導(dǎo)熱填料形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)對提升其復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能至關(guān)重要。一般認(rèn)為，導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)（λ）隨導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的完善而逐漸提高。目前，關(guān)于復(fù)合材料導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在三個方面：導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)何時形成、如何形成，以及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)對導(dǎo)熱性能的提升機理。導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)何時形成主要涉及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成時的臨界體積計算，主要與導(dǎo)熱填料的幾何形狀和尺寸有關(guān)，一般隨其長徑比的增加而減小。如何形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)主要涉及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計構(gòu)筑，包括設(shè)計異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱填料以促進填料的彼此搭接，預(yù)制導(dǎo)熱填料連續(xù)搭接骨架形成多維導(dǎo)熱通路，以及加工驅(qū)動導(dǎo)熱填料的取向排列等。在導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)促進導(dǎo)熱性能提升機理方面，一般認(rèn)為導(dǎo)熱填料形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)降低了導(dǎo)熱填料間的界面熱阻，增加了聲子傳輸?shù)耐ǖ溃瑫r減少了因填料-基體界面不匹配造成的聲子散射。
但目前鮮有報道導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)熱填料通路的數(shù)量、長短、貫穿方式及其分布等對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響的研究，以及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成后，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨導(dǎo)熱填料用量的繼續(xù)增加又會呈現(xiàn)什么樣的變化等問題也有待進一步明晰。因此，設(shè)計構(gòu)筑結(jié)構(gòu)、密度、分布可控的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從多角度研究其對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，對豐富完善導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱機理并指導(dǎo)其實際生產(chǎn)具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。
西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院顧軍渭教授“結(jié)構(gòu)/功能高分子復(fù)合材料”（SFPC）課題組以液氮瞬冷造粒技術(shù)制備出不同粒徑的石蠟球，采用微融覆法在石蠟球表面包覆石墨（旨在石蠟相界面間構(gòu)筑可控的石墨導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)），進而結(jié)合熱壓工藝制備石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料。通過改變石蠟球的粒徑控制導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的疏密，通過改變石墨的用量控制導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成與完善過程，通過對石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料表面打磨拋光、分割重組等方法控制導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的分布及完整性；并創(chuàng)新性地提出“導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)密度”概念來解釋不同石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料之間的λ差異。結(jié)合導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果和紅外熱成像的溫度梯度圖像，深入探析石蠟相界面間石墨-石墨導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成過程，及其導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的疏密、分布、完整性等對石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。
研究結(jié)果表明，在相同石墨用量和模壓壓力下，石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)密度具有最佳值（此時呈現(xiàn)最佳的導(dǎo)熱性能）。相同粒徑石蠟球的石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料的λ隨導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)密度的增加而提高，但提升速率逐漸平緩。當(dāng)石墨用量為10 wt%、模壓壓力為200 MPa、石蠟球粒徑為2.08±0.08 mm時，石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料具有最佳的λ（1.81 W/(m·K)），遠高于相同石墨用量和模壓壓力制備的自由分散狀態(tài)的石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料的λ（0.79 W/(m·K)）。石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料表面的打磨處理（破壞導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的完整性）會使其λ大幅下降（最大λ僅為1.13 W/(m·K)）。將具有導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)和自由分散狀態(tài)的石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料通過分割、重組的方式改變其導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)分布，重組后石墨/石蠟復(fù)合材料的λ隨分割、重組次數(shù)增加而降低（最小λ僅為0.85 W/(m·K)）？傮w而言，導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)密度越高、導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)分布越均勻、導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)越完整，石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能越好。
圖1 石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備示意圖（a），石蠟球（b-e）和石蠟球@石墨（b’-e’），石蠟球粒徑分布（b’’-e’’）
圖2 石墨用量（a-a’’’）、模壓壓力（b-b’’’）、粒徑大。╟-c’’’）對石墨/石蠟復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響
圖3 具有導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)和自由分散狀態(tài)的石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的差異
圖4 導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)完整性對石墨/石蠟復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響
圖5 導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)分布對石墨/石蠟復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響
本工作近期以“Controllable thermal conductivity in composites by constructing thermal conduction networks”為題發(fā)表于Materials Today Physics（2021, 20: 100449）上。西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院2018級博士研究生郭永強和2019級博士研究生阮坤鵬為本文的共同第一作者，顧軍渭教授為通訊作者。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（51773169和51973173）、XXX重點項目（高導(dǎo)熱非金屬材料）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)計劃杰出青年基金項目（2019JC-11）、西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金（CX202055）以及高分子電磁功能材料陜西省“三秦學(xué)者”創(chuàng)新團隊的資助和支持。
論文信息：Yongqiang Guo#, Kunpeng Ruan#, and Junwei Gu*. Controllable thermal conductivity in composites by constructing thermal conduction networks. Materials Today Physics, 2021, 20: 100449. 10.1016/j.mtphys.2021.100449.
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100449
作者簡介：
郭永強，男，河南平輿人，2018級博士研究生（提前攻博）。2016年在西北工業(yè)大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，同年保送顧軍渭教授SFPC課題組攻讀碩士學(xué)位，并于2018年提前攻讀博士學(xué)位，師從顧軍渭教授。主要從事基于靜電紡絲技術(shù)的聚酰亞胺導(dǎo)熱復(fù)合材料制備及內(nèi)稟機理研究。獲陜西省第四屆研究生創(chuàng)新成果展評獎理科二等獎；2019年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會最佳墻報獎；第四屆西南地區(qū)高分子及復(fù)合材料學(xué)術(shù)研討會優(yōu)秀墻報獎；2016~2017學(xué)年、2017～2018學(xué)年、2018~2019學(xué)年研究生國家獎學(xué)金；獲2019年西北工業(yè)大學(xué)研究生學(xué)術(shù)之星、優(yōu)秀研究生標(biāo)兵稱號；獲2020年“吳亞軍”專項獎學(xué)金。主持西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金（在研）和研究生創(chuàng)新創(chuàng)意種子基金（良好結(jié)題）各1項，參與國家自然科學(xué)基金2項、XXX計劃技術(shù)領(lǐng)域基金項目1項，陜西省自然科學(xué)基金、航天科學(xué)技術(shù)基金和航空科學(xué)基金等省部級基金項目4項。授權(quán)、公開國家發(fā)明專利8件。在Mater Today Phys, Compos Sci Technol和ACS Appl Mater Interfaces等高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表第一作者SCI論文10篇，SCI引用2400余次（WOS H-index為23），入選第一作者ESI熱點論文5篇、高被引論文7篇）；發(fā)表在J Mater Chem C（2018, 6: 3004）和Compos Part B-Eng（2019, 164: 732）上的兩篇論文分別入選2018年、2019年“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”，發(fā)表在J Mater Chem C（2019, 7: 7035）上的論文入選2019 Journal of Materials Chemistry C Most Popular Articles；參加國際學(xué)術(shù)會議4次并作口頭報告、參加國內(nèi)學(xué)術(shù)會議8次。
阮坤鵬，男，江蘇揚州人，2019級博士研究生（本科直博）。2019年在西北工業(yè)大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，同年加入顧軍渭教授SFPC課題組攻讀博士學(xué)位，師從顧軍渭教授。主要從事本征型高導(dǎo)熱聚酰亞胺及其復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能調(diào)控及機理研究。參與XXX重點項目1項、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金重點項目1項。申請、公開國家發(fā)明專利3件。在Macromolecules, Nano-Micro Lett和Compos Sci Technol等高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表第一作者SCI論文8篇，SCI引用1170余次（WOS H-index為11），參加國內(nèi)學(xué)術(shù)會議4次。
顧軍渭，浙江上虞人，西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授、博導(dǎo)，入選英國皇家化學(xué)會Fellow、英國材料學(xué)會Fellow、世界排名前2‰科學(xué)家（2020，斯坦福大學(xué)發(fā)布）、陜西省杰青、陜西省“三秦學(xué)者”創(chuàng)新團隊，F(xiàn)任化學(xué)與化工學(xué)院副院長；任陜西省高分子科學(xué)與技術(shù)重點實驗室副主任、無人系統(tǒng)研究院智能材料與結(jié)構(gòu)研究所所長；任中國復(fù)合材料學(xué)會導(dǎo)熱復(fù)合材料專業(yè)委員會常務(wù)副主任、中國化學(xué)會高級會員等。主要從事功能高分子復(fù)合材料（導(dǎo)熱、電磁屏蔽等）和纖維增強先進樹脂基復(fù)合材料（透波、耐燒蝕等）的功能/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計制備及加工研究工作。獲2020年度高等學(xué)？茖W(xué)研究優(yōu)秀成果獎（科學(xué)技術(shù)）技術(shù)發(fā)明二等獎（排名2/6）和第四屆中國復(fù)合材料學(xué)會青年科學(xué)家獎。授權(quán)、公開中國、美國發(fā)明專利40余件。主持國家自然科學(xué)基金、XXX重點項目等國家和省部級重大科技項目20余項。以第一作者和/或通訊作者在Sci Bull、Macromolecules和Compos Sci Technol等期刊發(fā)表論文100余篇，SCI引用9400余次（WOS H-index為60）。3篇論文入選2018、2019年“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”、1篇論文入選2020年“材料領(lǐng)域10大高被引論文”。任第十一屆亞澳復(fù)合材料會議、第四屆中國國際復(fù)合材料科技大會和2019全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會等12個重要國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)會議分會主席、副秘書長等。任J Mater Sci Technol、Adv Compos Hybrid Mater副主編；任Nano-Micro Lett、Mater Today Phys、Nano Res、Composites Part B、Compos Commun和Chinese J Aeronaut（航空學(xué)報英文版）等編委。
