智能导热材料的设计及应用

本书以面向新型热管理应用的智能导热材料为目标，根据当今智能导热材料的发展现状，从材料的概念、传热原理、结构设计及应用等角度展开介绍。

封伟，教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，国务院政府特殊津贴专家，天津市杰出人才，首批天津市“131”创新团队负责人，教育部新世纪优秀人才，中国复合材料学会导热复合材料专业委员会首任主任。长期从事功能有机碳复合材料的制备及导热性能研究，在Chemical Society Review、Advanced Materials等国际期刊上发表SCI论文214篇，授权中国发明专利62项，美国发明专利3项，国防专利3项。

智能材料是一种可以感知外部环境变化，通过判断、分析、处理并实现智能响应、性能自动调节的新型功能材料，是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料。20世纪90年代，中国逐步开展智能材料的研究，并将其列入国家中长期发展的重要规划日程。目前，智能材料的研究已经实现了力学、光学、电学等性能调控，并在热性能宏观调控方面取得了初步进展。智能材料的发展高度支撑了未来高新技术的发展，使得传统意义下的功能材料和结构材料之间的界限逐渐消失，最终实现材料结构的功能化和材料功能的多样化。

智能导热材料为导热材料的一个重要分支。它是一种以热量快速疏导为目的，通过智能热控技术，利用其热导率可智能调控的特点实现对被控对象与外界从隔热到良好导热的自主调控的新型功能材料，属于材料、化学、物理等多学科交叉的一项基础研究。智能导热材料具有响应速度快、精确调节系统温度和显著降低资源消耗的特点，在民用电子、航空航天等领域有着广阔的应用前景。同时，随着近年来空间技术、人工智能、航空航天等领域的快速发展，对于温度敏感、发热量较大且环境温度复杂的设备，如通信终端、蓄电池、芯片电子等，亟需发展能够即时感知外界环境、自主热流调节的新型智能导热材料。然而，受热导率低、回弹性差、附着力弱等综合因素的影响，材料的智能感知调节能力相对较差，因此，材料暂时未能全面满足多种复杂环境的应用需求。基于此，当今国内外学者对智能导热材料的机理、控制、应用范围开展了较多研究。研究主要包括微纳材料结构设计、导热纳米粒子的定向控制、高导热智能材料设计、高新热管理应用技术、芯片智能导热材料设计及应用等，为智能导热材料的突破和发展奠定了基础。

天津大学功能有机碳复合材料研究团队围绕碳纳米材料和功能高分子的制备、结构调控、多尺度复合及力学和导热性能开展研究，团队10多年来活跃在智能导热复合材料的前沿创新领域，掌握了导热结构设计、碳纳米材料的可控制备、界面结构修饰及多尺度可控复合等多项关键技术。此外，为了使本书的内容更加丰富，书中还加入了其他学者的优秀研究成果。

本书主要由天津大学功能有机碳复合材料研究团队的师生完成撰写工作。封伟教授负责本书全部章节的设计与编撰，俞慧涛、安东、秦盟盟、陈灿、张飞、张恒、何青霞、王令航、姜祝成、王硕等师生参与了部分章节的撰写与校对。本书的研究得到了国家自然科学基金重点项目（Ｎｏ．５２１３０３０３）和国家重点研发项目（Ｎｏ．２０２２ＹＦＢ３８０５７００）的支持。

由于智能导热材料的研究成果较为丰富，限于本书的篇幅，研究内容不可能面面俱到，因此很多优秀成果未被收录进去。

同时，由于作者的水平有限，书中难免存在疏漏和不妥之处，

恳请广大读者批评指正。希望通过此书，可以激发大家对导热材料研究的热情，给智能导热材料研究者一些帮助，我们将倍感欣慰。

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封伟

2023年2月于天津大学

第1章导热概述

1.1导热材料

1.2导热机理

1.3影响因素

1.3.1导热填料

1.3.2导热基体

1.3.3导热界面

1.4测试方法

1.4.1稳态法

1.4.2非稳态法

1.5研究现状及产业分析

1.6本章小结

参考文献

第2章智能导热材料概述

2.1智能导热材料概念

2.2智能导热材料传热机理

2.2.1声子热传导

2.2.2本征型智能导热材料声子传导

2.2.3嵌入式智能导热材料声子传导

2.3影响因素

2.3.1环境温度

2.3.2体积形态

2.3.3其他因素

2.4智能导热材料分类

2.4.1金属基智能导热材料

2.4.2非金属碳基智能导热材料

2.4.3聚合物基智能导热材料

2.4.4相变智能导热材料

2.4.5热致形状记忆智能材料

2.4.6热致变色智能材料

2.4.7高导热智能热界面复合材料

2.5本章小结

参考文献

第3章智能化性能设计

3.1温度感知

3.1.1形状记忆聚合物材料

3.1.2温敏型水凝胶材料

3.1.3液晶弹性体材料

3.2智能导热调控

3.2.1纳米悬浮液材料

3.2.2相变材料

3.2.3原子插层材料

3.2.4软物质材料

3.2.5受特定外场调控的材料

3.3自修复导热调控

3.3.1自修复概况

3.3.2外援型自修复导热复合材料

3.3.3本征型自修复导热复合材料

3.4热响应开关

3.4.1固液相变热开关

3.4.2软物质开关

3.4.3金属或无机热开关

3.5多重智能功能集成

3.5.1热管理-传感材料

3.5.2热管理-红外材料

3.5.3热管理-相变材料

3.5.4热管理-自修复材料

3.6本章小结

参考文献

第4章智能导热材料设计

4.1智能导热基体材料设计

4.1.1聚合物智能导热基体

4.1.2金属智能导热基体

4.1.3无机非金属智能导热基体

4.2智能导热填料设计

4.2.1金属基导热填料

4.2.2碳基导热填料

4.2.3无机导热填料

4.2.4智能导热填料

4.2.5其他导热填料

4.3智能导热材料复合技术

4.3.1网络构建

4.3.2界面修饰

4.3.3复合技术

4.4本章小结

参考文献

第5章智能导热材料应用

5.1温度智能调控

5.1.1智能纺织品服装

5.1.2温度智能感知

5.2温度智能响应

5.2.1智能机器人

5.2.2热致响应

5.2.3其他应用

5.3温度智能开关

5.3.1偶氮类开关

5.3.2自适应开关

5.4其他应用

5.4.1柔性导热材料

5.4.2火灾预警材料

5.4.3感知温度调节装置

5.4.4动态色彩应用

5.4.5智能包装技术

5.4.6蒸汽封堵材料

5.4.7形状记忆智能设备

5.4.8仿生机器人

5.4.9电池安全技术

5.4.10绿色建筑

5.5本章小结

参考文献

第6章智能导热材料在先进芯片中的应用

6.1芯片散热发展现状

6.1.1主动式散热

6.1.2被动式散热

6.2芯片导热材料的设计

6.2.1Chiplet技术挑战与导热材料设计

6.2.2MCM封装

6.2.32.5D封装及导热材料设计

6.2.43D封装及导热材料设计

6.2.5电热力耦合问题及散热解决方案

6.3发展现状

6.3.1风冷散热

6.3.2液冷散热

6.3.3LED照明

6.3.4激光器件

6.4芯片散热材料未来发展趋势

参考文献

第7章结论与展望

7.1智能导热材料技术瓶颈

7.1.1智能材料工艺设计

7.1.2智能导热材料制备技术瓶颈

7.2潜在应用

7.2.1变热阻器

7.2.2节能空调

7.2.3固态制冷

7.2.4热计算机

7.2.5人体热管理

7.2.6能量转换与存储

7.2.7红外隐身

7.2.8电池智能热调控

7.3展望

参考文献