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  聚合物熱管理材料具有金屬或陶瓷材料不可比擬的性能，比如易加工性、低密度、高柔韌性等。但是，聚合物較低的導(dǎo)熱系數(shù)以及較差的高溫耐受性（＞200℃）極大地限制了其在高溫環(huán)境下或者針對(duì)高功率電子器件的熱管理應(yīng)用。目前，研究者主要將精力集中在設(shè)計(jì)新型的聚合物/填料復(fù)合材料，主要通過優(yōu)化導(dǎo)熱填料的本征化學(xué)/物理結(jié)構(gòu)、定構(gòu)導(dǎo)熱填料的三維網(wǎng)絡(luò)等方式提高聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

  四川大學(xué)傅強(qiáng)教授研究的團(tuán)隊(duì)和南京理工大學(xué)的吳凱博士圍繞上述問題提出了一系列提高聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的新方法：例如構(gòu)筑貫穿雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Compos. Sci. Technol. 2016, 130, 28; Compos. Sci. Technol. 2017, 151, 193.）、設(shè)計(jì)隔離雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 7637;）、二維導(dǎo)熱納米片邊緣選擇性羥基化的策略（J. Mater. Chem. A 2018, 6, 11863; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 30035; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 40685.）等等。

圖1. 基于剛性棒狀A(yù)NF與BNNS構(gòu)筑的導(dǎo)熱通路示意圖：BNNS-BNNS的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于導(dǎo)熱高速公路，剛性棒狀A(yù)NF相當(dāng)于導(dǎo)熱橋梁。

  基于上述的研究結(jié)果，針對(duì)進(jìn)一步提高熱管理材料的導(dǎo)熱性和高溫耐受性，本文作者從聚合物本身的分子鏈結(jié)構(gòu)出發(fā)，選擇了具有剛性芳香環(huán)作為基本結(jié)構(gòu)單元的線性大分子PPTA作為聚合物基體的基本構(gòu)筑單元，通過自組裝誘導(dǎo)一維PPTA納米纖維（ANF）從蠕蟲狀向剛性棒狀構(gòu)型轉(zhuǎn)變，并與邊緣選擇性羥基化的BNNS復(fù)合制備了一種具有超高導(dǎo)熱系數(shù)、高溫極其穩(wěn)定的絕緣熱管理薄膜。

圖2. (a) 芳綸纖維，(b) 蠕蟲狀A(yù)NF和 (c) 剛性棒狀A(yù)NF的電鏡/顯微鏡照片；(d) ANF溶液的溶液流變性能；(e) ANF從蠕蟲狀向剛性棒狀轉(zhuǎn)變的示意圖。

  由于剛性棒狀A(yù)NF內(nèi)分子鏈的纏結(jié)和扭曲較少，PPTA分子鏈可能以更規(guī)整、伸直的狀態(tài)排列成完好的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因此使ANF沿分子鏈方向的導(dǎo)熱系數(shù)可以提高20倍以上。此外，緊密堆砌的ANF與BNNS之間由于良好的界面相互作用以及聲子振動(dòng)匹配也更有利于熱流在1D/2D結(jié)構(gòu)內(nèi)良好地傳遞。因此，在BNNS含量?jī)H為30wt%時(shí)，這種復(fù)合薄膜顯示出了前所未有的高導(dǎo)熱系數(shù)（46.7 W/m K），是相應(yīng)蠕蟲狀A(yù)NF/BNNS復(fù)合薄膜的2.37倍。此外，這種高溫極其穩(wěn)定的熱管理薄膜還具有低密度高熱導(dǎo)28.9 W m^-1 K^-1/10³ (kg m^-3)、高強(qiáng)度（＞100 MPa，450℃）等優(yōu)點(diǎn)，使其能夠在200℃以上對(duì)一些高溫電極進(jìn)行良好的熱管理。本工作將有望拓寬有機(jī)高分子材料在高溫電子封裝或高功率散熱器件的應(yīng)用。

圖3. (a) BNNS和ANF的模型示意圖；(b) ANF和氮化硼的聲子振動(dòng)能譜；(c) 紅外光譜證明ANF與BNNS的界面π-π相互作用；（d-f）分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算ANF的導(dǎo)熱系數(shù)。

  該工作發(fā)表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, 1906939)上。論文的第一作者和通訊作者為南京理工大學(xué)化工學(xué)院吳凱博士，共同通訊作者為四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院傅強(qiáng)教授以及澳大利亞迪肯大學(xué)Lei Weiwei博士。該工作得到了南京理工大學(xué)科研啟動(dòng)基金（AE89991/222）、國家自然科學(xué)基金（No. 51573102和No. 51421061）的大力支持。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906939