评估GNPs和AlN微米颗粒增强混杂聚合物复合材料的有效热导率。该框架通过顺序均匀化考虑两个增强相：首先，考虑GNP热特性和几何参数以及石墨烯填料与聚合物基体间热相互作用，确定GNP/聚合物复合材料有效热导率；随后，将所得GNP/聚合物复合材料视为有效基体并引入AlN颗粒，在第二阶段考虑AlN增强贡献，评估最终GNP/AlN/聚合物混杂复合材料有效热导率。结果表明，添加石墨烯可显著增强AlN/聚合物复合材料热导率；较大石墨烯长度改善混杂聚合物复合材料传热特性；增加石墨烯厚度则降低热导率增强；AlN含量和纵横比（aspect ratio）强烈影响AlN/GNP/聚合物复合材料热导率。该模型为优化填料含量、几何和界面特性提供预测基础，有助于高性能导热聚合物复合材料的理性设计。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员采用层级微力学建模与顺序均匀化。首先将GNPs视为大纵横比等效扁球体，基于格林函数、跃迁矩阵和椭球形夹杂等效热导率公式，考虑GNP体积分数、长度、厚度、扁率比（flatness ratio）、厚度依赖本征热导率及界面热阻，获得GNP/聚合物有效热导率。其次将GNP/聚合物视为有效基体，采用基于代表性体积单元（representative volume element, RVE）的球形模型两阶段均匀化处理AlN微米颗粒：先由子域包裹相关系获得子域热导率，再将均质化子域嵌入周围基体相，得到最终三元复合材料热导率。模型以已发表实验数据验证；无样本队列来源。

3.1 验证：研究人员通过独立验证案例评估模型的准确性、预测能力和稳健性。第一，预测多层GNP填充复合材料热导率随石墨烯体积分数的变化，并与已发表实验数据比较，结果接近，表明模型可在所研究体积分数范围内可靠再现既有热导率趋势。第二，采用另一组材料参数，对少层GNP填充复合材料热导率随石墨烯体积分数的依赖性进行独立评估，模型仍与参考结果接近，确认其在不同材料条件下的一致性和稳健性。第三，预测复合材料热导率随AlN体积分数的变化，并与已发表结果比较，预测在整个填料浓度范围内与公开数据高度一致，复现了热导率的幅值和趋势。验证表明，该微力学公式考虑了控制热输运的关键因素，包括纳米填料本征热导率、体积分数和几何，以及界面热阻。

3.2 参数研究：研究人员系统考察GNP体积分数、GNP横向尺寸和厚度、AlN颗粒百分比和纵横比等关键材料与几何参数对混杂复合材料有效热导率的影响。模型假设填料分散较均匀，不直接模拟填料间直接相互作用和互连导热网络的显式形成，也不显式考虑加工相关效应，主要用于在受控分散条件下评价填料含量、几何和界面热阻的影响并捕捉总体热导率趋势。结果显示：增加AlN体积分数使复合材料热导率逐步提高，原因是AlN热导率远高于基体，可替代低导热基体并提供额外传热通路；增加GNP体积分数进一步提高热导率，归因于石墨烯本征高热导率及额外传热通路，邻近GNP距离减小有利于通过高导热石墨烯相传热。增加GNP厚度会逐渐降低预测热导率，较薄GNPs改善更明显；由厚度依赖本征热导率关系，厚度减小提高GNP热导率，从而改善混杂复合材料总体热导率。给定AlN含量时，界面热阻增加使热导率系统下降，原因是GNP/聚合物界面传热阻力增加，声子跨界面输运受限，引入额外热障。增大GNP横向尺寸可显著提高热导率，较大GNPs可在聚合物基体中建立更广泛有效的传热通路；由模型关系，GNP长度增加提高聚合物复合基体有效热导率，因此GNP横向尺寸是调控GNPs与AlN相对贡献并裁剪混杂复合材料热导率的关键微结构参数。增加AlN纵横比也逐步提高热导率，原因是高导热AlN颗粒的伸长几何促进更有效传热通路；在不同GNP体积分数下呈现类似趋势。讨论部分指出，GNP/AlN/聚合物混杂复合材料有望用于需要增强热导率的轻质热管理应用，潜在应用包括电子封装、功率电子组件、热界面材料和轻质散热结构；多尺度填料的层级组合可能在不需过高GNP负载或AlN含量下改善热输运，为先进热管理用聚合物基材料提供可调途径。

研究结论部分可译为：GNP含量的作用：GNPs因本征热导率极高，通过提供有效导热通路显著增强聚合物基体中的热输运；增加GNP体积分数使三元复合材料有效热导率逐步提高。GNP厚度的作用：有效热导率强烈依赖GNP厚度；增加GNP厚度导致复合材料热导率降低，而较薄GNPs提供更明显增强，表明优化GNP厚度对在聚合物基体中建立有效传热通路至关重要。GNP横向尺寸的作用：较大GNP横向尺寸通过促进形成更广泛有效的传热通路，提高石墨烯/AlN/聚合物复合材料热导率。AlN含量的作用：增加AlN体积分数因AlN颗粒高热导率而进一步改善混杂复合材料热导率。AlN纵横比的作用：增加AlN填料纵横比可明显增强热导率；高纵横比AlN颗粒与GNPs共同产生有效导热通路，使热性能优于仅含任一填料的体系。界面热阻的作用：增加界面热阻通过限制传热而降低石墨烯/AlN/聚合物复合材料有效热导率；因此，最小化界面热阻对于充分发挥混杂填料体系的热导率潜力至关重要。