導熱高分子復合材料因其良好的綜合特性，而在能源化工、通訊衛星、高速飛行器及人工智能等領域的熱控系統發揮重要作用。近年來，國內外研究人員通過模板法、自組裝法、化學氣相沉積等方法預制三維連續導熱網絡，結合高分子基體的浸漬和固化制備了一系列高導熱高分子復合材料。這些研究豐富了三維連續導熱網絡結構體系，推動了導熱高分子復合材料的快速發展。

研究表明，一方面，導熱網絡的構建能夠促進聲子在整個網絡的高效傳遞、提升復合材料的導熱性能；另一方面，聲子作為熱流的載體，其傳遞路徑的密度和分布也是決定導熱網絡熱流傳輸能力的關鍵，進而深刻影響復合材料的三維導熱性能。因此，發展新型高導熱高分子復合材料，不僅需要搭建導熱網絡，更重要的是要研究和實現對三維連續導熱網絡的精準、可控調節，進而可控調節和改善復合材料的三維導熱性能。

近日，天津理工大學陳莉教授團隊與天津大學封偉教授團隊合作，通過石墨烯在密胺網絡的組裝構建了超彈性石墨烯@密胺雙連續三維網絡，結合高分子基體的浸漬與固化制備高導熱復合材料。在固化過程中，借助三維壓縮模具，通過控制雙連續網絡的壓縮率和壓縮維度對石墨烯導熱網絡的取向度和質量含量進行精準控制。對于單向壓縮復合材料，當壓縮率大于70%時，復合材料的水平導熱系數迅速提高，當壓縮率為95%時，復合材料中石墨烯的含量達到2.6 wt%，復合材料的水平導熱系數達到1.68 W/mK，是未壓縮樣品導熱系數（0.175 W/mK）的近10倍。對于三向壓縮復合材料，復合材料導熱系數呈現各向同性，當三向壓縮率為70%時，復合材料中石墨烯的含量為4.82 wt%，復合材料的導熱系數達到2.19 W/mK。

圖(a)石墨烯@聚合物雙連續導熱網絡增強高分子復合材料制備流程；圖(b)導熱網絡結構調控示意圖；圖(c-e)分別為密胺網絡、氧化石墨烯@密胺網絡及石墨烯@密胺網絡的微觀結構照片 

結合實驗結果及有限元模型分析可知，三維連續網絡增強高分子復合材料中的導熱過程可分為兩個階段，分別是熱流在高分子基體的緩慢傳輸和在導熱網絡的快速傳導。當導熱網絡的密度較小時，高分子基體中遠離導熱網絡的區域會出現熱量集中，熱量難以快速擴散至導熱網絡，導熱網絡對復合材料導熱性能的提升有限。當導熱網絡的密度提高時，導熱網絡能夠對復合材料的導熱性能發揮較大作用。因此，在導熱填料含量一定的情況下，保障導熱填料的連續性的同時提高填料的分布密度對復合材料導熱性能的提升至關重要。柔性密胺網絡為石墨烯提供三維連續模板，石墨烯賦予密胺網絡高導熱性能，這種雙連續網絡能夠在保證導熱網絡連續性的基礎上可控調節其網絡結構，進而能夠靈活調控復合材料的導熱性能。將導熱復合材料薄片內嵌溫度傳感器，并集成于機器人手指，其對冷熱交替具有良好的感知能力。

該成果發表于Advanced Functional Materials期刊。論文第一作者為天津理工大學青年學者秦盟盟。

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https://doi.org/10.1002/adfm.201805053