随着 5G 时代的到来，电子产品在集成化、小型化、精密化的方向上取得了前所未有的发展。在保持高功率密度的同时也导致器件散热问题越来越突出。如果这些热量不能及时排出，电子设备在运行过程中的可靠性和稳定性将受到负面影响，其寿命也将受到严重威胁。为了确保电子设备的长期、安全和可靠运行，研究和开发新型导热材料已成为研制下一代电子器件的首要任务。受益于良好的柔韧性、低密度、优异的绝缘性、低成本、耐腐蚀性和易加工性等优点，导热聚合物基复合材料已被广泛用作 5G 通信、电子封装、电气设备、能源传输及航空航天等领域的热管理材料。然而，由于聚合物中大分子链的无定形结构和振动可以引起大量的声子散射，绝大多数的纯聚合物都是热绝缘体或相对较差的热导体，较低的固有 λ 值在一定程度上限制了其在热管理中的应用，因此对传热机理的深入理解是开发下一代导热复合材料的先决条件。
近日，哈尔滨理工大学吴子剑副教授等人在 Advanced Functional Materials 上发表题为“A Roadmap Review of Thermally Conductive Polymer Composites: Critical Factors, Progress, and Prospects”的综述文章。文章第一作者为哈尔滨理工大学硕士研究生王正芳，第一通讯作者为哈尔滨理工大学吴子剑副教授，英国诺森比亚大学 Ben Bin Xu 教授、UCLA 贺曦敏教授、南京林业大学葛省波副教授为本文的共同通讯作者，哈尔滨理工大学为第一完成单位。
本文全面回顾了导热聚合物复合材料领域的最新研究进展，并勾勒出技术路线图，同时特别关注影响聚合物复合材料 λ 值的关键因素，以及如何提高 λ 值的热传导机制。本文结合微观和宏观，系统地介绍了材料内部的导热机理及特性，介绍了声子散射、声子水动力学、电子-声子耦合、声子态密度等重要的理论，有利于读者深入了解材料的内部的热传导机制。
本文针对界面热阻的相关理论研究展开论述，对界面热阻的研究主要基于连续介质理论和原子理论展开。对于连续介质理论，主要介绍了声学失配模型（AMM）和扩散失配模型（DMM）。基于原子理论发展起来的相关理论是在充分考虑原子微观结构的情况下通过各种模拟得出的，主要介绍了晶格动力学、格林函数法、分子动力学模拟（非平衡分子动力学（NEMD）和平衡分子动力学（EMD）模拟）、玻尔兹曼传输方程和蒙特卡洛方法。同时对测量界面热阻的技术进行论述，包括稳态测量（包括传统的加热器-传感器方法和电子束自热方法）和瞬态测量（包括微分 3 ω 方法和泵探针热反射技术）。
通过减少界面热阻可提高聚合物复合材料的 λ 值，本文系统介绍了已获应用的各种手段，如不同填料之间的协同效应、填料的表面功能化、建立三维互联的框架结构、导热填料的取向以及粘合增强的界面热传输。由于热传导过程受到多种变量的影响，深入了解多种因素对热传导过程的协同影响，对改善导热聚合物复合材料具有重要意义。与以往的相关综述相比，本文从宏观到微观层面全面总结了材料的热传导机制，有利于读者深入了解材料的内部热传导机制。其次，本文还全面介绍了影响聚合物复合材料 λ 值的因素，为制备具有优良导热性能的复合材料提供了有效参考。从过去 7 年发表的 400 篇文献中，对高导热和电绝缘材料发展的挑战和趋势进行了梳理，以勾勒出路线图。对导热填料和聚合物复合材料的加工方法进行了系统而全面的总结，并列出了一些工程应用。
关于影响材料导热性能的关键因素，可归纳为：（1）导热填料类型（重点介绍了陶瓷系和碳系填料）；（2）导热填料的形状、尺寸、长径比、含量和定向排列；（3）混合填料策略；（4）填料功能化；（5）3D 导热网络；（6）聚合物基体；（7）加工技术；（8）外部条件以及（9）其他因素（分散和界面）。为了提高聚合物基体的本征导热性，可以通过设计和改变分子和链的结构来获得特定的物理结构（如定向结构、液晶结构和结晶结构等），实现高本征导热性的大分子体系。对于填充型导热聚合物，填充物的导热性、导热网络的结构以及聚合物和填充物之间的界面对复合材料的导热性影响很大。对各方面因素的分析能够使读者对影响材料导热性能的复杂因素有一个综合的考量。应用部分则涵盖了导热聚合物复合材料在电子器件领域的应用，包括先进电子封装、LED 设备、储能设备、电热冷却设备、太阳能电池、热电发电机、个人热管理、热开关等。
尽管到目前为止已经取得了一些进展，但在进一步发展导热聚合物复合材料技术方面仍有一些挑战需要解决：（1）为了使以传统方式制备的复合材料的导热性能得到显著提高，必须添加大量的导热填料，而添加过多的导热填料不仅会损害材料的机械性能，还会增加界面热阻。由于引入了更多的界面，导致了更多的声子散射点，阻碍了材料中的热流。因此，在低填充物含量的情况下实现高热导率仍然是当前研究的一个热点话题。（2）聚合物的固有 λ 值极低，但聚合物基体显然占据了最大的比例，对复合材料性能的影响最大。因此，深入研究本征聚合物的导热机制将有利于提高最终产品的 λ 值。（3）对导热聚合物复合材料的研究大多局限于理论和实验层面。如何实现大规模工业化生产，也是未来亟待解决的问题。（4）目前的热传导机制和模型并不完善，需要对热传导机制进行深入研究，这需要从多学科的角度来进行。计算机模拟和机器学习是建立新的热传导模型和设计下一代导热产品的有力工具。（5）用不同测试设备得到的聚合物复合材料的 λ 值显示出明显的差异，热导率的表征方法需要规范化和标准化，以使 λ 值具有可比性。（6）智能材料发展迅速，设计和制备功能性导热材料变得越来越重要，如具有高效 EMI 屏蔽的导热材料、具有快速自愈能力的导热材料和具有传感功能的导热材料等。
