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熱管理背景
隨著5G通信、新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域功率密度和熱負(fù)荷的激增，傳統(tǒng)散熱材料已難以滿足高效熱管理的需求。
如何實現(xiàn)快速導(dǎo)熱、精準(zhǔn)控溫，同時兼顧輕量化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定？高導(dǎo)熱多孔骨架的出現(xiàn)為這一難題提供了革命性解決方案。
在高分子聚合物基體上添加導(dǎo)熱填料，可以有效增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，一般可以添加一種填料，也可以添加兩種以上的復(fù)合填料。當(dāng)將導(dǎo)熱填料和高分子基體混合之后，填料表面會被聚合物包覆，阻礙了填料之間的接觸效果。即使通過各種取向操作，也無法避免有機(jī)組分的介入。而控制填料之間通過直接互聯(lián)形成三維連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，可以有效避免這個問題。
高導(dǎo)熱多孔骨架制備方法
1.粉末混合方法
粉末混合方法導(dǎo)熱增強(qiáng)效果顯著優(yōu)于溶液混合和熔融混合。這是由于粉末混合促進(jìn)填料形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也叫做隔離結(jié)構(gòu)。此時填料和聚合物基體形成雙連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)，填料之間搭接良好，界面熱阻得到顯著下降。
具有隔離結(jié)構(gòu)PS/Cu復(fù)合材料制備流程圖
2.預(yù)構(gòu)骨架法
粉末混合熱壓法雖然操作簡便，但是當(dāng)填料含量較高時，聚合物顆粒狀基體的連續(xù)性將被破壞，最終形成填料完全包裹基體的分散狀態(tài)，這對復(fù)合材料的力學(xué)性能會產(chǎn)生不利的影響。
預(yù)構(gòu)骨架法可以保證填料和基體形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合材料可以同時發(fā)揮聚合物和導(dǎo)熱填料的優(yōu)勢。為了得到多孔導(dǎo)熱骨架，常用的方法包括凝膠-凍干法、有機(jī)模板法、CVD法、添加致孔劑法等。
有機(jī)模板法制備石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料流程示意圖
3.預(yù)構(gòu)孔洞法
和預(yù)先構(gòu)筑導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)相反，一些科研工作者另辟蹊徑，先制備多孔的聚合物基體，再在孔洞內(nèi)灌注導(dǎo)熱填料，同樣可以實現(xiàn)連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。
PDA-rGO/SR復(fù)合材料內(nèi)部三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑示意圖
高導(dǎo)熱多孔骨架具體案例
1.多孔石墨骨架
三峽大學(xué)團(tuán)隊提出了一種基于3D打印技術(shù)，結(jié)合酚醛樹脂包覆預(yù)處理、真空壓力浸漬致密與化學(xué)氣相浸滲工藝等，最終制備的高導(dǎo)熱多孔石墨骨架熱導(dǎo)率高達(dá)300W/m·k以上，密度達(dá)1.8g/cm³以上。該技術(shù)可調(diào)控孔洞數(shù)量、大小及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，適用于集成電路散熱等高精度場景。
2.微孔碳基骨架
吉林大學(xué)團(tuán)隊采用聚氨酯泡沫為模板，通過石墨粉末與高殘?zhí)紭渲膹?fù)合浸漬，形成表面具有0.8–20μm微孔結(jié)構(gòu)的碳基骨架。這種骨架無需復(fù)雜二次加工，即可顯著增加與相變材料的接觸面積，導(dǎo)熱性能提升40%以上，且抗循環(huán)熱沖擊能力突出。
3.三維石墨烯骨架
鄭州大學(xué)團(tuán)隊通過冰模板組裝石墨烯納米板（GNP），結(jié)合碳化處理實現(xiàn)相鄰GNP的晶格連接，構(gòu)建了低界面熱阻的三維石墨烯骨架，該骨架與相變材料復(fù)合后導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)7.032W/m·K，是未碳化骨架復(fù)合材料的兩倍多。
總之，三維填料骨架制備工藝多樣，增強(qiáng)效果顯著，相比傳統(tǒng)的混合方法在提髙復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)方面具有巨大優(yōu)勢。一方面，結(jié)構(gòu)中填料之間互相搭接形成連續(xù)的填料網(wǎng)絡(luò)，填料之間界面熱阻得到有效抑制；另一方面，填料和基體形成了雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料填充閾值大幅降低。在較低的填充量下，復(fù)合材料既可以表現(xiàn)出良好的熱傳導(dǎo)性能，同時可以兼顧聚合物基體本身的優(yōu)點(diǎn)，比如良好的柔韌性、電絕緣性等，在電子器件熱管理領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。
2025年5月28日，中國粉體網(wǎng)將在江蘇·蘇州舉辦“第二屆高導(dǎo)熱材料與應(yīng)用技術(shù)大會暨導(dǎo)熱填料技術(shù)研討會”。屆時，我們邀請到中國礦業(yè)大學(xué)朱春宇教授出席本次大會并作題為《高導(dǎo)熱多孔骨架制備及其強(qiáng)化熱管理復(fù)合材料性能》的報告。本報告將聚焦定向?qū)岫嗫坠羌艿慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計與制備，對其制備工藝與熱管理復(fù)合材料的熱性能展開探究，揭示其獨(dú)特的熱學(xué)特性及潛在應(yīng)用價值。
專家簡介
朱春宇，中國礦業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，江蘇省特聘教授，日本北海道大學(xué)博士。主要從事熱管理功能材料、相變材料蓄熱儲能、儲能技術(shù)等相關(guān)研究。目前，已署名發(fā)表論文150余篇，其中第一或通訊作者論文90余篇發(fā)表在Advanced Functional Materials, Nano Letters, Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal, 工程熱物理學(xué)報，化工學(xué)報等期刊。
參考來源：
1.國家知識產(chǎn)權(quán)局，Chemical Engineering Journal
2.肖超. 三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑及其環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能研究. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
3.陶璋. 導(dǎo)熱增強(qiáng)型三維多孔網(wǎng)絡(luò)基相變復(fù)合材料制備及性能研究. 北京科技大學(xué)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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