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  5G時(shí)代電子設(shè)備微型化與高集成化發(fā)展，對(duì)材料導(dǎo)電與導(dǎo)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(dǎo)電/導(dǎo)熱性能不足（電導(dǎo)率<10^?1? S/m，熱導(dǎo)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(dǎo)致加工難度增加與力學(xué)性能劣化。對(duì)此，南京工業(yè)大學(xué)毛澤鵬博士、陳婷婷博士和美國德州理工大學(xué)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(shí)現(xiàn)復(fù)合材料電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的突破性提升。

圖1基于雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)構(gòu)筑功能表面機(jī)理圖。

研究背景

  隨著電子設(shè)備對(duì)高效熱管理和電力傳輸需求的日益增長，開發(fā)同時(shí)具備高導(dǎo)電性和高熱導(dǎo)性的聚合物復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)方法往往依賴于高填充量的導(dǎo)電填料，這不僅增加了成本，還可能損害材料的機(jī)械性能。本研究旨在通過一種簡單、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的策略，克服這些挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)聚合物材料導(dǎo)電性和熱導(dǎo)性的雙重增強(qiáng)。團(tuán)隊(duì)提出了一種兩步熔融加工策略，首先將導(dǎo)電填料（如膨脹石墨）預(yù)加載到半結(jié)晶聚合物中，再與不相容的非晶聚合物進(jìn)行熔融混合。這一方法基于一個(gè)創(chuàng)新假設(shè)：預(yù)加載導(dǎo)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(dǎo)電填料的偽導(dǎo)電層。研究以聚氯乙烯（PVC）和高密度聚乙烯（HDPE）為模型體系，驗(yàn)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(jié)構(gòu)和表面元素組成來確定功能表面的形成機(jī)制。最后，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬和有限元分析確認(rèn)了功能材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的提升源自功能表面的構(gòu)筑。

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

主要發(fā)現(xiàn)

?  導(dǎo)電性與熱導(dǎo)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(fù)合材料在面內(nèi)電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率上分別實(shí)現(xiàn)了172%和84%的提升。例如，在25%體積分?jǐn)?shù)的膨脹石墨填充下，復(fù)合材料的電導(dǎo)率達(dá)到了117.92 S/m，熱導(dǎo)率達(dá)到了9.34 W/(m·K)。

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

  ?偽導(dǎo)電層形成機(jī)制?：研究表明，低粘度聚合物相（如預(yù)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(dǎo)電填料的偽導(dǎo)電層。這一偽導(dǎo)電層作為電子和熱量的“高速通道”，顯著提高了材料的導(dǎo)電性和熱導(dǎo)性。該策略不僅適用于PVC/HDPE體系，還可在其它聚合物復(fù)合體系中實(shí)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(xiàng)研究為制備高性能導(dǎo)電和導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料提供了一種簡單、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的方法。所制備的復(fù)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(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。此外，該方法還可以利用現(xiàn)有的聚合物加工基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，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(xué)材料學(xué)院博士生張晗，美國德州理工大學(xué)張振博士為共同通訊作者和南京工業(yè)大學(xué)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