聚硅氧烷导热复合材料具有柔软、易贴合、导热性能可控性强等优势，广泛应用于柔性电子等领域的散热管理中。传统共混方法制备聚硅氧烷导热复合材料的导热性能提升效率低，且在拉伸、压缩等形变下易产生断裂、硬化等问题，难以满足大形变下保持优异且稳定的导热需求。导热通路的优化设计及其可控构筑是赋予聚硅氧烷复合材料高导热性能的关键。然而，采用模板法、冷冻干燥法等方法构筑的导热通路结构简单，不具备大形变的能力。
受启发于攀援植物的三维螺旋状卷须能承受较大的拉伸形变而不断裂，本工作采用3D打印技术制备具有大形变能力的银纳米线螺旋导热通路（S-AgNW），将其与聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合制备大形变下具有优异和稳定导热性能的S-AgNW/PDMS复合材料。当AgNW体积分数为20 vol%时，S-AgNW/PDMS复合材料的导热系数（λ）达7.63 W m-1 K-1，约为纯PDMS的λ（0.18 W m-1 K-1）的42倍，也远高于相同体积分数AgNW在PDMS基体中随机分散的R-AgNW/PDMS复合材料的λ（5.37 W m-1 K-1）。且S-AgNW/PDMS复合材料的传热系数（0.29 W cm-2 K-1）约为相同体积分数 R-AgNW/PDMS复合材料传热系数（0.22 W cm-2 K-1）的1.3倍，用于CPU散热时可使其满功率工作温度较R-AgNW/PDMS复合材料作为散热材料时的CPU温度降低6.8oC。此外，得益于AgNW螺旋导热通路的大形变特性，S-AgNW/PDMS复合材料在200%伸长率、50%压缩率和180°弯曲角度等形变下的λ变化率均小于2%。
本工作有效解决了传统高分子复合材料导热性能提升效率低且在大形变下导热性能不稳定的关键难题，为高性能导热高分子的设计开发提供了一种新的研究思路和加工方法。
图1 S-AgNW/PDMS复合材料的制备示意图及AgNW的测试表征
图2 S-AgNW（a）及S-AgNW/PDMS复合材料（b-b’’）的光学照片，S-AgNW/PDMS复合材料的导热性能（c, d）及导热稳定性（e-g）测试
图3 S-AgNW/PDMS复合材料在拉伸（a）、压缩（b）、弯曲（c）形变下的导热系数及在形变前后的SEM（a’-c’）和热传导模拟图（a’’-c’’）
图4 S-AgNW/PDMS复合材料导热效果的实际应用测试
相关研究成果以“Consistent Thermal Conductivities of Spring-like Structured Polydimethylsiloxane Composites under Large Deformation”为题发表在Advanced Materials期刊上（Advanced Materials, 2024, 10.1002/adma.202404648）。西北工业大学化学与化工学院郭永强副教授为第一作者，北京航空航天大学王广胜教授和西北工业大学顾军渭教授为共同通讯作者。此研究工作得到基础加强计划、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基础研究计划重点项目和陕西省科技创新团队等的资助支持。
论文信息：
Yongqiang Guo, Shuangshuang Wang, Haitian Zhang, Hua Guo, Mukun He, Kunpeng Ruan, Ze Yu, Guang-sheng Wang*, Hua Qiu and Junwei Gu*. Consistent Thermal Conductivities of Spring-like Structured Polydimethylsiloxane Composites under Large Deformation. Advanced Materials, 2024, 36: 2404648. DOI: 10.1002/adma.202404648. (2023IF=27.4)
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404648
作者简介
郭永强，西北工业大学化学与化工学院副教授、硕士生导师。主要从事高性能导热高分子及其复合材料的设计制备及内禀机理研究。入选2023年科睿唯安全球“高被引科学家”。获陕西省自然科学奖二等奖1项。主持中国博士后科学基金面上资助项目等基金项目3项。以第一或通讯作者在Angew Chem Int Edit, Adv Mater和Adv Funct Mater等期刊发表学术论文19篇，2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”。参编《Thermally Conductive Polymer Composites》英文专著1部。授权国家发明专利10件。任中国复合材料学会导热复合材料专业委员会副秘书长。任Nano-Micro Lett、Carbon Energy期刊青年编委。
王广胜，北京航空航天大学化学学院副院长，教授、博导。主要从事纳米复合材料的设计制备及其吸波、电磁屏蔽、储能等性能研究。获中国复合材料学会科学技术奖二等奖1项、吉林省自然科学进步二等奖1项。主持国家自然科学基金等国家级项目8项。以第一或通讯作者在Nat Commun, Adv Mater和Adv Funct Mater等期刊发表学术论文100余篇。授权国家发明专利7件。任广东省锅炉传热介质标准化技术委员会副秘书长，中国复合材料介电高分子复合材料与应用专业委员，IET Nanodielectric期刊编委。
顾军渭，西北工业大学化学与化工学院院长，教授、博导，国家级领军人才、陕西省杰出青年科学基金获得者、“导热高分子复合材料”陕西省科技创新团队带头人。当选英国皇家化学会Fellow，英国皇家航空学会Fellow，英国材料、矿物与矿业学会Fellow。连续入选科睿唯安全球“高被引科学家”、爱思唯尔“中国高被引学者”。现任中国复合材料学会副秘书长/理事、中国复合材料学会导热复合材料专业委员会常务副主任、陕西省高分子科学与技术重点实验室副主任。主要从事功能高分子复合材料和纤维增强先进树脂基复合材料的设计制备及成型加工研究。以第一/第二完成人获陕西省自然科学奖二等奖、教育部技术发明奖二等奖等省部级科研奖励4项。获国际聚合物加工学会Morand Lambla Award（莫然达-拉姆伯拉成就奖，每届全球1名）、中国复合材料学会青年科学家奖、中国化学会高分子创新论文奖（2次）、高分子成型加工及其产业发展“新锐创新奖”等。主持国家自然科学基金联合基金重点项目等省部级及以上项目30余项。以第一和/或通讯作者在Angew Chem Int Ed, Adv Mater和Macromolecules等期刊发表学术论文180余篇。主/参编英文专著4部。授权国家发明专利34件。任Compos Sci Technol、Nano-Micro Lett、中国塑料等多个期刊副主编、编委。
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