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一、背景及研究意義
隨著科技的飛速發展，電子設備、新能源等領域對材料性能的要求越來越高。特別是對于兼具高機械強度、高導熱性以及自熄特性的聚合物復合材料，其市場需求日益旺盛。然而，傳統聚合物復合材料在導熱性能、機械性能和阻燃性能方面存在一定的局限性。為了滿足這些領域的需求，研究人員一直在尋找一種既能保持良好機械性能，又能實現高效導熱和自熄特性的復合材料。
近年來，球形氧化鋁作為一種優異的導熱填料，因其高導熱性、良好的化學穩定性以及較低的成本而備受關注。然而，如何制備出一種兼具高機械強度、高導熱性及自熄特性的球形氧化鋁復合材料，仍然是材料科學領域的一大挑戰。本文將詳細介紹同濟大學邱軍教授、中國藥科大學周湘副教授、南開大學Zhao Weiqiang團隊在這一領域取得的最新研究成果。
二、研究挑戰及解決方案
高導熱性與機械性能的矛盾
為實現聚合物復合材料的高導熱性，通常需要加入大量導熱粉體。然而，這會導致復合材料的機械性能、柔韌性和加工性大幅下降。為解決這一問題，研究團隊采用了以下策略：
（1）選用具有高導熱性的球形氧化鋁作為填料，以提高復合材料的導熱性能。
（2）通過功能化改性，提高球形氧化鋁與聚合物基體的相容性，降低界面熱阻。
（3）采用獨特的多刺結構，增強填料與基質的連接，提高復合材料的機械強度。
界面熱阻問題
填料與聚合物基體之間的界面熱阻是影響復合材料導熱性能的關鍵因素。為降低界面熱阻，研究團隊采取了以下措施：
（1）對球形氧化鋁進行表面改性，提高其與聚合物基體的結合力。
（2）采用樹皮狀結構，促使功能顆粒實現有效互連，優化復合材料內部的協同作用。
阻燃性能的提升
為實現復合材料的自熄特性，研究團隊采用了以下方法：
（1）引入具有阻燃性能的有機磷酸酯，賦予復合材料自熄性能。
（2）通過多刺結構，防止有機磷酸酯的自聚合，提高復合材料的阻燃性能。
三、研究成果及性能展示
研究團隊成功開發出一種兼具高機械強度、高導熱性及自熄特性的球形氧化鋁復合材料。該材料具有以下優點：
抗拉強度達到15.9 MPa，具有良好的機械性能。
導熱系數高達2.51 W·m?1·K?1，為高功率CPU提供了持續高效的散熱解決方案。
具有自熄性能，提高了材料的安全性能。
密度低、可獲取性強、環境友好，符合全球發展戰略。
四、應用前景
這種新型球形氧化鋁復合材料在電子、新能源等領域具有廣泛的應用前景，具體表現在以下幾個方面：
高功率電子設備散熱：可作為高性能散熱材料，應用于CPU、LED等高功率電子設備的散熱。
新能源領域：可用于制備鋰電池隔膜、超級電容器電極等材料，提高能量存儲設備的性能。
航空航天：可作為輕質、高強度的結構材料，應用于航空航天器的制造。
其他領域：還可應用于汽車、建筑、化工等領域，具有巨大的市場潛力。
這種兼具高機械強度、高導熱性及自熄特性的球形氧化鋁復合材料，為我國材料科學領域的發展提供了有力支持，有望推動相關產業的科技進步。
相關研究成果已以“Cocklebur-Inspired Robust Non-flammable Polymer Thermo Conductor for CPU Cooling”為題，發表于《Small》期刊。
