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熱管理背景
隨著5G通信、新能源汽車、航空航天等領域功率密度和熱負荷的激增，傳統散熱材料已難以滿足高效熱管理的需求。
如何實現快速導熱、精準控溫，同時兼顧輕量化與結構穩定？高導熱多孔骨架的出現為這一難題提供了革命性解決方案。
在高分子聚合物基體上添加導熱填料，可以有效增強復合材料的導熱性能，一般可以添加一種填料，也可以添加兩種以上的復合填料。當將導熱填料和高分子基體混合之后，填料表面會被聚合物包覆，阻礙了填料之間的接觸效果。即使通過各種取向操作，也無法避免有機組分的介入。而控制填料之間通過直接互聯形成三維連續的導熱網絡，可以有效避免這個問題。
高導熱多孔骨架制備方法
1.粉末混合方法
粉末混合方法導熱增強效果顯著優于溶液混合和熔融混合。這是由于粉末混合促進填料形成連續的網絡結構，也叫做隔離結構。此時填料和聚合物基體形成雙連續互穿網絡，填料之間搭接良好，界面熱阻得到顯著下降。
具有隔離結構PS/Cu復合材料制備流程圖
2.預構骨架法
粉末混合熱壓法雖然操作簡便，但是當填料含量較高時，聚合物顆粒狀基體的連續性將被破壞，最終形成填料完全包裹基體的分散狀態，這對復合材料的力學性能會產生不利的影響。
預構骨架法可以保證填料和基體形成互穿網絡結構，使得復合材料可以同時發揮聚合物和導熱填料的優勢。為了得到多孔導熱骨架，常用的方法包括凝膠-凍干法、有機模板法、CVD法、添加致孔劑法等。
有機模板法制備石墨烯/環氧樹脂復合材料流程示意圖
3.預構孔洞法
和預先構筑導熱網絡相反，一些科研工作者另辟蹊徑，先制備多孔的聚合物基體，再在孔洞內灌注導熱填料，同樣可以實現連續的導熱網絡。
PDA-rGO/SR復合材料內部三維導熱網絡構筑示意圖
高導熱多孔骨架具體案例
1.多孔石墨骨架
三峽大學團隊提出了一種基于3D打印技術，結合酚醛樹脂包覆預處理、真空壓力浸漬致密與化學氣相浸滲工藝等，最終制備的高導熱多孔石墨骨架熱導率高達300W/m·k以上，密度達1.8g/cm³以上。該技術可調控孔洞數量、大小及導熱網絡，適用于集成電路散熱等高精度場景。
2.微孔碳基骨架
吉林大學團隊采用聚氨酯泡沫為模板，通過石墨粉末與高殘碳樹脂的復合浸漬，形成表面具有0.8–20μm微孔結構的碳基骨架。這種骨架無需復雜二次加工，即可顯著增加與相變材料的接觸面積，導熱性能提升40%以上，且抗循環熱沖擊能力突出。
3.三維石墨烯骨架
鄭州大學團隊通過冰模板組裝石墨烯納米板（GNP），結合碳化處理實現相鄰GNP的晶格連接，構建了低界面熱阻的三維石墨烯骨架，該骨架與相變材料復合后導熱系數可達7.032W/m·K，是未碳化骨架復合材料的兩倍多。
總之，三維填料骨架制備工藝多樣，增強效果顯著，相比傳統的混合方法在提髙復合材料導熱系數方面具有巨大優勢。一方面，結構中填料之間互相搭接形成連續的填料網絡，填料之間界面熱阻得到有效抑制；另一方面，填料和基體形成了雙連續結構，復合材料填充閾值大幅降低。在較低的填充量下，復合材料既可以表現出良好的熱傳導性能，同時可以兼顧聚合物基體本身的優點，比如良好的柔韌性、電絕緣性等，在電子器件熱管理領域具有巨大的應用前景。
2025年5月28日，中國粉體網將在江蘇·蘇州舉辦“第二屆高導熱材料與應用技術大會暨導熱填料技術研討會”。屆時，我們邀請到中國礦業大學朱春宇教授出席本次大會并作題為《高導熱多孔骨架制備及其強化熱管理復合材料性能》的報告。本報告將聚焦定向導熱多孔骨架的結構設計與制備，對其制備工藝與熱管理復合材料的熱性能展開探究，揭示其獨特的熱學特性及潛在應用價值。
專家簡介
朱春宇，中國礦業大學教授、博士生導師，江蘇省特聘教授，日本北海道大學博士。主要從事熱管理功能材料、相變材料蓄熱儲能、儲能技術等相關研究。目前，已署名發表論文150余篇，其中第一或通訊作者論文90余篇發表在Advanced Functional Materials, Nano Letters, Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal, 工程熱物理學報，化工學報等期刊。
參考來源：
1.國家知識產權局，Chemical Engineering Journal
2.肖超. 三維導熱網絡的構筑及其環氧樹脂復合材料性能研究. 中國科學技術大學
3.陶璋. 導熱增強型三維多孔網絡基相變復合材料制備及性能研究. 北京科技大學
（中國粉體網編輯整理/輕言）
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