近日，李翔宇教授团队在随机复杂介质的研究方向上取得了重要进展，相关研究成果以“A comprehensive study on the effective thermal conductivity of random hybrid polymer composites”为题发表在了传热学的顶级期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》（中科院一区TOP，IF：5.584）。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121936
聚合物材料因其质量轻、易加工和耐腐蚀等优异的性能，在工业生产和日常生活中有着广阔的应用。但是聚合物的低热导率属性限制了其在高热传导工况中的功能。向聚合物材料中掺杂碳纳米管、石墨烯或陶瓷粉末等高导热填料，能有效地提升聚合物的导热性能，具有高导热属性的聚合物复合材料能在柔性电子器件、热界面联接等场合发挥重要的作用。准确预测聚合物复合材料的热导率对其设计、制备和使用有着重要的意义。然而，聚合物复合材料的微结构往往十分复杂，准确预测其热导率目前仍具有较大的困难。
本文针对多碳纳米管(MWCNT)和氮化铝(AlN)陶瓷粉末混合填充PDMS的聚合物复合材料，从实验研究、数值模拟和理论分析三个方面展开了综合性的研究。首先，根据制备的实验样品，采用电子扫描显微镜表征了聚合物复合材料的微结构特征；然后，基于微结构的统计信息，重建出了聚合物复合材料微结构的随机数字模型(见图1)。利用格子Boltzmann方法计算了随机模型的等效热导率，并探讨了填料热导率、尺寸、体积分数和微结构分布等因素对复合材料等效热导率的影响。
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图1.聚合物复合材料的SEM图像和重建随机数字模型。 |
所提出的数值方法能够有效地表征聚合物复合材料的微结构，数值模拟与实验数据吻合良好。通过系统地数值模拟发展了一个预测等效热导率的唯像模型，模型预测结果与本文的实验结果和已有文献中的实验结果吻合良好(见图2)。
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| 图2.等效热导率预测模型与当前实验结果(a)和已有文献中实验结果(b)的对比。 |
最后，为了展示当前模型的多样性，本文设计了一个有趣的热管理实验。通过调整PDMS基体中填料的含量，实现了定量控制电子器件的工作温度(见图3)。该实验结果对柔性可穿戴电子设备的温度管理有着重要的指导意义，能够通过合理地设计材料热导率来避免因工作温度过高而烧伤人体皮肤。
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| 图3.高亮LED发热器件(左)和红外线热呈像图(右)。 |
该研究受到了国家自然科学基金(Nos.: 11672250、12072279)、四川省科技厅重点项目(No.: 2021YJ0003)、中央高校基本科研业务费(No.: 2682016ZY02)和西南交通大学扬华计划(2019)的支持。博士研究生杨名山为第一作者，李翔宇教授为通讯作者，袁江宏副教授、温泽锋教授和康国政教授为共同作者。
