四川大学开发具有高导热性质的全有机三维聚合物复合材料

四川大学吴凯副研究员/傅强教授在Advanced Materials（IF:32.086）期刊上发表了研究论文“Tropocollagen inspired hierarchical spiral structure of organic fibers in epoxy bulk for three-dimensional high thermal conductivity”，报道了一种受胶原蛋白螺旋结构启发的“环氧树脂/聚对苯撑苯并二恶唑纤维（PBO）块材”，这种全有机材料第一次在面外和面内方向同时实现了7 W/m K以上的高导热系数，在三维导热复合材料领域实现了新跨越，并利用理论模型进一步探讨了导热材料内部导热机理。学院硕士研究生陈馨为论文第一作者；吴凯副研究员和傅强教授为论文通讯作者；第一作者单位为四川大学。

聚合物由于内部的无规结构在过去被认为是热的不良导体。但近年来研究发现，一些取向的薄膜和纤维能够实现极高的导热；目前对高导热聚合物的热运输机制关注点大多集中于晶体/非晶部分的取向，观点较不完善，需要进一步的实验支撑和合理解释。此外，通过传统的加工/制备方法，人们还未将全有机聚合物这种低维方向的导热性质有效地拓展至整个三维空间，在实际应用中急切需要新的加工/制备方法实现三维方向高导热。

针对上述问题，团队受到胶原蛋白螺旋结构启发，通过自下而上的方式得到了一种环氧树脂/聚对苯撑苯并二恶唑纤维（PBO）块材，特殊的螺旋结构为单个纤维束单元提供了长度方向和径向方向的导热分量，而编织结构则进一步成功地将大分子低维方向的高导热性质拓展到了整个三维空间。

同时文章结合分子动力学、声子模拟和经典的非线性导热模型，分别从分子链结构、聚集态结构、以及微观复合结构等多个方面对材料的导热机理进行了分析，提出：PBO晶区和无定形区域声子振动模式接近，因此无定形区域大分子链的连续构象就像热桥一样将相邻的晶区串联起来，在晶区和无定形区域界面处的声子散射几乎可以忽略。这也可能解释了为什么聚合物内声子平均自由程远大于其晶区尺寸、为什么经典的一维模型计算得到的PBO非晶区是高度导热的。

除此之外，该全有机导热材料还表现出了轻质、高强、绝缘透波、可任意弯曲折叠、不燃等特性。在未来，这种材料及其制备方法将有可能为有机聚合物在高性能热管理应用方面创造全新的实现路径，也可为进一步启迪一些导电导热、导热电磁屏蔽材料的制备提供借鉴（如使用连续碳基纤维）。