随着电子元器件的高功率化、高密度化和高集成化以及特高压直流输电远距离、低损耗和大容量的迅猛发展，日益突出的散热问题已成为阻碍大功率电子元器件、超大规模和超高速集成电路，以及特高压输电设备乃至整个电子、电气产业发展的瓶颈问题。为了保障电子元器件和特高压输电设备用材料在工作环境温度下运行的稳定性和可靠性，需使用高导热材料，迅速有效地将积聚的热量传递和释放出去，延长电子元器件和特高压输电设备的使用寿命。同时还希冀导热材料具有轻质、优异力学性能和易加工成型等综合特性，以便降低电子元器件和特高压输电设备的整体重量，同时保证使用的安全可靠性、批量生产效率和批次稳定性。

  聚合物本体导热系数λ低（λ在0.18～0.44 W/mK之间），无法适应高功率化、高密度化和高集成化电子元器件以及特高压输电设备高效快速的散热要求。因此，研究开发高导热且力学性能优异的聚合物基复合材料对特高压电气设备、半导体和电子、电气相关领域材料的设计和拓展具有迫切的理论意义和实际应用价值。

  为了提高聚合物基体的导热性能，近年来，西北工业大学顾军渭教授课题组通过在聚合物树脂基体中填充单一或混杂高导热金属或无机填料，经熔融、溶液或粉末共混复合制备了一系列聚合物基导热复合材料（Compos Sci Technol, 2017, 139: 83-89；Composites Part A, 2017, 92: 27-32；Composites Part A, 2017, 95: 267-273；Nanoscale, 2016, 8: 19984-19993；RSC Adv, 2015, 5: 36334-36339；RSC Adv, 2014, 4: 22101-22105）。并通过界面分子学设计，借助特定的界面聚合物层（图1）有效降低了导热填料/聚合物树脂基体两相界面热阻，进一步提升聚合物基导热复合材料的导热性能，初步解决了由于两相界面热障引起的聚合物基导热复合材料导热性能提升不佳的技术问题（Composites Part A, 2017, 101: 237-242；Int J Heat Mass Tran, 2016, 92: 15-22；RSC Adv, 2016, 6: 35809-35814；Composites Part A, 2015, 78: 95-101）。

图1 纳米氮化硼（nBN）的表面功能化改性

  此外，课题组设计开发“原位聚合-静电纺丝-高温模压”制备聚合物基导热复合材料技术（图2），突破了传统聚合物基导热复合材料的制备方法，实现了低用量碳化硅（Composites Part A, 2015, 79: 8-13）、氮化硼（Composites Part A, 2017, 94: 209-216）和石墨烯（J Mater Chem C, 2018, 6: 3004-3015）等导热填料下聚合物树脂基体内导热通路或导热网络的高效形成，有望解决现有常规制备加工方法难以兼顾聚合物基导热复合材料高导热和优异力学性能的技术瓶颈问题。

图2 “原位聚合-静电纺丝-高温模压”法制备改性石墨烯/聚酰亚胺纳米导热复合材料

  在实验研究的基础上，课题组前期提出“导热逾渗”行为对聚合物基导热复合材料导热性能的快速提升起着极其重要的作用（Polym Compos, 2014, 35: 1087-1092），发展了现有聚合物基导热复合材料的导热机理；基于传统的“并联”模型和“串联”模型，课题组建立了氮化硼/改性氰酸酯导热复合材料的优化导热方程（Composites Part A, 2018, 107: 570-578），其对导热系数λ的拟合效果明显优于经典的导热模型（Maxwell和Russell模型等）；最近，课题组还基于有效介质理论和热量守恒，综合考虑诸多影响因素（导热填料厚度、几何因子、取向分布和体积分数；导热填料和聚合物基体间的界面热障及界面层厚度，导热填料和聚合物基体本体的导热系数），课题组建立了一个更适用于改性石墨烯/聚酰亚胺导热复合材料的导热方程（方程1），该方程有望用于计算各向异性聚合物基导热复合材料的有效导热系数。

（方程1）

  文于近期以“Significantly Enhanced and Precisely Modeled Thermal Conductivity in Polyimide Nanocomposites by Chemically Modified Graphene via in-situ Polymerization and Electrospinning-hot press Technology”为题发表（J  Mater Chem C, 2018, 6: 3004-3015），第一作者为硕士生郭永强。本研究工作得到了国家自然科学基金（51773169、51403175）和中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室开放课题（LSL-1715）的资助。

  论文链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/tc/c8tc00452h