近日，8040威尼斯李翔宇教授课题组在二维纳米片增强复合材料的宏观导热性能研究方面取得进展，相关成果以“Understanding macroscopic thermal conduction in composites reinforced with 2D nanosheets”为题发表在国际复合材料领域的顶级期刊《Composites Science and Technology》（中科院一区TOP，IF：9.1）。博士研究生杨名山为第一作者，李翔宇教授为通讯作者，合作作者包括8040威尼斯康国政教授和浙江大学陈伟球教授。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110450
图1. 论文首页
聚合物材料因其优异的性能在现代电子工业有着广泛的应用，如电子封装或作为热界面材料等。随着电子器件向高集成度、高功率密度和小型化发展，电子器件的发热问题越来越严重。人们寻求导热性能更好的聚合物材料的愿望日益迫切。
填充高导热的纳米填料是增强聚合物热导率的有效方式。在各种导热填料中，石墨烯、MXene、六方氮化硼等纳米片因其独特的二维结构被认为是最有前途的一类导热增强填料。然而，纳米片增强复合材料的微结构通常十分复杂，并且涉及众多的影响因素。由于纳米片大纵横比的二维特征，纳米片增强复合材料的微结构只能由大网格数的三维代表性体积单元表征。同时，复合材料中涉及大量的填料与基体间的热阻界面，且填料的热导率通常在基体的数千倍以上。这使得材料性能的理论分析和数值模拟都非常困难。因而目前关于二维纳米片增强复合材料中导热网络的热输运机理认识尚不清楚，也缺乏准确的预测模型。这给增强复合材料的制备、设计和优化带来了困扰。
针对这一问题，李翔宇教授课题组展开了系统的研究。根据从真实微观结构提取的几何统计信息，数字重建了二维纳米片增强复合材料的微观随机数字模型，全面地表征了纳米片的形状、尺寸、分布、朝向、涂层和混合填充等几何特征 (图2)。基于自主开发的高效的格子Boltzmann方法，结合并行计算对二维纳米片增强复合材料的等效热导率展开了高通量的数值模拟，计算了20,000组网格数为2563的三维代表性体积单元，建立了一个由20,000组“微观结构-宏观性能”定量关系组成的材料信息数据库。值得注意的是，若采用传统的数值方法，该数值模拟任务几乎是不可能完成的。在充足的数据的基础上，系统地研究了纳米片的形状、尺寸、朝向、热导率、界面热阻、涂层和混合填充等对复合材料宏观导热性能的影响，并发展了一个准确的机器学习预测模型。
图2. 二维纳米片增强复合材料微结构的实验和数值表征：(a)-(b) 石墨烯和六方氮化硼纳米片的电镜扫描图；(c)-(d)石墨烯和六方氮化硼增强PDMS复合材料的微结构的电镜扫描图；(e)涂层和未涂层纳米片的特征尺寸；(f)混填纳米片增强复合材料微结构的代表性体积单元
该研究工作详尽地阐释了纳米片的微观几何结构和热物理性质对增强复合材料宏观热导率的影响机理，提供了一个高质量的“微观结构-宏观性能”材料信息数据库和准确的预测模型，能为纳米片增强复合材料热性能的定量设计和优化提供重要的指导。
图3. 研究工作的图形摘要
该研究受到了国家自然科学基金重大项目子课题(Nos.: 12192210, 12192211)、国家自然科学基金面上项目(Nos.: 12072297, 12172343)、中央高校基础研究业务费(Nos.: 2682021ZTPY056, 2682023CX058)、四川省自然科学基金(No.: 2023NSFSC1301)和8040威尼斯前沿科技培育项目(No.: 2682022KJ050)的支持。
