随着5G技术的日益成熟，微电子产品的散热问题成为一个亟待解决的难题。高效地解决这个难题的策略是制备高热导率的导热高分子复合材料。目前，大多数报道文献中，难以提出一种简单的、可靠的、低成本、有效的方式来制备高导热的导热高分子复合材料。本文，天津工业大学材料科学与工程学院包晨露副教授团队研究开发了一种超重力自组装技术，用于制备不同类型的高导热复合高分子材料。相关成果，已发表在《Energy Conversion and Management》和《Carbon》上。天津工业大学博士生袁涛为论文第一作者，通讯作者为天津工业大学材料科学与工程学院包晨露副教授。
前期工作发现，超重力自组装技术能够完全融入到高分子加工流程中（包括：原位聚合、熔融共混、溶液共混），并能够取得大幅度地提升其导热性能。
超重力自组装技术制备高导热/导电的复合相变（PCM）材料（图1）。该复合PCM材料的垂直热导率达到17.0 W/mK，电导率也达到60.5 S/cm。复合PCM材料可以与热电组件（Bi2Te3）组装成可扩展PCM基光热电矩阵。其中，制备复合PCM材料能够被当作热/电桥和稳压器。复合PCM基光热电矩阵的输出功率/功率密度分别达到7.13mW和6.34W/m2。同时，其输出电压波动也被抑制了30%。
超重力自组装技术也可以制备低密度且高导热/导电的聚乙烯醇复合材料（图2-3）。通过超重力的振实效应和失水的干缩效应，促使该材料在低密度（0.28~0.64 g/cm3）下，热导率可以达到2.42~8.45 W/mK，电导率也可以达到8.16~230.40 S/m。同时，该材料还具有良好机械可加工性、抗冲击性能、抗老化性以及电磁屏蔽性能，可比肩于热处理过的高性能碳泡沫。
图1. （a）可扩展复合PCM基光热电矩阵搭建过程, （b）复合PCM基光热电矩阵, （c）复合PCM基光热电矩阵在模拟太阳光下（1 sun）的温度变化, 复合PCM基光热电矩阵的（d）表面温度、（e-f）输出电压、（f）输出电流变化，（h-i）复合PCM基光热电矩阵的稳压性能。
图2.（a）超重力自组装技术制备高导热/导电的聚乙烯醇复合材料的流程, （b-d）聚乙烯醇复合材料截面形貌, （e-g）聚乙烯醇复合材料的局部结构, 聚乙烯醇复合材料的（h-i）Raman和（j）CT图片。
图3. 聚乙烯醇复合材料的导热性能, （a-d）热导率的变化随着密度、负载量和离心转速变化, （e）热导率的改善幅度, （f）热导率-密度的统计图, （g）热导率稳定性,（h）循环性和（i）集热性能, （j）聚乙烯醇复合材料的导热机理。
本文展示了一种新、可靠、高效且简单的复合高分子加工工艺-超重力自组装技术。得益于超重力自组装技术的振实效应，复合高分子材料的热导率/电导率得到大幅度提升，并开拓高导热/导电复合材料的在超级快充散热/电磁屏蔽和光热电矩阵的应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.coco.2022.101265
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.12.028
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.115079
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