聚合物通常被認為是低導熱的，其分子鏈的不對稱性、無規線團似的構象、晶區的短程非周期性以及非晶區和缺陷都是造成聲子散射的重要因素。但聚合物也可以是高導熱的，例如把聚乙烯材料進行超倍拉伸形成伸直鏈晶體后，納米纖維的導熱系數可以超過100 W/m K。四川大學傅強教授/吳凱副研究員團隊的前期研究表明（Advanced Science, 2021，2004821），利用聚乙烯纖維的高導熱性質，通過加工的手段可以在聚合物基體內定構連續的纖維導熱通道，任意定義復合材料內的傳熱路徑。他們認為，區別于聚合物/填料的異質界面，聚合物纖維內晶區-非晶區之間的同質界面被數個大分子鏈串聯，可能具有類似的聲子振動模式，表現為極低的界面熱阻（Foygel模型擬合后僅為10-11 m2 K W?1數量級）。這種方法可以將有機塊體材料的導熱系數由原本的0.24 W/m K提高至38 W/m K，為開發具有可控熱傳導功能的復合材料帶來了全新的機會。
圖1.相變材料的加工定構、結構優化及聚光熱電發電應用。
近期，他們基于這一認識，將有機聲子通道加工到一種具有高相轉變溫度（?170 ℃）的甘露醇材料中，如圖1。為了保證聚合物分子鏈不至于在相轉變的時候松弛，他們將線性脂肪族聚合物拓展至含有剛性芳香結構的聚對苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維。PBO主鏈結構線性規整、少有側基，不會因側基旋轉而引起聲子-聲子散射，因此單根纖維在超倍拉伸之后可以表現出>40 W/m K的定向導熱能力。將這些柔性的纖維加工成具有仿射狀的微觀結構、并賦予其圓臺狀的宏觀構造，他們可以在相變材料內很好地調控熱量的輸運通道。與熱電器件集成并置于聚光束下，這種傳熱結構巧妙地優化了光-熱-電轉化裝置的熱管理性能，讓相變材料的充熱速度與放熱速度更好地匹配。在自然光照的情形下，實現了單位面積相變材料198.7 W/m2的輸出功率。
相關成果以 “A Structured Phase Change Material with Controllable Thermoconductive Highways Enables Unparalleled Electricity via Solar-Thermal-Electric Conversion” 為題發表在Advanced Functional Materials期刊上，四川大學與南京理工大學聯合培養博士生張永正為本文的第一作者，通訊作者為四川大學高分子學院的吳凱副研究員和傅強教授。感謝國家自然科學基金面上基金（No. 51573102 和No. 51421061）、江蘇省自然科學基金青年基金（No. BK20200501）對本工作的支持！
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202109255
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