四川大學吳凱副研究員/傅強教授在Advanced Materials（IF:32.086）期刊上發表了研究論文「Tropocollagen inspired hierarchical spiral structure of organic fibers in epoxy bulk for three-dimensional high thermal conductivity」，報導了一種受膠原蛋白螺旋結構啟發的「環氧樹脂/聚對苯撐苯並二惡唑纖維（PBO）塊材」，這種全有機材料第一次在面外和面內方向同時實現了7 W/m K以上的高導熱係數，在三維導熱複合材料領域實現了新跨越，並利用理論模型進一步探討了導熱材料內部導熱機理。學院碩士研究生陳馨為論文第一作者；吳凱副研究員和傅強教授為論文通訊作者；第一作者單位為四川大學。
聚合物由於內部的無規結構在過去被認為是熱的不良導體。但近年來研究發現，一些取向的薄膜和纖維能夠實現極高的導熱；目前對高導熱聚合物的熱運輸機制關注點大多集中於晶體/非晶部分的取向，觀點較不完善，需要進一步的實驗支撐和合理解釋。此外，通過傳統的加工/製備方法，人們還未將全有機聚合物這種低維方向的導熱性質有效地拓展至整個三維空間，在實際應用中急切需要新的加工/製備方法實現三維方向高導熱。
針對上述問題，團隊受到膠原蛋白螺旋結構啟發，通過自下而上的方式得到了一種環氧樹脂/聚對苯撐苯並二惡唑纖維（PBO）塊材，特殊的螺旋結構為單個纖維束單元提供了長度方向和徑向方向的導熱分量，而編織結構則進一步成功地將大分子低維方向的高導熱性質拓展到了整個三維空間。
同時文章結合分子動力學、聲子模擬和經典的非線性導熱模型，分別從分子鏈結構、聚集態結構、以及微觀複合結構等多個方面對材料的導熱機理進行了分析，提出：PBO晶區和無定形區域聲子振動模式接近，因此無定形區域大分子鏈的連續構象就像熱橋一樣將相鄰的晶區串聯起來，在晶區和無定形區域界面處的聲子散射幾乎可以忽略。這也可能解釋了為什麼聚合物內聲子平均自由程遠大於其晶區尺寸、為什麼經典的一維模型計算得到的PBO非晶區是高度導熱的。
除此之外，該全有機導熱材料還表現出了輕質、高強、絕緣透波、可任意彎曲摺疊、不燃等特性。在未來，這種材料及其製備方法將有可能為有機聚合物在高性能熱管理應用方面創造全新的實現路徑，也可為進一步啟迪一些導電導熱、導熱電磁屏蔽材料的製備提供借鑑（如使用連續碳基纖維）。
來源：四川大學
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206088?af=R