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强制组装法：碳系导热复合材料制备的创新与突破

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代科技的飞速发展，电子设备不断朝着小型化、集成化和高性能化方向迈进，这使得设备在运行过程中产生的热量急剧增加。例如，在5G通信基站中，大量的电子元件密集排列，其功率密度大幅提高，产生的热量若不能及时散发，会导致设备温度迅速上升，进而影响电子元件的性能和寿命，甚至引发设备故障。因此，高效的散热成为保障电子设备稳定运行的关键因素，对导热材料的性能提出了更高的要求。

碳系导热复合材料作为一种新型的高性能材料，近年来在电子、航空航天、新能源等众多领域展现出了巨大的应用潜力。在电子领域，它被广泛应用于芯片散热，能够有效降低芯片温度，提高芯片的运行速度和稳定性，为5G通信、人工智能等技术的发展提供了有力支持；在航空航天领域，碳系导热复合材料凭借其轻质、高导热和优异的耐高温性能，可用于制造飞行器的热防护结构和电子设备的散热部件，有助于减轻飞行器重量，提高飞行性能和可靠性；在新能源领域，如电动汽车的电池热管理系统中，该材料能够及时将电池产生的热量散发出去，保证电池在适宜的温度范围内工作，提高电池的充放电效率和使用寿命，促进新能源汽车技术的发展。

传统的碳系导热复合材料制备方法，如溶液共混法、熔融共混法等，虽然工艺相对简单，但存在着一些明显的局限性。这些方法往往难以使碳系填料在基体中实现均匀分散并形成有效的导热通路，导致复合材料的导热性能提升有限。此外，高填充量的碳系填料还会增加物料混合加工时的黏度，给加工带来困难，同时降低复合材料的力学性能和其他综合性能，限制了其在一些对材料性能要求苛刻的领域中的应用。

强制组装法作为一种新兴的制备技术，为解决传统制备方法的不足提供了新的思路。该方法通过特殊的手段，如施加外力场、利用空间限域效应等，能够使碳系填料在基体中按照预定的方式排列和组装，从而形成更为高效的导热网络结构。与传统方法相比，强制组装法在提高碳系导热复合材料的导热性能方面具有显著优势。它能够在较低的填料含量下，实现填料在基体中的均匀分散和有效取向，大幅降低界面热阻，显著提高复合材料的导热效率。而且，强制组装法对复合材料其他性能的负面影响较小，能够较好地保持材料的力学性能、加工性能等综合性能，拓宽了碳系导热复合材料的应用范围。

对强制组装法制备碳系导热复合材料的深入研究具有重要的理论和实际意义。从理论层面来看，该研究有助于深入揭示碳系填料在强制组装过程中的行为规律，以及填料与基体之间的相互作用机制，为进一步优化复合材料的结构和性能提供坚实的理论基础，丰富和完善复合材料制备理论体系。在实际应用方面，通过该研究制备出的高性能碳系导热复合材料，能够满足电子、航空航天、新能源等领域对材料导热性能和综合性能的严格要求，推动相关领域的技术创新和产品升级，具有广阔的市场前景和显著的经济效益。

1.2国内外研究现状

近年来，强制组装法制备碳系导热复合材料在国内外引起了广泛关注，众多科研团队投入到该领域的研究中，取得了一系列有价值的成果。

在国外，一些研究聚焦于利用特殊的外力场实现碳系填料的有序组装。美国的科研人员通过在强磁场作用下，使具有磁性的碳纳米管在聚合物基体中定向排列，成功制备出了具有高导热性能的复合材料。实验结果表明，在特定磁场强度下，碳纳米管在基体中形成了高度有序的导热网络，复合材料的热导率相较于未施加磁场时提高了数倍，有效提升了材料在电子设备散热中的应用潜力。

欧洲的研究团队则利用电场取向技术，对石墨烯在聚合物基体中的排列进行调控。在电场作用下，石墨烯片层沿电场方向有序排列，构建出高效的二维导热通路。所制备的复合材料在平面方向上展现出优异的导热性能，热导率达到了较高水平，为电子器件的平面散热提供了新的材料选择。

国内在强制组装法制备碳系导热复合材料方面也取得了显著进展。北京化工大学的研究人员提出了空间网络微纳米强制组装法，通过空间限域增强强制组装程度，制备了多种类型的碳系导热复合材料。在制备单填料填充紫外胶（UV）复合材料时，研究发现其导热性能随着填料含量和强制组装程度的增加而显著提高。当碳纤维含量由4wt％增加到8wt％，垂直和水平导热率分别提高24.49％和77.45％；在碳纤维含量相同的情况下，强制组装程度提高，垂直和水平导热率分别提高25.42％和129.63％。该方法通过优化碳系填料在基体中的分散和排列，显著提高了复合材料的导热性能。

上海交通大学的团队通过压力诱导自组装操作，制备了具有定向高热导率的碳基相变复合材料。在制备过程中，使石墨纳米片（GNP）在复合材料内部自组装取向，对热传输和结构增强产生协同作用，使复合材料表现出高达32.86W/mK的平面热导率，同时具有优异的储热密度、热循环稳定性和防漏电性能，为解决热管