導熱機理
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
導熱機理的實例教程
本文綜述了當前本征導熱聚合物研究進展，分析和討論了影響聚合物導熱的結構及其他因素，闡述了導熱聚合物的制備方法及策略，提出了未來在傳熱機制、結構與性能及宏量制備等方面面臨的挑戰。
當前研究中仍存在如下幾個關鍵問題待解決：1）聚合物熱傳輸的深層次物理機制，2）本征導熱模型構建，3）多尺度分子鏈結構對聲子熱傳遞的協同影響機制，4）聚合物分子鏈的拓撲幾何結構變化對導熱的定量調控機制，5）本征導熱聚合物的低成本宏量制備新技術研究，未來研究主要圍繞上述問題展開。
借助分子模擬、分子傳熱理論和機器學習工具，首先從原子及分子水平闡明聚合物的熱傳遞物理機制及多尺度分子鏈結構對聲子導熱的影響機理，系統構建出聚集態結構與聚合物導熱關系的理論框架。
面向宏量制備及工業應用，熱固性導熱聚合物的制備重點聚焦于設計不同結構形態的致晶基元，基于調控自組裝液晶疇在交聯網絡內的空間拓撲結構來同步提升導熱及電絕緣性能。熱塑性導熱聚合物應聚焦借助取向和鏈間非共價作用協同構筑從分子?介觀?宏觀的多尺度有序結構，同步實現高絕緣導熱性能，最終實現工業化應用。
本征導熱聚合物同步集成了高導熱、卓越電絕緣、優良力學強度及柔韌性、光學透明等綜合優勢，隨科技發展，兼具優異輻射制冷性能、疏水、透氣性、智能等新型功能的導熱聚合物將為可穿戴冷卻微電子產品提供新機遇。
隨著對聚合物熱傳輸機理的深刻理解及制備新方法的不斷突破，在不遠的將來，導熱高分子憑借其綜合的獨特性能將在許多現有的和新興的領域發揮越來越重要的作用。
展開 但其本體導熱系數低（λ在0.18～0.44 W/mK之間），無法適應有機太陽能電池、儲能材料、特高壓輸電設備和大功率LEDs等電子、電氣設備及元器件高效快速的導/散熱要求。
西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”（SFPC）課題組長期聚焦本征高導熱高分子的設計合成以及導熱高分子復合材料的可控制備及內稟機理研究。近5年來，在**重點項目、國家自然科學基金、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目和廣東省基礎與應用基礎研究基金重點項目等的資助下，SFPC課題組系統開展了本征高導熱高分子的設計合成、新型異質結構填料的優化制備、導熱填料的表面功能化改性，以及導熱高分子復合材料的制備調控、導熱模型構建和導熱機理研究，并基于本征導熱、共混復合和外場誘導成型加工，“基體-界面-填料”的熱傳輸性質以及“分子鏈-導熱通路-導熱性能”本構關系研究，制備出多種導熱高分子復合材料及制品，完善和發展了其導熱機理。
展開 來源 | FOCC-TJU公眾號
FOCC團隊封偉教授編著的《智能導熱材料的設計及應用》由清華大學出版社出版發行。該著作入選“十四五”國家重點出版物出版規劃項目，受到國家科學技術學術著作出版基金資助，同時也列入先進芯片材料與后摩爾芯片技術叢書。
《智能導熱材料的設計及應用》以面向新型熱管理應用的智能導熱材料為目標,根據當今智能導熱材料的發展現狀,從材料的概念、傳熱原理、結構設計及應用等角度展開介紹。該書共有7章,分別為導熱概述(概念、導熱機理、影響因素及分類),智能導熱材料概述,智能化性能設計,智能導熱材料設計,智能導熱材料應用,智能導熱材料在先進芯片中的應用,結論與展望。該書可作為相關專業本科生和研究生的教材。希望通過該書可以激發廣大讀者及相關領域研究人員對智能導熱材料的興趣,并為從事相關研究的工程技術人員提供參考。
智能導熱材料為導熱材料的一個重要分支。它是一種以熱量快速疏導為目的,通過智能熱控技術,利用其熱導率可智能調控的特點實現對被控對象與外界從隔熱到良好導熱的自主調控的新型功能材料,屬于材料、化學、物理等多學科交叉的一項基礎研究。智能導熱材料具有響應速度快、精確調節系統溫度和顯著降低資源消耗的特點,在民用電子、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。同時,隨著近年來空間技術、人工智能、航空航天等領域的快速發展,對于溫度敏感、發熱量較大且環境溫度復雜的設備,如通信終端、蓄電池、芯片電子等,亟需發展能夠即時感知外界環境、自主熱流調節的新型智能導熱材料。然而,受熱導率低、回彈性差、附著力弱等綜合因素的影響,材料的智能感知調節能力相對較差,因此,材料暫時未能全面滿足多種復雜環境的應用需求。基于此,當今國內外學者對智能導熱材料的機理、控制、應用范圍開展了較多研究。
展開 圖2 BP-NH2與MWCNTs-COOH共價反應的機理
隨后，研究人員結合XRD、Raman、XPS、NMR和FTIR等多種表征技術，證實BP-NH2與MWCNTs-COOH的確發生了共價反應，形成了酰胺鍵（圖3）。
圖3 MWCNTs-COOH和BP-MWCNTs的表征：（a）XRD圖；（b）拉曼光譜；（c）XPS光譜；（d）BP-MWCNT的C 1s信號；（e）BP-MWCNT的N 1s信號；（f）BP-MWCNT的O 1s信號；（g）BP、BP-NH2和BP-WMCTNS的31P NMR；（h）BP-NH2和BP-WMCTNS的1H NMR；（i）MWCNTs-COOH和BP-WMCTNS的13C NMR；（j）傅立葉變換紅外光譜；（k）TGA曲線；（l）DTG曲線
導熱性能測試，如圖4所示。在BP-MWCNTs添加量僅為20.0 wt%，CNF復合材料具有高達22.38 ± 0.39 W?m-1?K-1的面內導熱系數，相比于純的CNF，提升了3.92倍，其各向異性指數高達62.17。有效介質理論（EMT）計算表明，由于BP納米片和MWCNTs的共價連接作用，其界面熱阻降至純MWCNTs納米片的1/39。
圖4 （a）面內導熱系數；（b）垂直導熱系數；（c）復合膜的各向異性指數
導熱機理分析，如圖5所示。對于CNF/BP-MWCNTs，由于BP-NH2與MWCNTs-COOH之間的共價橋連作用，一方面，提高了MWCNTs-COOH的排列有序性，其界面熱阻被顯著降低；另一方面，共價鍵連接有效彌補了MWCNTs-COOH的邊緣缺陷，減少了傳熱過程中聲子的散射和損失。
展開 圖2 （a）面內導熱系數；（b）導熱系數提高因子（TCEF）；（c）柔性膜的導熱機理
導熱機理認為：對于還原氧化石墨烯（RGO）膜，盡管還原過程可以有效去除含氧官能團，但是其自身依舊存在大量的結構缺陷，且BP-NH2納米片的團聚會產生巨大的界面熱阻，當熱流穿過薄膜時，聲子的傳輸會受到阻礙，無法形成通暢的導熱通路。對于還原的柔性復合膜（RPNG），由于BP-NH2通過共價鍵而非物理作用與GO相連，一方面，可以有效連接相鄰的石墨烯納米片，降低其片層之間的界面熱阻。另一方面，BP-NH2上的氨基也將相互形成氫鍵，進一步延長導熱路徑，加速聲子的傳導，使傳熱過程幾乎沒有損失。
為了檢驗該工作在實際熱管理中的應用，研究人員使用紅外熱像儀觀測了柔性復合膜在加熱和冷卻過程的表面溫度變化，如圖3所示。從圖3可以看出，當樣品連續加熱15s時，RPNG 20膜的表面溫度迅速從34.5 °C升高到了112.1 °C，顯示出超高的傳熱速率。與加熱過程相似，RPNG 20膜可以在5 s內從112.1 °C快速冷卻到47.2 °C，再次證實了RPNG 20膜具有極高的傳熱效率，有望在電子設備的散熱中發揮重要作用。
圖 3（a）熱管理應用示意圖；（b）加熱和冷卻過程中的溫度變化截圖；（c）柔性復合膜的溫度-時間曲線
阻燃性能測試（圖4）表明，由于存在含氧官能團，GO膜在燃燒20s后就被完全燒盡，幾乎沒有任何殘留物。對于RGO膜，由于還原過程中氧含量的降低，其薄膜在燃燒后會留下一定量的殘留物，但會發生嚴重的卷曲和變形，無法滿足實際的生產需求。與GO膜和RGO膜相比，RPG膜和RPNG膜都表現出優異的阻燃性，它們在燃燒過程中幾乎沒有質量損失。
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導熱機理的最新內容
熱開關示意圖和導熱系數調控機理。
研究采用電場觸發的 AFE-FE 相變來實現熱轉換。圖 1 是通過相變實現熱導率可逆調制的示意圖。在外場為零時，PbZrO3（PZO）的結構為反鐵電體（AFE），空間群為 Pbam，具有“↑↑↓↓”反平行偶極排列。在這種情況下，其結構十分復雜，n 值高達 40，導致其k 值較低，即處于“關斷”狀態。
基于此,當今國內外學者對智能導熱材料的機理、控制、應用范圍開展了較多研究。研究主要包括微納材料結構設計、導熱納米粒子的定向控制、高導熱智能材料設計、高新熱管理應用技術、芯片智能導熱材料設計及應用等,為智能導熱材料的突破和發展奠定了基礎。
本文首先討論了聚合物的本征導熱機理，系統深入地分析和評述了單體及分子鏈結構、結晶、取向、分子鏈間作用、交聯、缺陷等結構因素，以及溫度、壓力、環境等因素對聲子熱傳遞及聚合物導熱的影響機理，進一步歸納了本征導熱聚合物的制備策略和途徑。最后總結了當前本征導熱聚合物研究面臨的主要問題和挑戰，展望了未來發展方向及其在眾多領域的重要潛在應用。
1.1石墨烯導熱機理
圖 1 為石墨晶體的結構，每個碳原子都是以 sp2 雜化軌道與旁邊的其他三個碳原子形成化學共價單鍵，構成一個網狀的六元環結構，單層石墨烯就是結構就是由這些六元環結構連接而。
圖 3 為顆粒、線狀和片狀填料加入 CFRP 復合材料導熱機理的示意圖。
填充型導熱復合材料的導熱機理可以通過導熱路徑理論、熱滲流理論和熱彈性系數理論三種不同的理論來解釋。其中，熱傳導路徑理論是最被廣泛接受的機理。熱傳導路徑理論、熱滲流理論和熱彈性系數理論示意圖，如圖4所示。
圖4.復合材料的導熱機理。
1.1 熱傳導路徑理論
通過在聚合物基體中連接導熱填料來建立導熱路徑。
通過闡明雙組分多通道三維網絡的導熱機理，優化納米片納米纖維膜的堆疊結構，與PI/50BNNS相比，PI/50BNNS@2.5rGO納米纖維復合膜的力學性能提高了168%。這是由于BNNS和rGO之間的堆積效應和界面相互作用。此外，BNNS與還原氧化石墨烯之間的協同效應降低了有效聲子散射，從而降低了界面熱阻。隨著BNNS含量的增加，獲得了類似天然珍珠質的層狀微觀結構。
來源 | 哈爾濱工程大學學報
作者 | 王孟奇，李維，崔正明，陳志宏，官建國
單位 | 武漢理工大學 材料復合新技術國家重點實驗室
摘要: 針對電子和通訊設備小型化、高度集成化帶來的散熱和電磁兼容困難問題，本文研究分析了導熱吸波材料的發展現狀，從單一的導熱功能材料和吸波功能材料的設計制備出發，歸納了導熱機理與吸波機理以及影響導熱和吸波性能的重要因素
圖6.復合材料的導熱性能增強機理示意圖。
圖7.復合材料的電磁屏蔽性能。
圖8.PEEK復合材料的熱管理能力，以及與隨機分散填料復合材料的對比。
采用有限元模擬方法研究了定向SCFs與Al球形顆粒復合材料的工作機理和導熱性能。
此外，利用紅外熱像儀觀察了復合材料在加熱和冷卻階段的表面溫度變化。當SCF-90作為裸模和筆記本電腦熱管之間的TIM時，溫度下降了16℃，表明SCF-90成功地實現了沿垂直定向碳纖維基三維網絡的高效傳熱。這項工作說明了使用SCFs制備高導熱3D網絡的前景，可用于未來電子設備的熱管理。
