具有一維結構特性的碳納米管（CNT）自從上世紀90年代初被首次制備和報道出來就一直是納米材料界的明星材料。經過近30年的發展和研究，目前在很多領域都顯示出了巨大的應用潛力。如它的高熱導率和單向導熱的熱學性質，使得它可以作為復合材料的添加劑來提高材料的熱學和力學性能。

雖然由于各種原因，CNT在實際應用中并沒有得到廣泛的應用。但近年來，微納加工技術的迅速發展使得電子器件持續小型化和運算高速化，能耗密度急劇增長。而為了保護這些敏感電路及元器件，就需要更低熱阻、更高熱導率的散熱材料將芯片產生的熱量快速導出并耗散掉，CNT作為添加劑改善聚合物基體導熱性能的應用方向也因此被寄予厚望。

碳納米管真的很“導熱”嗎？

事實上，CNT被譽為世界上最黑的物質，輻射系數接近1，具有極高的軸向熱導率，是目前世界上最好導熱材料之一。然而要想發揮出CNT的優勢，非常地講究使用方法——若CNT只是雜亂無規地分布在基體材料中，那大量管間接觸導致的巨大熱阻、宏觀體中縫隙存在及界面能的不匹配等等都會很大程度抑制CNT優異的導熱特性的發揮，導致復合材料的熱導率與期望值相距甚遠。

原生碳納米管TEM圖片

那CNT該怎么用才能有效改善各種聚合物基體內的熱傳遞網絡結構呢？基于目前添加碳納米管改性聚合物基復合材料導熱性能的研究，主要有5個因素阻礙了此類復合材料導熱性能的進一步提升：

①碳納米管在基體中的分散較差；

②碳納米管復合材料的界面；

③碳納米管在復合材料中的取向；

④碳納米管的長徑比；

⑤碳納米管在復合材料中的含量。

但是，不論是改善碳納米管在樹脂基體中的分散、界面、取向程度、提高含量等，所獲得的復合材料的熱導率基本都低于1 W/(m K)，這主要是由于僅靠碳納米管一種填料作為復合材料中的導熱網絡的單一組分復合體系，其能發揮的效果有限。因此，可將碳納米管和其他導熱填料共同用于復合材料，構成三維的導熱網絡結構，通過它們之間的協同效應，使復合材料表現出比單獨一種材料更加優異的性能。

組合1：石墨烯+碳納米管

石墨烯和碳納米管在電學和力學等方面有著相似的性質，石墨烯或納米石墨片（多層石墨烯）會在石墨片層面內的兩個方向有著極高的熱導率，而碳納米管僅在其軸向方向上具有高的熱導率。因此兩者與聚合物混合能夠體現顯著的協同改性效果，制備出性能優異的導熱材料。

Yu等人在納米石墨片改性環氧復合材料的基礎上，將一維的單壁碳納米管和二維的石墨片同時加入環氧樹脂中制備復合材料，通過兩者協同效應提高環氧復合材料的熱導率.這主要歸結于兩者的協同改性降低了界面熱阻同時形成了更高效的導熱網絡，并對該復合材料提出了如下圖所示的導熱結構模型。

碳納米管/納米石墨片/環氧復合材料中的導熱模型

組合2:碳納米纖維+碳納米管

碳納米纖維（CNF）是由纖維素進行納米化經處理后制成的，具有“輕盈、強韌、環保”的特點，與CNT一樣也是一種備受矚目的碳材料。不過兩者分別單獨使用的話效果都不太好——CNT復合材料的熱導率要有2W/mK，添加量需達10wt%；只添加大量CNF的話，復合材料會喪失柔軟性。

不過兩者結合起來使用就不一樣了。不久前東京大學和日本產業技術綜合研究所通過將兩種不同尺寸的CNF和CNT材料與環狀高分子材料聚輪烷結合在一起，制備出了一種高導熱的橡膠復合材料。在復合材料內部，CNF會沿著施加的電場方向排列，較小的CNT則纏繞在較大的CNF外面，將CNF連接在一起。如此一來，通過以少量的CNT連接CNF，在整個復合材料中形成了導熱網絡，從而實現了高導熱率。

CNF和CNT在此橡膠復合材料中排列分散的情況

據悉，這種新開發出來的橡膠復合材料就像橡膠一樣柔軟，即使添加50wt％的纖維狀碳材料也仍然具有高柔軟性，并且導熱率與金屬不分伯仲，在順CNF排列方向具有14W/mK的高導熱率，達到了實用化水平，有望應用于柔性電子器件的熱夾層材料、散熱片和散熱板等。

橡膠復合材料外觀

除了上述兩種外，CNT在散熱材料中其實還有更多的組合方式，在這里就不一一展開了。顯然，CNT在熱管理材料領域的研究目前已取得了很大的進步和顯著的成果，在未來以微型電子器件為主流的發展趨勢下，或許這真的會成為CNT未來的主要應用方向呢。

資料來源：

碳納米管在熱管理材料中的應用，邢亞娟，陳宏源，陳名海，姚亞剛，李清文。

粉體圈 小榆