研究背景

由于电子产品的高功率密度和高度微型化的快速发展，有效的热管理对于通信、军事和储能系统等领域的电子产品来说相当迫切，而热管理的主要目的是将电子产品中多余的能量转移到环境中。典型的导热材料包括导热脂、导热粘合剂、导热垫和具有高各向同性导热系数(k)的大块聚合物复合材料，已被广泛用作电子领域的热界面材料(TIM)、散热器和热扩散器。然而，与传统的导热材料相比，具有优良的柔韧性和超高的面内k的导热膜得到了更多的关注，人们在开发柔性面内导热膜方面做了大量的工作，包括纯聚合物膜、全碳膜和聚合物基复合材料膜。然而，对柔性导热膜的全面综述，包括传热物理学、导热系数测量、制造方法、降低界面热阻(ITR)的优化策略及其潜在应用却很少报道。

研究成果

在此，青岛科技大学ChangPing Feng、HongBo Lan教授及四川大学Wei Yang教授联合发表相关综述，旨在总结具有超高面内k的柔性导热膜的最新进展。首先，讨论了聚合物和复合材料中的热传输机制，并介绍了导热膜普遍使用的k测量技术。然后，强调了新兴的柔性高性能导热薄膜的制造方法，包括纯聚合物薄膜、全碳薄膜、碳/聚合物复合薄膜和陶瓷/聚合物复合薄膜，以及它们潜在的热管理应用。最后，提出了对高性能柔性导热膜的挑战的一些看法和探索的一些关键点。相关报道以“Emerging Flexible Thermally Conductive Films: Mechanism, Fabrication, Application”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。

综述要点

1. 总结了具有超高面内各向同性热导率(k) 的柔性导热膜的最新进展和潜在应用。2. 回顾了传热机制、提高K值的加工方法、降低柔性导热膜界面热阻的优化策略。3. 提出了柔性导热膜未来发展的限制和机会。

图文导读

Fig. 1 Overview of flexible thermally conductive films for thermal management.

Fig. 2 The summary of flexible thermally conductive films with different in-plane k.

Fig. 3 The construction of thermal transport pathways in different kinds of films.

Fig. 4 The widely used thermal conductivity measurements to test the in-plane k of films.

Fig. 5 a Fabrication of UHMWPE films with high intrinsic k via ultra-drawing process. b Fabrication of UHMWPE films with high intrinsic k via solution gel-shearing process. c Fabrication of conjugated poly(3-hexylthiophene) films with intrinsic k using oxidative chemical vapor deposition.

Fig. 6 Fabrication of thermally conductive all-carbon films.

Fig. 7 Fabrication of thermally conductive carbon/polymer composite films with high in-plane k.

Fig. 8 Fabrication of thermally conductive ceramic/polymer composite films with high in-plane k.

Fig. 9 a Schematic illustration of BNNS/PVA textile with high in-plane k used in personal thermal management. b Photograph, infrared image, and the corresponding response time and heating transfer of normal cotton fabric and graphene film placed on skin.

总结与展望

在这篇综述中，作者调查了有关柔性导热薄膜的新兴研究活动，包括固有聚合物薄膜和具有超高面内k的聚合物复合薄膜，以及它们的传热机制和潜在应用。具有63W(mK)^-1的类金属k的纯UHMWPE薄膜和具有1940W(mK)^-1的超高k的RGO薄膜已经被制造出来。与普通的导热材料相比，这些导热薄膜表现出了良好的面内k值、出色的柔韧性、较低的厚度和出色的机械强度，在下一代设备，如皮肤上的电子设备、个人热管理和储能设备中呈现出巨大的应用潜力。

但要进一步发展最先进的导热膜，还需要考虑几个问题。(1)超高分子量聚乙烯纳米纤维/纳米薄膜已经实现了超高的k。然而，将纳米纤维/纳米薄膜中的这种超高k转化为大宗聚合物，在实际制造中是一个重大挑战。因此，需要进一步优化本征导热材料的合成和加工，以制造出大厚度的大块聚合物薄膜。(2) 导热聚合物复合膜的低K值仍然限制了其实际应用。除了降低ITR和构建有效的热传输通道外，提高填料的质量(晶体结构、结晶度、缺陷)是提高复合材料K值的另一个策略，这一点一直被忽视。因此，应更加关注高质量的导热填料的合成，以减少大大降低填料固有k的缺陷和杂质。(3) 尽管已经开发了各种热技术，但国际科学界和工业界之间还需要就如何测量薄膜的面内k达成一个标准化协议。(4) 考虑到导热材料的实际应用要求，除了k值之外，电绝缘、热膨胀系数、热稳定性、耐燃性和耐疲劳性也是需要考虑的。(5) 可采用机器学习法等人工智能技术研究高性能导热膜的设计规则，可大大降低人力成本和材料成本，缩短开发周期。(6) 实验室规模的概念验证示范和工业应用之间的差距需要填补。真空辅助过滤是制造柔性导热膜最广泛使用的方法，在提高K值方面已经取得了可喜的成果，但这种方法的尺寸限制仍然为其进一步的工业规模应用蒙上了阴影。

文献链接

Emerging Flexible Thermally Conductive Films: Mechanism, Fabrication, ApplicationNano-Micro Lett. (2022) 14:127, https://doi.org/10.1007/s40820-022-00868-8