高导热多孔骨架如何颠覆热管理材料？

热管理背景

随着5G通信、新能源汽车、航空航天等领域功率密度和热负荷的激增，传统散热材料已难以满足高效热管理的需求。

如何实现快速导热、精准控温，同时兼顾轻量化与结构稳定？高导热多孔骨架的出现为这一难题提供了革命性解决方案。

在高分子聚合物基体上添加导热填料，可以有效增强复合材料的导热性能，一般可以添加一种填料，也可以添加两种以上的复合填料。当将导热填料和高分子基体混合之后，填料表面会被聚合物包覆，阻碍了填料之间的接触效果。即使通过各种取向操作，也无法避免有机组分的介入。而控制填料之间通过直接互联形成三维连续的导热网络，可以有效避免这个问题。

高导热多孔骨架制备方法

1.粉末混合方法

粉末混合方法导热增强效果显著优于溶液混合和熔融混合。这是由于粉末混合促进填料形成连续的网络结构，也叫做隔离结构。此时填料和聚合物基体形成双连续互穿网络，填料之间搭接良好，界面热阻得到显著下降。

具有隔离结构PS/Cu复合材料制备流程图

2.预构骨架法

粉末混合热压法虽然操作简便，但是当填料含量较高时，聚合物颗粒状基体的连续性将被破坏，最终形成填料完全包裹基体的分散状态，这对复合材料的力学性能会产生不利的影响。

预构骨架法可以保证填料和基体形成互穿网络结构，使得复合材料可以同时发挥聚合物和导热填料的优势。为了得到多孔导热骨架，常用的方法包括凝胶-冻干法、有机模板法、CVD法、添加致孔剂法等。  

有机模板法制备石墨烯/环氧树脂复合材料流程示意图

3.预构孔洞法

和预先构筑导热网络相反，一些科研工作者另辟蹊径，先制备多孔的聚合物基体，再在孔洞内灌注导热填料，同样可以实现连续的导热网络。

PDA-rGO/SR复合材料内部三维导热网络构筑示意图

高导热多孔骨架具体案例

1.多孔石墨骨架

三峡大学团队提出了一种基于3D打印技术，结合酚醛树脂包覆预处理、真空压力浸渍致密与化学气相浸渗工艺等，最终制备的高导热多孔石墨骨架热导率高达300W/m·k以上，密度达1.8g/cm³以上。该技术可调控孔洞数量、大小及导热网络，适用于集成电路散热等高精度场景。

2.微孔碳基骨架

吉林大学团队采用聚氨酯泡沫为模板，通过石墨粉末与高残碳树脂的复合浸渍，形成表面具有0.8–20μm微孔结构的碳基骨架。这种骨架无需复杂二次加工，即可显著增加与相变材料的接触面积，导热性能提升40%以上，且抗循环热冲击能力突出。

3.三维石墨烯骨架

郑州大学团队通过冰模板组装石墨烯纳米板（GNP），结合碳化处理实现相邻GNP的晶格连接，构建了低界面热阻的三维石墨烯骨架，该骨架与相变材料复合后导热系数可达7.032W/m·K，是未碳化骨架复合材料的两倍多。

总之，三维填料骨架制备工艺多样，增强效果显著，相比传统的混合方法在提髙复合材料导热系数方面具有巨大优势。一方面，结构中填料之间互相搭接形成连续的填料网络，填料之间界面热阻得到有效抑制；另一方面，填料和基体形成了双连续结构，复合材料填充阈值大幅降低。在较低的填充量下，复合材料既可以表现出良好的热传导性能，同时可以兼顾聚合物基体本身的优点，比如良好的柔韧性、电绝缘性等，在电子器件热管理领域具有巨大的应用前景。  

2025年5月28日，中国粉体网将在江苏·苏州举办“第二届高导热材料与应用技术大会暨导热填料技术研讨会”。届时，我们邀请到中国矿业大学朱春宇教授出席本次大会并作题为《高导热多孔骨架制备及其强化热管理复合材料性能》的报告。本报告将聚焦定向导热多孔骨架的结构设计与制备，对其制备工艺与热管理复合材料的热性能展开探究，揭示其独特的热学特性及潜在应用价值。

专家简介

朱春宇，中国矿业大学教授、博士生导师，江苏省特聘教授，日本北海道大学博士。主要从事热管理功能材料、相变材料蓄热储能、储能技术等相关研究。目前，已署名发表论文150余篇，其中第一或通讯作者论文90余篇发表在Advanced Functional Materials, Nano Letters, Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal, 工程热物理学报，化工学报等期刊。

参考来源：

1.国家知识产权局，Chemical Engineering Journal

2.肖超. 三维导热网络的构筑及其环氧树脂复合材料性能研究. 中国科学技术大学

3.陶璋. 导热增强型三维多孔网络基相变复合材料制备及性能研究. 北京科技大学

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