随着5G时代的到来，电子产品在集成化、小型化、精密化的方向上取得了前所未有的发展。在保持高功率密度的同时也导致器件散热问题越来越突出。 如果这些热量不能及时排出，电子设备在运行过程中的可靠性和稳定性将受到负面影响，其寿命也将受到严重威胁。为了确保电子设备的长期、安全和可靠运行，研究和开发新型导热材料已成为研制下一代电子器件的首要任务。受益于良好的柔韧性、低密度、优异的绝缘性、低成本、耐腐蚀性和易加工性等优点，导热聚合物基复合材料已被广泛用作5G通信、电子封装、电气设备、能源传输及航空航天等领域的热管理材料。然而，由于聚合物中大分子链的无定形结构和振动可以引起大量的声子散射，绝大多数的纯聚合物都是热绝缘体或相对较差的热导体，较低的固有λ值在一定程度上限制了其在热管理中的应用，因此对传热机理的深入理解是开发下一代导热复合材料的先决条件。
近日，哈尔滨理工大学吴子剑副教授等人在Advanced Functional Materials上发表题为“A Roadmap Review of Thermally Conductive Polymer Composites: Critical Factors, Progress, and Prospects”的综述文章。文章第一作者为哈尔滨理工大学硕士研究生王正芳，第一通讯作者为哈尔滨理工大学吴子剑副教授，英国诺森比亚大学Ben Bin Xu教授、UCLA贺曦敏教授、南京林业大学葛省波副教授为本文的共同通讯作者，哈尔滨理工大学为第一完成单位。
本文全面回顾了导热聚合物复合材料领域的最新研究进展，并勾勒出技术路线图，同时特别关注影响聚合物复合材料λ值的关键因素，以及如何提高λ值的热传导机制。本文结合微观和宏观，系统地介绍了材料内部的导热机理及特性，介绍了声子散射、声子水动力学、电子-声子耦合、声子态密度等重要的理论，有利于读者深入了解材料的内部的热传导机制。
图1 聚合物基导热复合材料研究进展部分阐述内容结构图
图2 填料和聚合物之间不同类型的接触示意图
图3 聚合物导热复合材料在微电子封装领域的应用
尽管到目前为止已经取得了一些进展，但在进一步发展导热聚合物复合材料技术方面仍有一些挑战需要解决： (i)为了使以传统方式制备的复合材料的导热性能得到显著提高，必须添加大量的导热填料，而添加过多的导热填料不仅会损害材料的机械性能，还会增加界面热阻。由于引入了更多的界面，导致了更多的声子散射点，阻碍了材料中的热流。因此，在低填充物含量的情况下实现高热导率仍然是当前研究的一个热点话题。(ii)聚合物的固有λ值极低，但聚合物基体显然占据了最大的比例，对复合材料性能的影响最大。因此，深入研究本征聚合物的导热机制将有利于提高最终产品的λ值。(iii)对导热聚合物复合材料的研究大多局限于理论和实验层面。如何实现大规模工业化生产，也是未来亟待解决的问题。(iv)目前的热传导机制和模型并不完善，需要对热传导机制进行深入研究，这需要从多学科的角度来进行。计算机模拟和机器学习是建立新的热传导模型和设计下一代导热产品的有力工具。(v)用不同测试设备得到的聚合物复合材料的λ值显示出明显的差异，热导率的表征方法需要规范化和标准化，以使λ值具有可比性。(vi)智能材料发展迅速，设计和制备功能性导热材料变得越来越重要，如具有高效EMI屏蔽的导热材料、具有快速自愈能力的导热材料和具有传感功能的导热材料等。
图4 聚合物导热复合材料在LED器件领域的应用
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202301549
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