《先进材料》透明、高热导系数、超拉伸石墨烯/聚乙烯复合薄膜横空出世！

来源：高分子科学前沿

热管理（Thermal Management）对包括太阳能电池、发光二极管（LED）和芯片在内的各种电子器件的寿命和性能尤为重要。近年来，利用导热材料进行有效的热管理已成为一项重要的技术。随着智能玻璃等一系列新型产品的崛起，具有高可见光透过率的新型高导热材料受到了广泛关注。一般而言，导热材料包括金属、陶瓷、碳材料和聚合物复合材料。与其他导热材料相比，聚合物复合材料由于其密度低、易加工、电阻率高、耐腐蚀等特点，受到了广泛的研究。通常，纯聚合物的导热系数较低，常需要填充高热导系数填料增强其导热性能，但由于填料和基体之间的存在较高的热界面电阻，复合材料的热导系数常被限制在一个较小的数值范围内（<10 W m−1 K−1）。此外，由于填料对可见光具有很强的散射或吸收能力，高填充量的导热聚合物复合材料通常是不透明的。研究者常采用固态拉伸手段使聚合物分子链高度取向，有利于导热网络的形成，但在拉伸过程中，填料与基体的界面处将会产生缺陷和裂纹，导致复合薄膜透明度不佳，热导系数下降。因此，制备具有高导热性、无缺陷的透明超拉伸聚合物复合薄膜仍然是一项重大挑战。

基于此背景，近日，英国伦敦大学的Cees W. M. Bastiaansen教授联合荷兰埃因霍温理工大学的Albertus P. H. J. Schenning教授在国际著名刊物《Advanced Materials》上发表了名为“Transparent, High-Thermal-Conductivity Ultradrawn Polyethylene/Graphene Nanocomposite Films”的论文。研究者在传统的石墨烯/聚乙烯复合薄膜中引入第二填料组分（2-（2H-苯并噻唑-2-基）-4,6-二戊基苯酚，BZT），降低复合薄膜对可见光的散射，增强其透明性，如图1所示。此外，BZT可通过与石墨烯的π-π相互作用减少微小缺陷的存在，提高其在基体中分散。研究者还通过控制不同拉伸比的固态拉伸方式提升薄膜的取向，有利于建立热传递网络，如图2所示。结果表明，当填充2 wt% BZT, 0.1 wt%石墨烯，体系拉伸比为100%时，复合薄膜的各项综合性能最优，最值得注意的是B2G1的可见光透过率超过90%，热导系数高达75 W m−1 K−1，超越了常用的金属材料与聚乙烯纤维，如图3所示。

图1. 薄膜的紫外-可见光透过光谱.

图2. 三种超拉伸薄膜内部结构示意图.

图3. (a) 薄膜热导系数随拉伸比的变化图；(b) 不同体系的性能对比图.

该研究工作通过引入BZT作为第二填料，结合固态拉伸的加工手段，得到了具有高可见光透过率，高热导系数的复合薄膜，有望应用于未来智能窗户等领域，同时为制备高性能导热材料提供了思路与启示。

 全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201904348

相关研究进展：

MIT陈刚院士团队《Science》子刊：首次实现高热导率共轭聚合物薄膜！麻省理工陈刚院士团队《Nature》子刊：导热聚合物薄膜材料新突破！