综述：基于聚合物的复合材料中的结构-热传输关系：模型、测量方法与微观结构控制

《Chinese Journal of Structural Chemistry》：Structure-Thermal Transport Relationships in Polymers-based Composites: Models, Metrology, and Microstructure Control

聚合物基复合材料热导率提升研究综述。该文系统分析了分子设计、填料选择、界面工程及微结构调控对聚合物复合材料热导率的协同作用，提出多尺度建模与标准化测量方法的重要性，并探讨了其在柔性电子、高功率器件等领域的应用前景。

　　

Munshi Jasimuddin|王志杰|黄嘉静|文家旺|林月

中国科学院福建物质结构研究所功能晶体与器件国家重点实验室，中国福建省福州市，350002

摘要

聚合物在现代技术中不可或缺，因为它们具有轻质、可加工性和良好的机械性能，但其固有的低热导率限制了从柔性电子和能源设备到热接口等应用中的热管理效果。最新研究表明，通过一个涵盖分子有序性、介观形态和复合结构的层次化结构-性能框架来看，聚合物的热传输特性是高度可设计的。本文综述了热导聚合物和基于聚合物的复合材料的进展，将多尺度建模、可靠的计量方法和微观结构工程相结合。首先，我们讨论了捕捉无序链中声子主导传输的理论和计算方法，并量化了聚合物-填料界面处的热阻。然后，我们比较了关键的测量技术，并强调了测试配置、压力、各向异性和样品制备对所测得的热导率和热阻指标的影响。进一步分析了三个层面的材料策略：(i) 分子设计和链排列以提高聚合物本身的热传输能力；(ii) 填料选择和界面工程以减少振动失配和界面电阻；(iii) 架构化网络、取向和层次化路径以实现高效、可扩展的热传导。最后，我们概述了建立可转移的设计规则、标准化计量方法和可制造的高性能、可靠热管理聚合物和复合材料的途径中的新兴机会和剩余挑战。

引言

现代电子设备朝着小型化、集成化和更高功率密度的不断推进，从高性能计算芯片和5G通信设备到电动汽车动力系统，引发了一个关键挑战：高效的热管理。过多的热量积累会严重降低设备性能，降低可靠性，并缩短其使用寿命。因此，有效的热管理已成为电子技术持续发展的核心问题。许多热管理解决方案的核心是复合材料，例如热界面材料（TIMs）[1]。TIMs应用于两个固体表面（例如，发热芯片和散热器）之间，以填充由表面粗糙度造成的微小空气间隙。由于空气是不良的热导体（约0.026 W·m^-1·K^-1），这些间隙会产生显著的热阻，阻碍热量流动并导致工作温度升高。TIMs通过用更高热导率的材料替代被困的空气来发挥作用，从而降低界面热阻并促进高效的热量散发。在各种TIMs中，基于聚合物的材料，特别是像硅胶和环氧树脂这样的弹性体，由于其固有的柔韧性、优异的电绝缘性能、易于加工和低成本而得到了广泛应用。然而，一个根本的限制制约了它们的性能：块状聚合物的固有热导率较低（通常在0.1到0.5 W·m^-1·K^-1的范围内），这源于其非晶结构中的无序性和分子链中的强烈声子散射。为了克服这一限制，一种常见且非常有效的策略是将热导填料（如陶瓷（例如氮化硼（BN）、氧化铝（Al₂O₃）[2], [3]、金属（例如银（Ag）、铝（Al）[4], [5], [6]）或碳基材料（例如石墨、石墨烯、碳纳米管（CNTs）[7], [8], [9], [10]））纳入聚合物基体中，形成复合材料。虽然概念很简单，但在实践中实现高热导率是一个复杂的科学和工程挑战。这不仅仅取决于填料本身的导热性，还受到填料含量、形状、尺寸分布以及最重要的是复合材料的三维微观结构等因素的深远影响。在聚合物基体内形成高效、连续的热传导路径或网络对于显著提高热导率至关重要。本文旨在全面概述基于聚合物的热导复合材料在热接口应用领域的最新进展。我们将首先探讨描述这些异质材料中热传输的基本模型，然后总结准确测量热导率的关键实验技术。本文的核心将深入探讨提高热性能的策略，重点关注各种类型的热导填料以及微观结构控制在复合材料设计中的关键作用（图1）。最后，我们将探讨这些先进材料的当前应用，并讨论这一快速发展的领域的未来研究方向和前景。

部分摘录

复合材料中热导率的建模与仿真

对复合材料的热导率进行建模对于预测先进功能系统中的热传递至关重要，因为微观结构、界面质量和异质材料相显著影响热行为[11]。由于复合材料的填料几何形状、基体性质、界面特征和工作温度存在显著差异，单一的建模技术不足以涵盖所有相关的物理现象。

热导率测量技术

精确确定热导率对于设计能够在多种机械、化学和环境条件下可靠运行的下一代热管理材料至关重要。由于聚合物及其复合材料的导热率范围广泛，并且受到结晶度、填料结构、界面电阻和相变的强烈影响，没有一种测量技术可以普遍适用。

聚合物的热导率

聚合物因其轻质、柔韧性、易于加工和优异的电绝缘性能而被广泛应用于TIMs、柔性电子和储能等领域。然而，大多数聚合物相对较低的热导率（通常为0.1-0.5 W·m^-1·K^-1）严重限制了它们在高功率设备中的散热能力[36]。近年来，通过

热导填料

基于聚合物的TIMs作为关键的桥梁，填充散热器和热源之间的微小间隙。其核心热传导性能主要取决于所加入的热导填料，而不是聚合物基体本身。填料通过建立高效的三维热传导路径，显著提高了材料的整体热导率。

复合材料中的微观结构控制

最近在策略性地设计填料结构和复合材料内部界面相互作用方面的进展极大地增强了它们的散热能力和机械完整性。

热导聚合物复合材料的应用

随着现代工业对高效热调节需求的增加，开发创新的热导材料变得越来越重要。与传统的热导体（如金属、陶瓷和碳基材料）相比，聚合物复合材料为热管理解决方案提供了一个多功能和适应性强的平台。热导聚合物复合材料正在越来越多的新兴应用中得到采用。

结论

这篇全面的综述系统地研究了提高基于聚合物的复合材料热导率的多方面策略，涵盖了内在聚合物设计、填料选择、界面工程和复杂微观结构控制等相互关联的领域。虽然已经取得了显著进展——从导热性较低的聚合物发展到在特定方向上可与金属媲美的复合材料——但该领域仍处于关键发展阶段。

CRediT作者贡献声明

Munshi Jasimuddin：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理。

Zhijie Wang：撰写——审稿与编辑，研究，数据管理。

Jiawang Wen：撰写——审稿与编辑，方法论。

Jiajing Huang：研究，数据管理。

Yue Lin：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突

致谢

Y.L. 感谢国家自然科学基金（52273029）、福建省光电信息科技创新实验室（2021ZZ119）、福建省自然科学杰出青年学者基金（2023J06045）、功能晶体与器件国家重点实验室自主部署项目研究计划（GNJT-2025-ZD07）以及中国海西研究院的自主部署项目研究计划的支持。