北京化工大学ACS Nano：仿生热传导网络！聚合物复合材料实现金属级导热性能

摘要：随着电子设备日益小型化、集成化与高频化，其运行过程中产生的热量急剧积累，严重影响设备稳定性与寿命。热界面材料作为电子元件与散热器之间的关键热桥，亟需具备高垂直方向导热性能。然而，传统构建定向热传导网络的方法往往工艺复杂、能耗高，且忽视了整体热通量的限制，成为实

随着电子设备日益小型化、集成化与高频化，其运行过程中产生的热量急剧积累，严重影响设备稳定性与寿命。热界面材料作为电子元件与散热器之间的关键热桥，亟需具备高垂直方向导热性能。然而，传统构建定向热传导网络的方法往往工艺复杂、能耗高，且忽视了整体热通量的限制，成为实现导热性能进一步突破的主要瓶颈。

近日，北京化工大学于中振教授、李晓锋教授、刘骥教授提出了一种仿生“竹茎阵列-叶”热传导网络，通过温和的非共价功能化与层级结构组装策略，成功在环氧树脂复合材料中实现了289.5 W m⁻¹ K⁻¹的超高垂直导热率，超越了多数聚合物复合材料甚至部分金属。该设计以垂直排列的聚多巴胺功能化碳纤维为“茎”，负责长程热传导，而聚酰胺表氯醇修饰的石墨烯纳米片则自组装于纤维表面作为“叶”，增强横向热扩散与界面热耦合，从而显著提升整体热通量。相关论文以“A Biomimetic Thermal Conduction Network Enables Metal-Level Thermal Conductivity in Polymer Nanocomposites”为题，发表在ACS Nano上，论文第一作者为Zhang Sicheng。

图1展示了该仿生导热网络的构建过程及其结构特征。研究团队首先通过溶液处理将聚多巴胺包覆在碳纤维表面，形成带负电的mPCF；同时，利用阳离子-π相互作用将聚酰胺表氯醇修饰于石墨烯纳米片表面，得到带正电的mGNP。两者通过静电自组装形成类似竹子“茎叶”结构的mGNP@mPCF杂化体系。Zeta电位、XRD与拉曼光谱结果证实，该非共价功能化过程几乎未破坏填料石墨晶格结构，保障了其本征高导热性能。

图1：（a）基于仿生mGNP@mPCF网络制备导热环氧复合材料的示意图。（b）天然竹林与设计的具有“茎阵列-叶”结构的mGNP@mPCF阵列的实物图与SEM图像。（c）mGNP与mPCF的Zeta电位。（d,e）GNPs与PCFs在非共价表面功能化前后的XRD图谱。（f）GNPs与PCFs在非共价表面功能化前后的Raman光谱。

图2进一步揭示了该结构在热传导中的优势。相较于未修饰的PCF/环氧复合材料，mPCF的引入将垂直导热率从181.3 W m⁻¹ K⁻¹提升至220.2 W m⁻¹ K⁻¹，而引入mGNP形成“茎叶”结构后，mGNP@mPCF-5/EP复合材料在34.7 vol%填料含量下实现了289.5 W m⁻¹ K⁻¹的垂直导热率，较仅含mPCF的体系提升31.5%。有限元模拟显示，该结构在加热与冷却过程中均表现出更快的温度响应与横向热扩散能力。

图2：（a）原始PCF/环氧复合材料与具有“茎阵列-叶”结构的环氧复合材料中不同热传递行为的示意图。（b）不同复合材料的垂直导热率。（c）不同复合材料的水平导热率。（d）不同复合材料的模拟模型与瞬态温度分布计算结果。（e）不同复合材料的垂直/水平导热率比值与TCE值。（f）本研究的热导率-密度比与金属材料的对比。（g）本研究的垂直导热率与其他聚合物复合材料的对比。

图3通过多种理论模型与实验数据对比，系统分析了导热增强机制。平行模型与Maxwell-HS⁻模型的拟合结果表明，仿生结构有效降低了界面热阻，增强了填料与基体之间的热耦合。Agari模型拟合进一步证实mGNP的引入显著促进了横向热扩散，提升了整体热通量。

图3：（a）平行模型与Maxwell–HS⁻模型示意图。（b,c）实验测得导热率与多种理论模型预测值的比较。（d）基于Agari模型的垂直与水平导热率拟合曲线。（e）复合材料的热传导机制示意图。

图4展示了复合材料在实际热管理场景中的优异表现。在LED散热测试中，使用mGNP@mPCF/EP作为热界面材料，可将芯片表面温度降低至50.2°C，较商用硅胶垫提升68.1%，并在60次循环中保持稳定散热性能，展现出卓越的可靠性与适用性。

图4：（a）样品在加热与冷却过程中的红外图像及表面温度变化。（b）加热过程中样品表面温度随时间变化曲线。（c）冷却过程中样品表面温度随时间变化曲线。（d）集成mGNP@mPCF/EP复合材料作为TIM的LED芯片示意图。（e）不同功率密度下LED芯片温度随时间变化曲线。（f）LED芯片稳态温度随功率密度变化曲线。（g）LED反复开关过程中mGNP@mPCF/EP复合材料作为TIM的稳定性表现。

图5则从力学性能角度验证了该结构的综合优势。mGNP@mPCF-5/EP复合材料的弯曲强度与模量分别达到315.8 MPa与88.7 GPa，较未修饰体系提升约19%与35%。SEM图像显示，表面功能化与“叶状”mGNP的引入增强了纤维与基体间的界面结合，促进了裂纹偏转与能量耗散，从而提升了材料的机械韧性。

图5：（a）不同复合材料的弯曲强度与弯曲模量。（b）本研究中mGNP@mPCF/EP复合材料的弯曲强度与导热率与文献报道值的对比。（c）mGNP@mPCF/EP复合材料与其他材料（如AlN、Al、未修饰PCF/EP）的性能对比。（d）PCF/EP与mGNP@mPCF/EP复合材料轴向脆性断裂表面形貌与结构示意图。（e）PCF/EP与mGNP@mPCF/EP复合材料弯曲断裂表面形貌及断裂机制示意图。

综上所述，本研究通过仿生“竹茎阵列-叶”热传导网络的设计，成功实现了聚合物复合材料在导热与力学性能上的双重突破，为高功率、高频率电子系统中的热管理材料提供了新的设计范式与实用解决方案。