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  5G時代電子設備微型化與高集成化發(fā)展，對材料導電與導熱性能提出雙重挑戰(zhàn)。金屬材料受限于高密度與低柔性，而聚合物材料固有導電/導熱性能不足（電導率<10^?1? S/m，熱導率<0.5 W/(m·K)）。傳統(tǒng)高填料填充策略（>40 vol%）雖可改善性能，但導致加工難度增加與力學性能劣化。對此，南京工業(yè)大學毛澤鵬博士、陳婷婷博士和美國德州理工大學張振博士開發(fā)兩步熔融加工策略，通過表面自組裝工程實現(xiàn)復合材料電導率和熱導率的突破性提升。

圖1基于雙連續(xù)相結構構筑功能表面機理圖。

研究背景

  隨著電子設備對高效熱管理和電力傳輸需求的日益增長，開發(fā)同時具備高導電性和高熱導性的聚合物復合材料成為研究熱點。然而，傳統(tǒng)方法往往依賴于高填充量的導電填料，這不僅增加了成本，還可能損害材料的機械性能。本研究旨在通過一種簡單、經(jīng)濟、可持續(xù)的策略，克服這些挑戰(zhàn)，實現(xiàn)聚合物材料導電性和熱導性的雙重增強。團隊提出了一種兩步熔融加工策略，首先將導電填料（如膨脹石墨）預加載到半結晶聚合物中，再與不相容的非晶聚合物進行熔融混合。這一方法基于一個創(chuàng)新假設：預加載導電填料的相能夠包裹非晶聚合物相，從而在樣品表面形成富含導電填料的偽導電層。研究以聚氯乙烯（PVC）和高密度聚乙烯（HDPE）為模型體系，驗證了這一策略的可行性。

研究方法

  利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）、能量色散X射線光譜（EDS）等手段分析了材料的微觀結構和表面元素組成來確定功能表面的形成機制。最后，通過分子動力學模擬和有限元分析確認了功能材料的導電和導熱性能的提升源自功能表面的構筑。

圖2功能表面的形成機制（a）XRD曲線；（b）表面EG參數(shù)；（c）MFR；（d）表面自由能；（e）導電機制及其提高效率的示意圖。

主要發(fā)現(xiàn)

?  導電性與熱導性顯著提升?：與一步加工法相比，采用兩步熔融加工法制備的復合材料在面內電導率和熱導率上分別實現(xiàn)了172%和84%的提升。例如，在25%體積分數(shù)的膨脹石墨填充下，復合材料的電導率達到了117.92 S/m，熱導率達到了9.34 W/(m·K)。

圖3（a）雙連續(xù)相結構復合材料的制備示意圖；（b）聚合物體系的DPD模擬結果；（c）偽表面自主形成的原理圖；（d）基于EG制備各向異性導電材料的示意圖。

  ?偽導電層形成機制?：研究表明，低粘度聚合物相（如預加載了膨脹石墨的HDPE）在熔融加工過程中更傾向于遷移到樣品表面，從而在表面形成富含導電填料的偽導電層。這一偽導電層作為電子和熱量的“高速通道”，顯著提高了材料的導電性和熱導性。該策略不僅適用于PVC/HDPE體系，還可在其它聚合物復合體系中實現(xiàn)類似的效果，表明其具有廣泛的適用性。

圖4 雙連續(xù)功能表面模型示意圖。

  這項研究為制備高性能導電和導熱聚合物復合材料提供了一種簡單、經(jīng)濟、可持續(xù)的方法。所制備的復合材料在電子器件熱管理、電磁屏蔽以及高效電力傳輸?shù)阮I域具有潛在的應用價值。此外，該方法還可以利用現(xiàn)有的聚合物加工基礎設施和設備實現(xiàn)工業(yè)化生產，為聚合物材料的性能提升開辟了新的途徑。

  該成果發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》，第一作者為南京工業(yè)大學材料學院博士生張晗，美國德州理工大學張振博士為共同通訊作者和南京工業(yè)大學毛澤鵬博士、陳婷婷博士為共同作者。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161477