Review of polymer nanocomposites with high thermal conductivity and their applications

Subject Areas : Applications of Nanostructures

Majid Mirzaee ^{1 *} , Majid Rezaei Abdadchi ² , Alimorad Rashidi ³

1 - Non-Metallic Materials Research Group, Niroo Research Institute, P. O. Box: 14665517, Tehran, Iran
2 - Non-Metallic Materials Research Group, Niroo Research Institute, P. O. Box: 14665517, Tehran, Iran
3 - Non-Metallic Materials Research Group, Niroo Research Institute, P. O. Box: 14665517, Tehran, Iran

Received: 2025-05-07 Accepted : 2025-05-30 Published : 2025-06-09

Keywords: Nanocomposite, Polymer, Thermal Conductivity, Filler.,

Abstract :

The rapid accumulation and dissipation of heat in electronic equipment and related sectors are among the main limiting factors for miniaturization and power enhancement of these devices. This significantly affects the performance and lifespan of electronic devices. Therefore, improving the thermal conductivity of polymer composites (TCPCs)is the primary solution to this problem. Unlike producing polymer composites with inherent thermal conductivity, filling the polymer matrix with thermally conductive fillers can more effectively enhance the thermal conductivity of the composites. This article begins by reviewing the mechanism of thermal conductivity and describes the factors that influence the thermal conductivity of polymer composites, including the type and morphology of the filler, the distribution method, and the functionalization of the fillers. Finally, the applications are described, and the challenges and future of TCPCs are reviewed.

References:

[1] J.S. Kang, M. Li, H. Wu, H. Nguyen, Y. Hu, Experimental observation of high thermal conductivity in boron arsenide, Science, 361 (2018) 575-578.
[2] S. Wang, Y. Liu, Y. Guo, Y. Lu, Y. Huang, H. Xu, D. Wu, J. Sun, Optimal analysis for thermal conductivity variation of EVA/SCF composites prepared by spatial confining forced network assembly, Materials Today Communications, 25 (2020) 101206.
[3] S. Li, Q. Zheng, Y. Lv, X. Liu, X. Wang, P.Y. Huang, D.G. Cahill, B. Lv, High thermal conductivity in cubic boron arsenide crystals, Science, 361 (2018) 579-581.
[4] W. Si, J. Sun, X. He, Y. Huang, J. Zhuang, J. Zhang, V. Murugadoss, J. Fan, D. Wu, Z. Guo, Enhancing thermal conductivity via conductive network conversion from high to low thermal dissipation in polydimethylsiloxane composites, Journal of Materials Chemistry C, 8 (2020) 3463-3475.
[5] J. Zhuang, W. Hu, Y. Fan, J. Sun, X. He, H. Xu, Y. Huang, D. Wu, Fabrication and testing of metal/polymer microstructure heat exchangers based on micro embossed molding method, Microsystem Technologies, 25 (2019) 381-388.
[6] N. Song, D. Jiao, S. Cui, X. Hou, P. Ding, L. Shi, Highly anisotropic thermal conductivity of layer-by-layer assembled nanofibrillated cellulose/graphene nanosheets hybrid films for thermal management, ACS applied materials & interfaces, 9 (2017) 2924-2932.
[7] Y. Li, X. Tian, W. Yang, Q. Li, L. Hou, Z. Zhu, Y. Tang, M. Wang, B. Zhang, T. Pan, Dielectric composite reinforced by in-situ growth of carbon nanotubes on boron nitride nanosheets with high thermal conductivity and mechanical strength, Chemical Engineering Journal, 358 (2019) 718-724.
[8] C.-R. Yang, C.-D. Chen, C. Cheng, W.-H. Shi, P.-H. Chen, T.-P. Teng, Thermal conductivity enhancement of AlN/PDMS composites using atmospheric plasma modification techniques, International Journal of Thermal Sciences, 155 (2020) 106431.
[9] D. Wu, J. Sun, Y. Liu, Z. Yang, H. Xu, X. Zheng, P. Gou, Rapid fabrication of microstructure on PMMA substrate by the plate to plate Transition‐Spanning isothermal hot embossing method nearby glass transition temperature, Polymer Engineering & Science, 57 (2017) 268-274.
[10] X. Chen, J.S.K. Lim, W. Yan, F. Guo, Y.N. Liang, H. Chen, A. Lambourne, X. Hu, Salt template assisted BN scaffold fabrication toward highly thermally conductive epoxy composites, ACS applied materials & interfaces, 12 (2020) 16987-16996.
[11] D. Zhang, H. Yang, J. Pan, B. Lewis, W. Zhou, K. Cai, A. Benatar, L.J. Lee, J.M. Castro, Multi-functional CNT nanopaper polyurethane nanocomposite fabricated by ultrasonic infiltration and dip soaking processes, Composites Part B: Engineering, 182 (2020) 107646.
[12] N. Burger, A. Laachachi, M. Ferriol, M. Lutz, V. Toniazzo, D. Ruch, Review of thermal conductivity in composites: Mechanisms, parameters and theory, Progress in Polymer Science, 61 (2016) 1-28.
[13] Y. Guo, K. Ruan, X. Shi, X. Yang, J. Gu, Factors affecting thermal conductivities of the polymers and polymer composites: A review, Composites Science and Technology, 193 (2020) 108134.
[14] Y. Zhang, Y.-J. Heo, Y.-R. Son, I. In, K.-H. An, B.-J. Kim, S.-J. Park, Recent advanced thermal interfacial materials: a review of conducting mechanisms and parameters of carbon materials, Carbon, 142 (2019) 445-460.
[15] Y. Guo, Z. Lyu, X. Yang, Y. Lu, K. Ruan, Y. Wu, J. Kong, J. Gu, Enhanced thermal conductivities and decreased thermal resistances of functionalized boron nitride/polyimide composites, Composites Part B: Engineering, 164 (2019) 732-739.
[16] G.-H. Kim, D. Lee, A. Shanker, L. Shao, M.S. Kwon, D. Gidley, J. Kim, K.P. Pipe, High thermal conductivity in amorphous polymer blends by engineered interchain interactions, Nature materials, 14 (2015) 295-300.
[17] J. Gu, C. Xie, H. Li, J. Dang, W. Geng, Q. Zhang, Thermal percolation behavior of graphene nanoplatelets/polyphenylene sulfide thermal conductivity composites, Polymer composites, 35 (2014) 1087-1092.
[18] Y. Su, J.J. Li, G.J. Weng, Theory of thermal conductivity of graphene-polymer nanocomposites with interfacial Kapitza resistance and graphene-graphene contact resistance, Carbon, 137 (2018) 222-233.
[19] A. Oluwalowo, N. Nguyen, S. Zhang, J.G. Park, R. Liang, Electrical and thermal conductivity improvement of carbon nanotube and silver composites, Carbon, 146 (2019) 224-231.
[20] Y. Liu, M. Lu, K. Wu, S. Yao, X. Du, G. Chen, Q. Zhang, L. Liang, M. Lu, Anisotropic thermal conductivity and electromagnetic interference shielding of epoxy nanocomposites based on magnetic driving reduced graphene oxide@ Fe3O4, Composites Science and Technology, 174 (2019) 1-10.
[21] G. Fugallo, A. Cepellotti, L. Paulatto, M. Lazzeri, N. Marzari, F. Mauri, Thermal conductivity of graphene and graphite: collective excitations and mean free paths, Nano letters, 14 (2014) 6109-6114.
[22] J. Li, Y. Xiong, X. Wang, S. Yan, C. Yang, W. He, J. Chen, S. Wang, X. Zhang, S. Dai, Microstructure and tensile properties of bulk nanostructured aluminum/graphene composites prepared via cryomilling, Materials Science and Engineering: A, 626 (2015) 400-405.
[23] B. Shen, W. Zhai, W. Zheng, Ultrathin flexible graphene film: an excellent thermal conducting material with efficient EMI shielding, Advanced Functional Materials, 24 (2014) 4542-4548.
[24] N. Song, D. Cao, X. Luo, Q. Wang, P. Ding, L. Shi, Highly thermally conductive polypropylene/graphene composites for thermal management, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 135 (2020) 105912.
[25] E. Pop, D. Mann, Q. Wang, K. Goodson, H. Dai, Thermal conductance of an individual single-wall carbon nanotube above room temperature, Nano letters, 6 (2006) 96-100.
[26] H. Chen, V.V. Ginzburg, J. Yang, Y. Yang, W. Liu, Y. Huang, L. Du, B. Chen, Thermal conductivity of polymer-based composites: Fundamentals and applications, Progress in Polymer Science, 59 (2016) 41-85.
[27] B. Guo, Z. Tang, L. Zhang, Transport performance in novel elastomer nanocomposites: Mechanism, design and control, Progress in Polymer Science, 61 (2016) 29-66.
[28] B.-H. Xie, X. Huang, G.-J. Zhang, High thermal conductive polyvinyl alcohol composites with hexagonal boron nitride microplatelets as fillers, Composites Science and Technology, 85 (2013) 98-103.
[29] B. Liu, Y. Li, T. Fei, S. Han, C. Xia, Z. Shan, J. Jiang, Highly thermally conductive polystyrene/polypropylene/boron nitride composites with 3D segregated structure prepared by solution-mixing and hot-pressing method, Chemical Engineering Journal, 385 (2020) 123829.
[30] Z. Zeng, T. Sun, J. Zhu, X. Huang, Z. Yin, G. Lu, Z. Fan, Q. Yan, H.H. Hng, H. Zhang, An effective method for the fabrication of few-layer-thick inorganic nanosheets, Angewandte Chemie (International ed. in English), 51 (2012) 9052-9056.
[31] X. Liu, Y. Gao, Y. Shang, X. Zhu, Z. Jiang, C. Zhou, J. Han, H. Zhang, Non-covalent modification of boron nitride nanoparticle-reinforced PEEK composite: Thermally conductive, interfacial, and mechanical properties, Polymer, 203 (2020) 122763.
[32] Y. Ouyang, G. Hou, L. Bai, B. Li, F. Yuan, Constructing continuous networks by branched alumina for enhanced thermal conductivity of polymer composites, Composites Science and Technology, 165 (2018) 307-313.
[33] K. Zhao, G. Liu, W. Cao, Z. Su, J. Zhao, J. Han, B. Dai, K. Cao, J. Zhu, A combination of nanodiamond and boron nitride for the preparation of polyvinyl alcohol composite film with high thermal conductivity, Polymer, 206 (2020) 122885.
[34] C. Fu, C. Yan, L. Ren, X. Zeng, G. Du, R. Sun, J. Xu, C.-P. Wong, Improving thermal conductivity through welding boron nitride nanosheets onto silver nanowires via silver nanoparticles, Composites Science and Technology, 177 (2019) 118-126.
[35] T. Xu, S. Zhou, S. Cui, N. Song, L. Shi, P. Ding, Three-dimensional carbon fiber-graphene network for improved thermal conductive properties of polyamide-imide composites, Composites Part B: Engineering, 178 (2019) 107495.
[36] H. Sun, N. Deng, J. Li, G. He, J. Li, Highly thermal-conductive graphite flake/Cu composites prepared by sintering intermittently electroplated core-shell powders, Journal of Materials Science & Technology, 61 (2021) 93-99.
[37] Y. Guo, K. Ruan, X. Yang, T. Ma, J. Kong, N. Wu, J. Zhang, J. Gu, Z. Guo, Constructing fully carbon-based fillers with a hierarchical structure to fabricate highly thermally conductive polyimide nanocomposites, Journal of Materials Chemistry C, 7 (2019) 7035-7044.
[38] J. Chang, Q. Zhang, Y. Lin, C. Zhou, W. Yang, L. Yan, G. Wu, Carbon nanotubes grown on graphite films as effective interface enhancement for an aluminum matrix laminated composite in thermal management applications, ACS applied materials & interfaces, 10 (2018) 38350-38358.
[39] C. Teng, L. Su, J. Chen, J. Wang, Flexible, thermally conductive layered composite films from massively exfoliated boron nitride nanosheets, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 124 (2019) 105498.
[40] S. Yuan, J. Bai, C.K. Chua, J. Wei, K. Zhou, Highly enhanced thermal conductivity of thermoplastic nanocomposites with a low mass fraction of MWCNTs by a facilitated latex approach, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 90 (2016) 699-710.
[41] Z. Lule, J. Kim, Thermally conductive and highly rigid polylactic acid (PLA) hybrid composite filled with surface treated alumina/nano-sized aluminum nitride, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 124 (2019) 105506.
[42] Y. Sohn, T. Han, J.H. Han, Effects of shape and alignment of reinforcing graphite phases on the thermal conductivity and the coefficient of thermal expansion of graphite/copper composites, Carbon, (2019).
[43] X. Wang, C. Zhang, T. Zhang, C. Tang, Q. Chi, Enhanced thermal conductivity of epoxy resin by incorporating three-dimensional boron nitride thermally conductive network, The Journal of chemical physics, 160 15 (2024).
[44] X. Wang, P. Wu, Preparation of Highly Thermally Conductive Polymer Composite at Low Filler Content via a Self-Assembly Process between Polystyrene Microspheres and Boron Nitride Nanosheets, ACS applied materials & interfaces, 9 23 (2017) 19934-19944.
[45] A. Giri, P.E. Hopkins, A Review of Experimental and Computational Advances in Thermal Boundary Conductance and Nanoscale Thermal Transport across Solid Interfaces, Advanced Functional Materials, 30 (2019).
[46] S.M. Ha, H.L. Lee, S.-G. Lee, B.G. Kim, Y.S. Kim, J.C. Won, W.J. Choi, D.C. Lee, J. Kim, Y.T. Yoo, Thermal conductivity of graphite filled liquid crystal polymer composites and theoretical predictions, Composites Science and Technology, 88 (2013) 113-119.
[47] F. Zhang, K. Fan, F. Saba, J. Yu, Graphene reinforced-graphitized nanodiamonds matrix composites: Fabrication, microstructure, mechanical properties, thermal and electrical conductivity, Carbon, 169 (2020) 416-428.
[48] C. Liang, H. Qiu, Y. Han, H. Gu, P. Song, L. Wang, J. Kong, D. Cao, J. Gu, Superior electromagnetic interference shielding 3D graphene nanoplatelets/reduced graphene oxide foam/epoxy nanocomposites with high thermal conductivity, Journal of Materials Chemistry C, 7 (2019) 2725-2733.
[49] X. Wang, P. Wu, Highly thermally conductive fluorinated graphene films with superior electrical insulation and mechanical flexibility, ACS applied materials & interfaces, 11 (2019) 21946-21954.
[50] Y. Zhang, J.R. Choi, S. Park, Interlayer polymerization in amine-terminated macromolecular chain-grafted expanded graphite for fabricating highly thermal conductive and physically strong thermoset composites for thermal management applications, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, (2018).
[51] Y. Guo, X. Yang, K. Ruan, J. Kong, M. Dong, J. Zhang, J. Gu, Z. Guo, Reduced graphene oxide heterostructured silver nanoparticles significantly enhanced thermal conductivities in hot-pressed electrospun polyimide nanocomposites, ACS applied materials & interfaces, 11 (2019) 25465-25473.
[52] C. Ji, C. Yan, Y. Wang, S. Xiong, F. Zhou, Y. Li, R. Sun, C.-P. Wong, Thermal conductivity enhancement of CNT/MoS2/graphene− epoxy nanocomposites based on structural synergistic effects and interpenetrating network, Composites Part B: Engineering, 163 (2019) 363-370.
[53] H. Liu, S. Gu, H. Cao, X. Li, Y. Li, A dense packing structure constructed by flake and spherical graphite: Simultaneously enhanced in-plane and through-plane thermal conductivity of polypropylene/graphite composites, Composites Communications, 19 (2020) 25-29.
[54] W. Chen, K. Wu, Q. Liu, M. Lu, Functionalization of graphite via Diels-Alder reaction to fabricate poly (vinyl alcohol) composite with enhanced thermal conductivity, Polymer, 186 (2020) 122075.
[55] C. Du, M. Cao, M. Li, H. Guo, R. Liu, B. Li, Homogeneously dispersed urchin-structured Fe3O4 with graphitic carbon spines inside poly (vinylidene fluoride) for efficient thermal conduction, Composites Science and Technology, 192 (2020) 108106.
[56] B. Yang, Y. Pan, Y. Yu, J. Wu, R. Xia, S. Wang, Y. Wang, L. Su, J. Miao, J. Qian, Filler network structure in graphene nanoplatelet (GNP)-filled polymethyl methacrylate (PMMA) composites: From thermorheology to electrically and thermally conductive properties, Polymer Testing, 89 (2020) 106575.
[57] S. Gong, X. Cheng, Y. Li, X. Wang, Y. Wang, H. Zhong, Effect of nano-SiC on thermal properties of expanded graphite/1-octadecanol composite materials for thermal energy storage, Powder Technology, 367 (2020) 32-39.
[58] C. Li, L.-Y. Tan, X.-L. Zeng, D.-L. Zhu, R. Sun, J.-B. Xu, C.-P. Wong, Polymer composites with high thermal conductivity optimized by polyline-folded graphite paper, Composites Science and Technology, 188 (2020) 107970.
[59] J. He, H. Wang, Q. Qu, Z. Su, T. Qin, Y. Da, X. Tian, Construction of interconnected SiC particles attached rGO structure in epoxy composites to achieve significant thermal conductivity enhancement, Materials Today Communications, 25 (2020) 101584.
[60] M. Ma, L. Xu, L. Qiao, S. Chen, Y. Shi, H. He, X. Wang, Nanofibrillated Cellulose/MgO@ rGO composite films with highly anisotropic thermal conductivity and electrical insulation, Chemical Engineering Journal, 392 (2020) 123714.
[61] X. He, Y. Wang, Highly thermally conductive polyimide composite films with excellent thermal and electrical insulating properties, Industrial & Engineering Chemistry Research, 59 (2020) 1925-1933.
[62] H.-Y. Wang, Y.-b. You, J.-W. Zha, Z.-M. Dang, Fabrication of BaTiO3@ super short MWCNTs core-shell particles reinforced PVDF composite films with improved dielectric properties and high thermal conductivity, Composites Science and Technology, 200 (2020) 108405.
[63] R. Wang, C. Xie, S. Luo, H. Xu, B. Gou, L. Zeng, Preparation and properties of MWCNTs-BNNSs/epoxy composites with high thermal conductivity and low dielectric loss, Materials Today Communications, 24 (2020) 100985.
[64] X. Wang, P. Wu, Fluorinated carbon nanotube/nanofibrillated cellulose composite film with enhanced toughness, superior thermal conductivity, and electrical insulation, ACS applied materials & interfaces, 10 (2018) 34311-34321.
[65] M.K. Smith, V. Singh, K. Kalaitzidou, B.A. Cola, High thermal and electrical conductivity of template fabricated P3HT/MWCNT composite nanofibers, ACS Applied Materials & Interfaces, 8 (2016) 14788-14794.
[66] S. Moradi, Y. Calventus, F. Román, J.M. Hutchinson, Achieving high thermal conductivity in epoxy composites: Effect of boron nitride particle size and matrix-filler interface, Polymers, 11 (2019) 1156.
[67] H. Guo, Q. Wang, J. Liu, C. Du, B. Li, Improved interfacial properties for largely enhanced thermal conductivity of poly (vinylidene fluoride)-based nanocomposites via functionalized multi-wall carbon nanotubes, Applied Surface Science, 487 (2019) 379-388.
[68] B. Anis, H. El Fllah, T. Ismail, W.M. Fathallah, A. Khalil, O. Hemeda, Y.A. Badr, Preparation, characterization, and thermal conductivity of polyvinyl-formaldehyde/MWCNTs foam: A low cost heat sink substrate, Journal of Materials Research and Technology, 9 (2020) 2934-2945.
[69] Z.-G. Wang, Y.-L. Yang, Z.-L. Zheng, R.-T. Lan, K. Dai, L. Xu, H.-D. Huang, J.-H. Tang, J.-Z. Xu, Z.-M. Li, Achieving excellent thermally conductive and electromagnetic shielding performance by nondestructive functionalization and oriented arrangement of carbon nanotubes in composite films, Composites Science and Technology, 194 (2020) 108190.
[70] X. He, Y. Huang, Y. Liu, X. Zheng, S. Kormakov, J. Sun, J. Zhuang, X. Gao, D. Wu, Improved thermal conductivity of polydimethylsiloxane/short carbon fiber composites prepared by spatial confining forced network assembly, Journal of Materials Science, 53 (2018) 14299-14310.
[71] H. Zhang, X. Zhang, D. Li, X. Yang, D. Wu, J. Sun, Thermal conductivity enhancement via conductive network conversion from “sand-like” to “stone-like” in the polydimethylsiloxane composites, Composites Communications, 22 (2020) 100509.
[72] H. Wang, L. Li, Y. Chen, M. Li, H. Fu, X. Hou, X. Wu, C.-T. Lin, N. Jiang, J. Yu, Efficient thermal transport highway construction within epoxy matrix via hybrid carbon fibers and alumina particles, ACS omega, 5 (2020) 1170-1177.
[73] Y.-H. Zhao, Y.-F. Zhang, S.-L. Bai, X.-W. Yuan, Carbon fibre/graphene foam/polymer composites with enhanced mechanical and thermal properties, Composites Part B: Engineering, 94 (2016) 102-108.
[74] M. Owais, J. Zhao, A. Imani, G. Wang, H. Zhang, Z. Zhang, Synergetic effect of hybrid fillers of boron nitride, graphene nanoplatelets, and short carbon fibers for enhanced thermal conductivity and electrical resistivity of epoxy nanocomposites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 117 (2019) 11-22.
[75] J. Wei, M. Liao, A. Ma, Y. Chen, Z. Duan, X. Hou, M. Li, N. Jiang, J. Yu, Enhanced thermal conductivity of polydimethylsiloxane composites with carbon fiber, Composites Communications, 17 (2020) 141-146.
[76] J. Ji, S.-W. Chiang, M. Liu, X. Liang, J. Li, L. Gan, Y. He, B. Li, F. Kang, H. Du, Enhanced thermal conductivity of alumina and carbon fibre filled composites by 3-D printing, Thermochimica acta, 690 (2020) 178649.
[77] T. Goto, T. Ito, K. Mayumi, R. Maeda, Y. Shimizu, K. Hatakeyama, K. Ito, Y. Hakuta, K. Terashima, Movable cross-linked elastomer with aligned carbon nanotube/nanofiber as high thermally conductive tough flexible composite, Composites Science and Technology, 190 (2020) 108009.
[78] F. Xu, Y. Cui, D. Bao, D. Lin, S. Yuan, X. Wang, H. Wang, Y. Sun, A 3D interconnected Cu network supported by carbon felt skeleton for highly thermally conductive epoxy composites, Chemical Engineering Journal, 388 (2020) 124287.
[79] J. Ma, T. Shang, L. Ren, Y. Yao, T. Zhang, J. Xie, B. Zhang, X. Zeng, R. Sun, J.-B. Xu, Through-plane assembly of carbon fibers into 3D skeleton achieving enhanced thermal conductivity of a thermal interface material, Chemical Engineering Journal, 380 (2020) 122550.
[80] L. Guo, Z. Zhang, M. Li, R. Kang, Y. Chen, G. Song, S.-T. Han, C.-T. Lin, N. Jiang, J. Yu, Extremely high thermal conductivity of carbon fiber/epoxy with synergistic effect of MXenes by freeze-drying, Composites Communications, 19 (2020) 134-141.
[81] C. Yu, Q. Zhang, J. Zhang, R. Geng, W. Tian, X. Fan, Y. Yao, One-step in situ ball milling synthesis of polymer-functionalized few-layered boron nitride and its application in high thermally conductive cellulose composites, ACS Applied Nano Materials, 1 (2018) 4875-4883.
[82] T. Ma, Y. Zhao, K. Ruan, X. Liu, J. Zhang, Y. Guo, X. Yang, J. Kong, J. Gu, Highly thermal conductivities, excellent mechanical robustness & flexibility, and outstanding thermal stabilities of aramid nanofiber composite papers with nacre-mimetic layered structures, ACS applied materials & interfaces, (2019).
[83] L. Zhao, L. Yan, C. Wei, Q. Li, X. Huang, Z. Wang, M. Fu, J. Ren, Synergistic Enhanced Thermal Conductivity of Epoxy Composites with Boron Nitride Nanosheets and Microspheres, Journal of Physical Chemistry C, 124 (2020) 12723-12733.
[84] T. Huang, Y. Li, M. Chen, L. Wu, Bi-directional high thermal conductive epoxy composites with radially aligned boron nitride nanosheets lamellae, Composites Science and Technology, 198 (2020) 108322.
[85] X. Chen, J.S.K. Lim, W. Yan, F. Guo, Y.N. Liang, H. Chen, A. Lambourne, X. Hu, Salt Template Assisted BN Scaffold Fabrication Towards Highly Thermal Conductive Epoxy Composites, ACS applied materials & interfaces, (2020).
[86] J. You, H.-H. Choi, Y.M. Lee, J. Cho, M. Park, S.-S. Lee, J.H. Park, Plasma-assisted mechanochemistry to produce polyamide/boron nitride nanocomposites with high thermal conductivities and mechanical properties, Composites Part B: Engineering, (2019).
[87] X. Wang, P. Wu, 3D Vertically Aligned BNNS Network with Long-Range Continuous Channels for Achieving a Highly Thermally Conductive Composite, ACS applied materials & interfaces, (2019).
[88] B. Liu, Y. Li, T. Fei, H. Shuai, C. Xia, Z. Shan, J. Jiang, Highly thermally conductive polystyrene/polypropylene/boron nitride composites with 3D segregated structure prepared by solution-mixing and hot-pressing method, Chemical Engineering Journal, 385 (2020) 123829.
[89] M. Li, M. Wang, X. Hou, Z. Zhan, H. Wang, H. Fu, C.T. Lin, L. Fu, N. Jiang, J. Yu, Highly thermal conductive and electrical insulating polymer composites with boron nitride, Composites Part B-engineering, 184 (2020) 107746.
[90] L. Xin, Y. Gao, Y. Shang, X. Zhu, Z. Jiang, Z. Chenyi, H. Jinxuan, H. Zhang, Non-covalent modification of boron nitride nanoparticle-reinforced PEEK composite: Thermally conductive, interfacial, and mechanical properties, Polymer, 203 (2020) 122763.
[91] G. Xiao, J. Di, H. Li, J. Wang, Highly thermally conductive, ductile biomimetic boron nitride/aramid nanofiber composite film, Composites Science and Technology, 189 (2020) 108021.
[92] A. Shi, Y. Li, W. Liu, J.Z. Xu, D. Yan, J. Lei, Z.M. Li, Highly thermally conductive and mechanically robust composite of linear ultrahigh molecular weight polyethylene and boron nitride via constructing nacre-like structure, Composites Science and Technology, (2019).
[93] Z. Wang, W. Liu, Y.-H. Liu, Y. Ren, L. Yanpu, L. Zhou, J.Z. Xu, J. Lei, Z.M. Li, Highly thermal conductive, anisotropically heat-transferred, mechanically flexible composite film by assembly of boron nitride nanosheets for thermal management, Composites Part B-engineering, 180 (2020) 107569.
[94] X. Jia, Q. Li, C. Ao, R. Hu, T. Xia, Z. Xue, Q. Wang, X. Deng, W. Zhang, C. Lu, High thermal conductive shape-stabilized phase change materials of polyethylene glycol/boron nitride@ chitosan composites for thermal energy storage, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 129 (2020) 105710.
[95] Q. Li, Z. Xue, J. Zhao, C. Ao, X. Jia, T. Xia, Q. Wang, X. Deng, W. Zhang, C. Lu, Mass production of high thermal conductive boron nitride/nanofibrillated cellulose composite membranes, Chemical Engineering Journal, 383 (2020) 123101.
[96] Y.J. Hwang, J.M. Kim, L.S. Kim, J.Y. Jang, M. Kim, S. Jeong, J.Y. Cho, G.-R. Yi, Y.S. Choi, G. Lee, Epoxy-based thermally conductive adhesives with effective alumina and boron nitride for superconducting magnet, Composites Science and Technology, 200 (2020) 108456.
[97] M.W. Akhtar, J.S. Kim, M.A. Memon, M.M. Baloch, Hybridization of hexagonal boron nitride nanosheets and multilayer graphene: Enhanced thermal properties of epoxy composites, Composites Science and Technology, 195 (2020) 108183.
[98] B. Hu, H. Guo, Q. Wang, W. Zhang, S. Song, X. Li, Y. Li, B. Li, Enhanced thermal conductivity by constructing 3D-networks in poly (vinylidene fluoride) composites via positively charged hexagonal boron nitride and silica coated carbon nanotubes, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 137 (2020) 106038.
[99] Z. Liu, J. Li, X. Liu, Novel functionalized BN nanosheets/epoxy composites with advanced thermal conductivity and mechanical properties, ACS applied materials & interfaces, 12 (2020) 6503-6515.
[100] Y. Ouyang, X. Li, F. Ding, L. Bai, F. Yuan, Simultaneously enhance thermal conductive property and mechanical properties of silicon rubber composites by introducing ultrafine Al2O3 nanospheres prepared via thermal plasma, Composites Science and Technology, 190 (2020) 108019.
[101] Y. Han, X. Shi, X. Yang, Y. Guo, J. Zhang, J. Kong, J. Gu, Enhanced thermal conductivities of epoxy nanocomposites via incorporating in-situ fabricated hetero-structured SiC-BNNS fillers, Composites Science and Technology, 187 (2020) 107944.
[102] B. Wu, R. Chen, R. Fu, S. Agathopoulos, X. Su, H. Liu, Low thermal expansion coefficient and high thermal conductivity epoxy/Al2O3/T-ZnOw composites with dual-scale interpenetrating network structure, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 137 (2020) 105993.
[103] C. Li, B. Liu, Z. Gao, H. Wang, M. Liu, S. Wang, C. Xiong, Electrically insulating ZnOs/ZnOw/silicone rubber nanocomposites with enhanced thermal conductivity and mechanical properties, Journal of Applied Polymer Science, 135 (2018) 46454.
[104] R. Yan, F. Su, L. Zhang, C. Li, Highly enhanced thermal conductivity of epoxy composites by constructing dense thermal conductive network with combination of alumina and carbon nanotubes, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 125 (2019) 105496.
[105] C. Xiao, L. Chen, Y. Tang, X. Zhang, K. Zheng, X. Tian, Three dimensional porous alumina network for polymer composites with enhanced thermal conductivity, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 124 (2019) 105511.
[106] Y. Yuan, Z. Li, L. Cao, B. Tang, S. Zhang, Modification of Si3N4 ceramic powders and fabrication of Si3N4/PTFE composite substrate with high thermal conductivity, Ceramics International, 45 (2019) 16569-16576.
[107] C. Guan, Y. Qin, L. Li, M. Wang, C.-T. Lin, X. He, K. Nishimura, J. Yu, J. Yi, N. Jiang, Highly thermally conductive polymer composites with barnacle-like nano-crystalline Diamond@ Silicon carbide hybrid architecture, Composites Part B: Engineering, 198 (2020) 108167.
[108] M.C. Vu, W.-K. Choi, S.G. Lee, P.J. Park, D.H. Kim, M.A. Islam, S.-R. Kim, High thermal conductivity enhancement of polymer composites with vertically aligned silicon carbide sheet scaffolds, ACS applied materials & interfaces, 12 (2020) 23388-23398.
[109] M.C. Vu, N.A.T. Thieu, W.K. Choi, M.A. Islam, S.-R. Kim, Ultralight covalently interconnected silicon carbide aerofoam for high performance thermally conductive epoxy composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 138 (2020) 106028.
[110] Z. Wei, W. Xie, B. Ge, Z. Zhang, W. Yang, H. Xia, B. Wang, H. Jin, N. Gao, Z. Shi, Enhanced thermal conductivity of epoxy composites by constructing aluminum nitride honeycomb reinforcements, Composites Science and Technology, 199 (2020) 108304.
[111] M. Liu, S.-W. Chiang, X. Chu, J. Li, L. Gan, Y. He, B. Li, F. Kang, H. Du, Polymer composites with enhanced thermal conductivity via oriented boron nitride and alumina hybrid fillers assisted by 3-D printing, Ceramics International, 46 (2020) 20810-20818.
[112] K. Zhang, P. Tao, Y. Zhang, X. Liao, S. Nie, Highly thermal conductivity of CNF/AlN hybrid films for thermal management of flexible energy storage devices, Carbohydrate Polymers, 213 (2019) 228-235.
[113] C. Ji, Y. Wang, Z. Ye, L. Tan, D. Mao, W. Zhao, X. Zeng, C. Yan, R. Sun, D.J. Kang, Ice-templated MXene/Ag–epoxy nanocomposites as high-performance thermal management materials, ACS Applied Materials & Interfaces, 12 (2020) 24298-24307.
[114] C. Yan, T. Yu, C. Ji, D.J. Kang, N. Wang, R. Sun, C.P. Wong, Tailoring Highly Thermal Conductive Properties of Te/MoS2/Ag Heterostructure Nanocomposites Using a Bottom‐Up Approach, Advanced Electronic Materials, 5 (2019) 1800548.
[115] T. Ha, D.-G. Kim, J.-W. Ka, Y.S. Kim, W.-G. Koh, H.S. Lim, Y. Yoo, Simultaneous effects of silver-decorated graphite nanoplatelets and anisotropic alignments on improving thermal conductivity of stretchable poly (vinyl alcohol) composite films, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 138 (2020) 106045.
[116] Y. Wang, W. Wu, D. Drummer, C. Liu, W. Shen, F. Tomiak, K. Schneider, X. Liu, Q. Chen, Highly thermally conductive polybenzoxazine composites based on boron nitride flakes deposited with copper particles, Materials & Design, 191 (2020) 108698.
[117] M.C. Vu, Q.-V. Bach, D.D. Nguyen, T.S. Tran, M. Goodarzi, 3D interconnected structure of poly (methyl methacrylate) microbeads coated with copper nanoparticles for highly thermal conductive epoxy composites, Composites Part B: Engineering, 175 (2019) 107105.
[118] Y. Wen, C. Chen, Y. Ye, Z. Xue, H. Liu, X. Zhou, Y. Zhang, D. Li, X. Xie, Y.-W. Mai, Advances on Thermally Conductive Epoxy‐Based Composites as Electronic Packaging Underfill Materials—A Review, Advanced Materials, 34 (2022).
[119] C. Xiao, Y. Tang, L. Chen, X. Zhang, K. Zheng, X. Tian, Preparation of highly thermally conductive epoxy resin composites via hollow boron nitride microbeads with segregated structure, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, (2019).
[120] R. Yan, F.-j. Su, L. Zhang, C. Li, Highly enhanced thermal conductivity of epoxy composites by constructing dense thermal conductive network with combination of alumina and carbon nanotubes, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, (2019).
[121] J. Liu, H. Feng, J. Dai, K. Yang, G. Chen, S. Wang, D. Jin, X. Liu, A Full-component recyclable Epoxy/BN thermal interface material with anisotropy high thermal conductivity and interface adaptability, Chemical Engineering Journal, (2023).
[122] M.-D. Li, X.-Q. Shen, X. Chen, J.-M. Gan, F. Wang, J. Li, X.-L. Wang, Q. Shen, Thermal management of chips by a device prototype using synergistic effects of 3-D heat-conductive network and electrocaloric refrigeration, Nature Communications, 13(2022).
[123] Q. Ma, X. Wang, Y. Chen, L. Chen, L. Zhang, X. Zhao, N. Bing, W. Yu, H. Xie, Poly(vinyl alcohol)-Based Nanofibers with Improved Thermal Conductivity and Efficient Photothermal Response for Wearable Thermal Management, ACS Applied Nano Materials, (2023).
[124] H.-B. Chen, Y. Ding, G. Zhu, Y. Liu, Q. Fang, X. Bai, Y. Zhao, X. Li, X. Huang, T. Zhang, B. Li, B. Sun, A new route to fabricate flexible, breathable composites with advanced thermal management capability for wearable electronics, npj Flexible Electronics, 7 (2023) 1-9.
[125] K. Ruan, Y. Guo, J. Gu, Liquid Crystalline Polyimide Films with High Intrinsic Thermal Conductivities and Robust Toughness, Macromolecules, 54 (2021) 4934-4944.
[126] H. Yu, C. Chen, J. Sun, H. Zhang, Y. Feng, M. Qin, W. Feng, Highly Thermally Conductive Polymer/Graphene Composites with Rapid Room-Temperature Self-Healing Capacity, Nano-Micro Letters, 14 (2022).
[127] ApplicationT, A.U. Agobi, H. Louis, T.O. Magu, P.M. Dass, A Review on Conducting Polymers-Based Composites for Energy Storage Application, Journal of Chemical Reviews, (2019).
[128] Q. Huang, X. Li, G. Zhang, J. Deng, C. Wang, Thermal management of Lithium-ion battery pack through the application of flexible form-stable composite phase change materials, Applied Thermal Engineering, (2021).
[129] H. Guo, H. Zhao, H. Niu, Y. Ren, H. Fang, X. Fang, R. Lv, M. Maqbool, S. Bai, Highly Thermally Conductive 3D Printed Graphene Filled Polymer Composites for Scalable Thermal Management Applications, ACS nano, (2021).
[130] G. Cheng, Z. Wang, X. Wang, Y. He, All-climate thermal management structure for batteries based on expanded graphite/polymer composite phase change material with a high thermal and electrical conductivity, Applied Energy, (2022).
[131] X. Yin, L. Wang, Y. Kim, N. Ding, J. Kong, D. Safanama, Y. Zheng, J. Xu, D.V.M. Repaka, K. Hippalgaonkar, S.W. Lee, S. Adams, G.W. Zheng, Thermal Conductive 2D Boron Nitride for High‐Performance All‐Solid‐State Lithium–Sulfur Batteries, Advanced Science, 7 (2020).
[132] J. Chen, Y. Zhou, X. Huang, C. Yu, D. Han, A. Wang, Y. Zhu, K. Shi, Q. Kang, P. Li, P. Jiang, X.H. Qian, H. Bao, S. Li, G. Wu, X. Zhu, Q. Wang, Ladderphane copolymers for high-temperature capacitive energy storage, Nature, 615 (2023) 62-66.
[133] F.S. Hwang, T. Confrey, C. Reidy, D. Picovici, D. Callaghan, D. Culliton, C. Nolan, Review of battery thermal management systems in electric vehicles, Renewable and Sustainable Energy Reviews, (2024).
[134] Y. Lin, Q. Kang, Y. Liu, Y. Zhu, P. Jiang, Y.-W. Mai, X. Huang, Flexible, Highly Thermally Conductive and Electrically Insulating Phase Change Materials for Advanced Thermal Management of 5G Base Stations and Thermoelectric Generators, Nano-Micro Letters, 15(2023).
[135] P. Li, X. Huang, Thermally conductive polymer composites for high voltage insulation, 22nd International Symposium on High Voltage Engineering (ISH 2021), 2021 (2021) 30-37.
[136] W. Aftab, M.S. Khurram, J. Shi, H. Tabassum, Z. Liang, A. Usman, W. Guo, X. Huang, W. Wu, R. Yao, Q. Yan, R. Zou, Highly efficient solar-thermal storage coating based on phosphorene encapsulated phase change materials, Energy Storage Materials, 32 (2020) 199-207.
[137] J. Gao, G. Han, J. Song, C. He, J. Hu, W.H. Wang, Y. Feng, C. Liu, Customizing 3D thermally conductive skeleton by 1D aramid Nanofiber/2D graphene for high-performance phase change composites with excellent solar-to-thermal conversion ability, Materials Today Physics, (2022).
[138] X. Huang, Y. Lin, G. Fang, Thermal properties of polyvinyl butyral/graphene composites as encapsulation materials for solar cells, Solar Energy, 161 (2018) 187-193.
[139] X. Zhang, X. Chao, L. Lou, J. Fan, Q. Chen, B. Li, L. Ye, D. Shou, Personal thermal management by thermally conductive composites: A review, Composites Communications, (2020) 100595.
[140] X. Huang, Z. Li, Y. Li, X. Wu, C. Liu, H. Xie, W. Yu, Thermally Conductive Boron Nitride Nanosheets on Electrospun Thermoplastic Polyurethane for Wearable Janus-Type Fabrics with Simultaneous Thermal and Moisture Management, ACS Applied Nano Materials, (2024).
[141] X. Yu, Y. Li, X. Wang, Y. Si, J. Yu, B. Ding, Thermoconductive, Moisture-Permeable, and Superhydrophobic Nanofibrous Membranes with Interpenetrated Boron Nitride Network for Personal Cooling Fabrics, ACS applied materials & interfaces, (2020).
[142] Y. Jing, Z. Zhao, X. Cao, Q. Sun, Y. Yuan, T. Li, Ultraflexible, cost-effective and scalable polymer-based phase change composites via chemical cross-linking for wearable thermal management, Nature Communications, 14(2023).
[143] Y.-G. Lv, Y.-G. Lv, Y. Wang, T. Meng, Q. Wang, W.-X. Chu, Review on Thermal Management Technologies for Electronics in Spacecraft Environment, Energy Storage and Saving, (2024).
[144] K.H. Ryu, M. Kang, J. Kim, N.-H. You, S.G. Jang, K.U. Jeong, S. Ahn, D.Y. Kim, Spacesuit Textiles from Extreme Fabric Materials: Aromatic Amide Polymer and Boron Nitride Nanotube Composite Fiber for Neutron Shielding and Thermal Management, Advanced Fiber Materials, (2024).
[145] A. Verma, A Perspective on the Potential Material Candidate for Railway Sector Applications: PVA Based Functionalized Graphene Reinforced Composite, Applied Science and Engineering Progress, (2022).
[146] C. Zhang, Y. Li, W. Kang, X. Liu, Q. Wang, Current advances and future perspectives of additive manufacturing for functional polymeric materials and devices, SusMat, 1 2021) 127 - 147).

Full-Text:



 

 

 

مروری بر نانوکامپوزیت‌های پلیمری با هدایت حرارتی بالا و کاربردهای آن

مجید میرزایی*، مجید رضایی آبادچی، علیمراد رشیدی

چكيده: در حال حاضر، انباشت و تخلیه سریع حرارت در تجهیزات الکترونیکی و بخش‌های مرتبط از عوامل اصلی محدودکننده کوچک‌سازی و افزایش توان این تجهیزات محسوب می‌شود. این موضوع به طور قابل توجهی عملکرد و طول عمر دستگاه‌های الکترونیکی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. بنابراین، بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری رسانای حرارتی (TCPCs)راه حل اصلی این مشکل است. بر خلاف تولید کامپوزیت‌های پلیمری با هدایت حرارتی ذاتی، پر کردن زمینه پلیمری با مواد پرکننده دارای هدایت حرارتی می‌تواند به طور موثرتری هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها را افزایش دهد. این مقاله با بررسی مکانیزم هدایت حرارتی آغاز می‌شود و به تشریح عواملی می‌پردازد که بر هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری اثرگذار هستند، از جمله نوع و ریخت شناسی پرکننده، نحوه توزیع و عامل‏دار کردن پرکننده‌ها. سپس به معرفی روش‌های مختلف تهیه کامپوزیت‌های پلیمری با پرکننده‌های متنوع پرداخته می‌شود. در نهایت، کاربردهای آن شرح داده شده و چالش‌ها و آینده  TCPCs بررسی می‌شود.  واژگان کلیدی: نانوکامپوزیت، پلیمر، هدایت حرارتی، پرکننده.

گروه پژوهشی مواد غیرفلزی، پژوهشگاه نیرو، تهران، ایران

[e-mail]

 

 

1- مقدمه

در سال‌های اخیر، سرعت بالای توسعه دستگاه‌های میکروالکترونیکی با ادغام زیاد و توان بالا، از جمله تراشه‌های نیمه‌هادیG 5 و مدارهای یکپارچه، باعث کاهش اندازه و افزایش توان محصولات شده است[1]. تجهیزات الکترونیکی در هنگام کار، حرارت قابل توجهی تولید می‌کنند که در نقاط خاصی تجمع می‌یابد و مشکل گرم شدن موضعی را ایجاد می‌کند. به همین دلیل، چالش مدیریت سریع حرارت و دفع آن به وضوح افزایش یافته و به طور جدی بر پایداری و عمر مفید محصولات الکترونیکی اثر می‌گذارد؛ این موضوع همچنین به یکی از چالش‌های اساسی کنونی تبدیل شده است. بررسی‌ها نشان داده است که عملکرد محصولات الکترونیکی تا 10 درصد با افزایش 2 درجه‌ای دما کاهش می‌یابد[2]. بنابراین، تولید مواد مدیریت حرارتی با ویژگی‌های برجسته ضروری است. مواد فصل مشترک حرارتی که غالباً از کامپوزیت‌های پلیمری ساخته شده‌اند، فضای میان دو سطح را پر کرده و سطح تماس مؤثر را افزایش می‌دهند. این مواد باعث بهبود قابل توجه انتقال حرارت در فصل مشترک‌ها می‌شوند، چرا که هدایت حرارتی هوا بین دو سطح بسیار پایین است. در نتیجه، این مواد نقش اساسی در دفع حرارت از دستگاه‌های الکترونیکی ایفا می‌کنند[3]. 

https://doi.org/10.71508/crn.2024.140402171206075

کامپوزیت‌های پلیمری به دلیل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند وزن پایین، مقاومت در برابر خوردگی، انعطاف‌پذیری عالی، فرآیندپذیری ساده و هزینه مقرون‌به‌صرفه، در حوزه‌های مختلف کاربرد گسترده‌ای یافته‌اند[4]. اما هدایت حرارتی ذاتی اغلب زیرلایه‌های پلیمری بسیار پایین است(W/m·K5/0- 1/0)، که این امر کاربرد وسیع آن‌ها را محدود می‌کند. در سال‌های اخیر، به دلیل مقاومت حرارتی بالای بین‌سطحی میان پرکننده‌ها و فصل مشترک بین پرکننده و ماتریس(زمینه) کامپوزیت‌های پلیمری و توزیع ناهمگن پرکننده‌ها در زمینه‌ها، پیشرفتی در هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری حاصل نشده است، حتی زمانی که میزان پرکننده بسیار بالا باشد[5, 6]. افزایش میزان پرکننده می‌تواند خواص مکانیکی کامپوزیت‌ها را کاهش دهد و باعث می‌شود که پژوهش‌ها در زمینه کامپوزیت‌های حرارتی با چالش‌های زیادی روبرو شود. هرچند که هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها به صورت نظری بهبود یافته است، اما نتایج عملی کماکان رضایت‌بخش نیست. روش‌های مختلفی برای تولید کامپوزیت‌های حرارتی وجود دارد، مانند رسوب بخار شیمیایی، عملیات پلاسما، اکستروژن فاز جامد، و غیره[7-11]. محققان بسیاری توجه بیشتری به مطالعه کامپوزیت‌های پلیمری با هدایت حرارتی مطلوب معطوف کرده‌اند و با استفاده از مواد و نسبت‌های مختلف یا معرفی روش‌های نوین، تلاش کرده‌اند هدایت حرارتی را افزایش دهند و مقاومت حرارتی تماس را کاهش دهند. این مقاله به بررسی سه شکل انتقال حرارت (هدایت حرارتی، تابش حرارتی و همرفت حرارتی) می‌پردازد و سه نظریه پذیرفته شده مکانیسم‌های هدایت حرارتی را تشریح می‌کند. همچنین عوامل مؤثر بر هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها نظیر نوع پرکننده، ریخت شناسی و توزیع آن‌ها مورد بحث قرار می‌گیرد. مقاله مروری حاضر مدل‌های نظری رایج هدایت حرارتی را معرفی کرده و تلاش می‌کند ویژگی‌های هر مدل را توضیح دهد تا با استفاده از این مدل‌ها شناخت بهتری از خواص حرارتی و فیزیکی کامپوزیت‌ها حاصل شود. به علاوه، به بررسی کاربرد مواد فصل مشترک حرارتی¹(TIMs) در تجهیزات الکترونیکی پرداخته خواهد شد و نهایتاً چالش‌ها و چشم‌اندازهای پیش روی کامپوزیت‌های پلیمری با هدایت حرارتی بالا تحلیل می‌شود.

2- مکانیزم‌های هدایت حرارتی

به طور کلی، انتقال حرارت به سه روش انجام می‌شود: هدایت، همرفت و تابش. هدایت حرارتی به انتقال انرژی در مواجهه با تفاوت دما در اجسام اشاره دارد. در همرفت حرارتی، حرارت از طریق یک محیط مایع منتقل می‌شود تا تعادل دمایی برقرار شود. در تابش حرارتی، جسم با حفظ دما، انرژی را به صورت امواج الکترومغناطیسی ساطع می‌کند. این مکانیزم‌ها در گازها، مایعات و جامدات متفاوت هستند. در جامدات، هدایت حرارتی روش اصلی انتقال حرارت است، در حالی که در مایعات و گازها، اغلب همراه با همرفت حرارتی اتفاق می‌افتد. همرفت حرارتی برای انتقال حرارت در مایعات و گازها منحصر به فرد است. تابش حرارتی از هدایت و همرفت متمایز است، چون نیازی به محیط برای انتقال ندارد و انرژی را به شکل تابش الکترومغناطیسی منتقل می‌کند[12-14]. طبیعت هدایت حرارتی بر پایه برخورد مولکول‌ها برای انتقال انرژی استوار است. در جامدات، اختلاف دما باعث انتقال انرژی جنبشی ذرات از نواحی گرم‌تر به سردتر می‌شود. در مواد هادی، الکترون‌های آزاد با حرکات نامنظم خود و ارتعاشات پایین شبکه‌ی بلوری، نقش کلیدی در هدایت حرارتی دارند. اما در عایق‌ها، ارتعاشات شبکه اتم‌ها و مولکول‌ها نقش اساسی را ایفا می‌کند. فونون‌ها، که کوانتوم انرژی ارتعاشات شبکه هستند، براساس نظریه بوز-اینشتین عمل می‌کنند و بدون جرم هستند[13].

پلیمرها معمولاً فاقد الکترون‌های آزاد هستند و هدایت حرارتی آن‌ها بیشتر به حرکت فونون‌ها وابسته است. ویژگی‌های زنجیره‌ای مولکولی پیچیده و جرم مولکولی بالای پلیمرها، مشکلاتی را در بلوری شدن کامل ایجاد می‌کند که این امر باعث پراکندگی فونون‌ها و اختلال در انتقال حرارتی می‌شود. بنابراین، اکثر کامپوزیت‌های پلیمری دارای هدایت حرارتی پایینی هستند[15, 16]. در حال حاضر، دو روش اصلی برای تولید کامپوزیت‌های پلیمری رسانای حرارتی(TCPCs²‌) با کیفیت بالا شامل سنتز پلیمرهای با هدایت حرارتی ذاتی و استفاده از پلیمرهای حرارتی پر شده می‌باشد. پلیمرهای با هدایت حرارتی ذاتی از طریق اصلاح ساختار زنجیره‌های مولکولی به دستیابی به ساختار مرتب‌تری هدایت می‌شوند که موجب افزایش هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها می‌شود. پلیمرهای حرارتی پر شده با افزودن پرکننده‌های غیرآلی یا فلزی با هدایت حرارتی بالا به زمینه‌های پلیمری تولید می‌شوند. این روش، برخلاف فرآیند پیچیده و هزینه‌بر سنتز پلیمرهای با هدایت حرارتی ذاتی، دارای بهره‌وری بالا، هزینه کمتر و مناسب بودن برای تولید صنعتی است و به عنوان جهت‌گیری اصلی در توسعه‏TCPC ‌ها شناخته می‌شود. افزودن پرکننده‌ها به زمینه‌های پلیمری به‌طور مؤثری هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها را افزایش می‌دهد، اما مکانیزم هدایت بسیار پیچیده‌ای دارد که به نوع و ساختار پرکننده‌ها، توزیع و محتوای آن‌ها، مقاومت حرارتی فصل مشترک و هدایت حرارتی ذاتی پرکننده‌ها وابسته است. در حال حاضر، نظریه‌های مختلفی برای توضیح این مکانیزم وجود دارد: نظریه مسیر حرارتی، نظریه نفوذ و نظریه‌های ضریب ترمو الاستیک. نظریه مسیر حرارتی معتقد است که پرکننده‌ها با اضافه شدن به زمینه‌های پلیمری شبکه‌هایی بوجود می‌آورند که در آن‌ها حرارت منتقل می‌شود. نظریه نفوذ بیان می‌کند که با مقدار کم پرکننده‌ها، ساختار "دریا-جزیره" شکل می‌گیرد و هدایت حرارتی به آرامی افزایش می‌یابد، اما با رسیدن به آستانه نفوذ، ساختار "دریا-دریا" تشکیل شده و هدایت حرارتی به طرز چشم‏گیری افزایش می‌یابد. نظریه ضریب ترموالاستیک به مکانیک الاستیک کلاسیک مربوط است و هدایت حرارتی را به عنوان ضریب الاستیک حرارت فونون‌ها در نظر می‌گیرد که بیانگر عملکرد کلی کامپوزیت‌ها بدون وابستگی به مسیر انتقال خاصی است. بنابراین، کارایی انتقال حرارت با بهبود ضریب الاستیک حرارتی کامپوزیت‌ها افزایش می‌یابد. این نظریه‌ها پایه‌ای برای درک و مدیریت پیشرفته‌تر انتقال حرارت در کامپوزیت‌های پلیمری ارائه می‌دهند[17-19].

در نانوکامپوزیت‌های پلیمری با هدایت حرارتی بالا، مکانیزم‌های مختلف هدایت حرارتی(مانند هدایت از طریق زمینه پلیمری، نانوذرات پرکننده و فصل مشترک بین آن‌ها) نه‌تنها به صورت مجزا عمل می‌کنند، بلکه به‌شدت بر یکدیگر تأثیر متقابل دارند. این تأثیرات متقابل می‌توانند به بهبود یا تضعیف هدایت حرارتی منجر شوند. در ادامه به مهم‌ترین این اثرات متقابل اشاره می‌شود[20, 21]:

Ø       اثر متقابل بین زمینه پلیمری و نانوذرات رسانا

·       افزایش مسیرهای هدایت حرارتی: افزودن نانوذرات با هدایت حرارتی بالا(مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی، بورون نیترید) می‌تواند مسیرهای رسانای حرارتی درون زمینه ایجاد کند.

·       پراکندگی فونون‌ها: در عین حال، اگر پیوند بین زمینه و نانوذرات ضعیف باشد، پراکندگی فونون‌ها در فصل مشترک افزایش یافته و انتقال حرارت کاهش می‌یابد.

Ø       اثر مقاومت حرارتی فصل مشترک (ITR³)

·       فصل‌های مشترک بین فاز پلیمری و نانوذرات دارای مقاومت حرارتی هستند.

·        ITR زیاد منجر به گسست در مسیر هدایت حرارتی و کاهش کارایی نانوذرات می‌شود.

·       در صورت اصلاح سطح نانوذرات یا ایجاد پیوندهای شیمیایی قوی‌تر با پلیمر، می‌توان ITR را کاهش داد و اثر هم‌افزایی مثبت داشت.

Ø       اثر هم‌ترازی و آرایش نانوذرات ⁴

·       هم‌ترازی نانوذرات(به‌ویژه در نانولوله‌های کربنی یا ورق‌های گرافنی) می‌تواند هدایت حرارتی در جهت خاصی را تقویت کند.

·       تشکیل شبکه‌های پرکولاسیون حرارتی⁵ باعث تقویت قابل توجه هدایت حرارتی کل نانوکامپوزیت می‌شود.

·       انباشتگی بیش‌ازحد نانوذرات ممکن است باعث ایجاد نقص ساختاری و کاهش هدایت حرارتی شود.

Ø       اثر توزیع و اندازه نانوذرات

·       توزیع یکنواخت نانوذرات منجر به افزایش احتمال اتصال حرارتی مؤثر بین آن‌ها و ایجاد شبکه‌های رسانا می‌شود.

·       نانوذرات بسیار کوچک می‌توانند به دلیل نسبت سطح به حجم بالا،  ITRبیشتری داشته باشند که این می‌تواند اثر مثبت حضور آن‌ها را خنثی کند.

Ø       اثر نوع زمینه پلیمری

·       زمینه‌های پلیمری بی شکل(آمورف) معمولاً هدایت حرارتی پایینی دارند، در حالی که پلیمرهای نیمه‌بلورین هدایت حرارتی بیشتری نشان می‌دهند.

·       ساختار زنجیره‌ای، تراکم بسته‌بندی و میزان بلورینگی پلیمر نیز بر تعامل با نانوذرات و انتقال حرارت مؤثرند.

3- عوامل مؤثر بر هدایت حرارتی ‏TCPCها

 هدایت حرارتی زمینه‌های پلیمری به طور کلی ضعیف بوده و معمولاً بین 1/0 تا 5/0 وات بر متر کلوین است، در حالی که پرکننده‌های حرارتی دارای هدایت حرارتی بسیار بالاتری می‌باشند. به همین دلیل، عمده هدایت حرارتی کامپوزیت‌های TCPC توسط پرکننده‌های حرارتی تأمین می‌شود. براساس نظریه مسیر حرارتی، پرکننده‌ها درون زمینه‌های پلیمری مسیرهای پیوسته‌ای را ایجاد می‌کنند تا باعث افزایش هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها شوند. با این حال، عوامل متعددی بر هدایت حرارتی‏TCPC ها تأثیر می‌گذارند که از جمله می‌توان به نوع پرکننده، شکل و ترکیب پرکننده، نحوه توزیع آنها در زمینه و قدرت ارتباط بین پرکننده‌ها و زمینه اشاره کرد.

3-1- نوع پرکننده

 پرکننده‌های حرارتی معمولاً به چهار دسته تقسیم می‌شوند: پرکننده‌های کربنی، پرکننده‌های غیرآلی، پرکننده‌های فلزی و پرکننده‌های ترکیبی. پرکننده‌های مبتنی بر کربن شامل گرافیت، الماس، نانولوله‌های کربنی(CNTs)، گرافن و الیاف کربنی (CFs) هستند. پرکننده‌های غیرآلی شامل نیترید بور(BN)، نانوصفحه های نیترید بور(BNNSs)، نیترید آلومینیوم(AlN)، نیترید سیلیکون(SiN)، کاربید سیلیکون(SiC)، آلومینا  (Al2O3)و موارد مشابه می‌باشند. پرکننده‌های فلزی شامل نقره(Ag)، مس (Cu)و آلومینیوم (Al)هستند. پرکننده‌های ترکیبی به پرکننده‌هایی اطلاق می‌شوند که دارای عملکرد خاصی هستند مانند گرافن فلورینه یا نانولوله‌های کربنی فلورینه. پرکننده‌های کربنی، فلزی و برخی غیرآلی‌ها که قابلیت هدایت حرارتی دارند، برای تهیه کامپوزیت‌هایی با هدایت حرارتی بالا و عملکرد مناسب در محافظت الکترومغناطیسی، بسیار مفیداند. این مواد در کاربردهای TMM⁶ قابلیت استفاده زیادی دارند. از سوی دیگر، پرکننده‌های غیرآلی عایق و ترکیبی که خاصیت عایق دارند، به طور گسترده‌ای در تولید کامپوزیت‌های حرارتی عایق کاربرد دارند که در زمینه میکروالکترونیک بسیار سودمندند. جدول 1 هدایت حرارتی معمولی پرکننده‌های غیرآلی و زمینه‌های پلیمری را در دمای اتاق نشان می‌دهد.

جدول 1. هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری و پرکننده‌های معمولی در دمای اتاق

 

زمینه پلیمری	λ (W/m.ok)	مرجع	پرکننده رسانای حرارتی	λ (W/m.ok)	مرجع
اپوکسی	22/0	[22]	گرافیت	1500	[23]
پلی دی متیل سیلوکسان	27/0	[4]	گرافن	5300	[24]
اتیلن وینیل استات کوپلیمر	30/0	[2]	اکسید گرافن	1000	[25]
پلی پروپیلن	21/0	[26]	نانولوله کربنی	3500	[27]
پلی متیل متا اکریلات	22/0	[28]	فیبرهای کربنی	550	[4]
سیلیکون رابر	21/0	[29]	کربن نیترید هگزاگونال	600	[30]
پلی استایرن	19/0	[31]	کربن نیترید نانوصفحه	1600-2000	[32]
پلی اتر اتر کتون	25/0	[33]	اکسید آلومینیوم	36	[34]
پلی وینیل الکل	22/0	[35]	نقره	430	[36]
پلی آمید-ایمید	21/0	[37]	مس	350-400	[38]
پلی ایمید	27/0	[39]	آلومینیوم	234	[40]
پلی وینیلیدین فلوراید	20/0	[41]	-	-
پلی آمید	20/0	[42]	-	-
پلی لاکتیک اسید	278/0	[43]	-	-

3-2- ریخت شناسی و توزیع پرکننده

شکل پرکننده‌های حرارتی تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر هدایت حرارتی‏TCPC ها دارد(شکل 1). بر اساس ابعاد، پرکننده‌ها به چهار نوع تقسیم می‌شوند: صفر‏بعدی، یک‏بعدی، دو‏بعدی و سه‏بعدی. پرکننده‌های صفر‏بعدی به شکل ذرات نقطه‌ای هستند که شامل ساختارهای کروی یا خوشه‌ای مانند نانوصفحات نیترید بور و میکروصفحات پلی‌استایرن می‌شوند. پرکننده‌های یک‏بعدی ساختارهای نواری دارند که شامل لوله‌ها یا میله‌ها از جمله CNTها، CFها و سیم‌های نانو نقره می‌باشند. در ادامه، پرکننده‌های دو‏بعدی ساختارهای ورقه‌ای یا لایه‌ای دارند که شاملBN ، گرافن وSiC  هستند. در نهایت، پرکننده‌های سه‏بعدی ساختارهای شبکه سه‌بعدی ایجاد می‌کنند که می‌توانند مقاومت حرارتی بین زمینه-پرکننده یا پرکننده-پرکننده را کاهش دهند. به طور کل، اثر پرکنندگی پرکننده‌های ورقه‌ای از پرکننده‌های کروی یا لوله‌ای مؤثرتر است، زیرا سطح تماس ساختار ورقه‌ای بزرگ‌تر بوده و تشکیل شبکه‌های حرارتی و کاهش مقاومت حرارتی تماس آسان‌تر صورت می‌گیرد. اندازه پرکننده‌ها برای بهبود هدایت حرارتی بسیار مهم است. اندازه کوچک‌تر پرکننده‌ها باعث افزایش سطح‌های فصل مشترک و پراکندگی بیشتر فونون‌ها در هنگام انتقال حرارت می‌شود. پرکننده‌های بزرگ‌تر به آسانی شبکه‌های نفوذی تشکیل می‌دهند که موجب کاهش مقاومت حرارتی می‌شود. همچنین، سطوح بزرگ‌تر پرکننده‌ها ممکن است گرانروی را به شدت افزایش داده و باعث مشکلات پراکندگی شوند. علاوه بر این، ظرفیت هدایت حرارتی به تشکیل شبکه حرارتی وابسته است[44].

به دلیل تفاوت‌های ساختاری در مواد پرکننده، بسیاری از آن‌ها دارای ویژگی‌های جهت‌گیری متفاوت هستند، مانند گرافن، نیترید بور، نانولوله‌های کربنی و الیاف کربن. هدایت حرارتی این مواد در جهت‌های خاصی بیشتر و در سایر جهت‌ها کمتر است. بنابراین، نحوه قرارگیری و جهت‌گیری این پرکننده‌ها می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری داشته باشد، همان‌طور که در شکل 2 دیده می‌شود، چگونگی توزیع این پرکننده‌ها در زمینه‌های پلیمری تعیین‌کننده جهت‌گیری آن‌ها خواهد بود. در بخش عملکردی‌سازی، قدرت ارتباط بین پرکننده‌ها

 

شکل 1. شبکه‌های حرارتی  پرکننده‌ها(الف) صفر بعدی، (ب) یک بعدی، (ج) دوبعدی و (د) سه بعدی[45].

 

شکل 2. پراکندگی (الف) صفر بعدی، (ب) یک بعدی و (ج) دو بعدی پرکننده‌ها در زمینه‌ها[46].

و زمینه‌های پلیمری یکی از جنبه‌های اساسی است که بر هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها تأثیرگذار است. چرا که هدایت ضعیف حرارتی در محیط فصل مشترک ممکن است باعث اتلاف حرارت شود و این ضعف اصلی در فرایند انتقال حرارت محسوب می‌شود. تحقیقات نشان داده‌اند که پیوندهای بین پرکننده‌ها و زمینه‌ها غالباً از طریق نیروهای وان‌دروالس شکل می‌گیرند، که معمولاً ضعیف هستند. این ضعف منجر به افزایش مقاومت حرارتی میان سطوح می‌شود. در مواردی که این پیوندها به صورت هیدروژنی یا کووالانسی باشند، تمایل بیشتری به ایجاد تعامل قوی‌تر وجود دارد. این نوع پیوندها باعث بهتر شدن انتقال حرارت و بهبود کارایی کامپوزیت‌ها می‌شوند. بنابراین، با اجرای عملیات سطحی عامل‏دار کردن روی پرکننده‌ها یا زمینه‌ها، می‌توان پیوندهای قوی‌تری ایجاد کرد که موجب کاهش موثر مقاومت حرارتی و افزایش هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری خواهند شد.

به دلیل تفاوت‌های موجود در ریخت شناسی پرکننده‌ها، بسیاری از پرکننده‌های حرارتی مانند گرافن، نیترید بور، نانولوله‌های کربنی و الیاف کربن از آنیزوتروپی برخوردارند. هدایت حرارتی این پرکننده‌ها در جهتی که هم‌تراز شده‌اند، بیشتر است و در جهت دیگر کمتر می‌باشد. بنابراین، تنظیم جهت‌گیری این پرکننده‌ها تأثیر زیادی بر هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری دارد.

4- تقویت‏کننده‏های کامپوزیت پلیمری

4-1- تقویت کننده‏های کربنی

پرکننده‌های مبتنی بر کربن/کامپوزیت‌های پلیمری پرکننده‌های کربنی به دلیل داشتن هدایت حرارتی بالا بسیار مورد توجه هستند. در حال حاضر، پرکننده‌ها شامل گرافیت، نانولوله‌های کربنی ، الیاف کربن  و مشتقات مختلف گرافیت نظیر گرافن، اکسید گرافن (GO) و اکسید گرافن کاهش یافته (rGO)می‌باشند[47].

4-1-1- گرافیت و مشتقات آن

کامپوزیت‌های پلیمری گرافیت به عنوان یک ساختار بلوری لایه‌ای که از حلقه‌های شش‌ضلعی کربن تشکیل شده است، می‌تواند هدایت حرارتی درون صفحه‌ای به میزان W/m·K 1500 داشته باشد. گرافن، که از لایه‌برداری گرافیت به دست می‌آید، دارای ویژگی‌های بی‌نظیری مانند هدایت حرارتی حدود  W/m·K 5000 است و به عنوان یک ماده انقلابی شناخته می‌شود[48]. اکسید گرافن دارای گروهای عاملی اکسیژنی بوده و با واکنش‌های مختلف شیمیایی می‌تواند تقویت شود. از طریق حذف این گروه‌ها،  rGO به دست می‌آید. همچنین، با عامل‏دار کردن گرافیت یا گرافن مشتقاتی مانند گرافیت فلورینه و گرافن فلورینه تولید می‌شوند که هدایت الکتریکی و حرارتی بالایی همراه با ویژگی‌های عایق بودن دارند. ژانگ و همکاران کامپوزیت‌های تقویت‌شده با گرافن و نانو الماس (NDs)را با موفقیت سنتز کرده‌اند که پس از زینترسازی به ورق‌های نانوگرافیتی تبدیل می‌شوند و دارای هدایت حرارتی و الکتریکی عالی هستند. گروه گو نیز با استفاده از روش الگو موفق به تهیه نانوکامپوزیت‌هایی شامل فوم گرافنی شدند که دارای هدایت حرارتی و الکتریکی برجسته‌ای بودند. یکی دیگر از مطالعات نشان داده که لایه‌برداری گرافیت فلورینه به دست‌آوردن گرافن فلورینه‌ای منجر شده که در قالب فیلم‌های کامپوزیتی با پلی‌وینیل الکل (PVA)تهیه شده است و از خصوصیات حرارتی و عایق الکتریکی برخوردار است. جدول 2 نیز جزئیات هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری مبتنی بر گرافیت و مشتقات آن را ارائه 

می‌کند. ژانگ و همکاران موفق به سنتز کامپوزیت‌هایی شدند که با گرافن و نانو الماس گرافیت‌شده تقویت شده‌اند؛ در این فرآیند، نانو الماس به‌عنوان پیش‌ماده زمینه و گرافن به‌عنوان تقویت‌کننده مورد استفاده قرار گرفت[49]. پس از فرایند سینتر، نانو الماس‌ها به ورقه‌های نانوگرافیتی تبدیل شدند که نتایج حاصل در شکل 3 نمایش داده شده‌اند. کامپوزیت‌های حاصل دارای هدایت حرارتی و الکتریکی بسیار خوبی بودند. گروه گو با روش الگو موفق به تهیه نانوکامپوزیت‌های فوم گرافن سه‌بعدی/اکسید گرافن کاهش‌یافته/اپوکسی شدند. چارچوب گرافن سه‌بعدی با اکسیژن کاهش‌یافته به روش خشک‌کردن انجمادی ایجاد شد تا شبکه های

جدول 2. هدایت حرارتی گرافیت و مشتقات آن/کامپوزیت‌های پلیمری.

زمینه	ترکیب پر کننده و مقدار آن	λ (W/m.ok)	مرجع
اپوکسی	10% وزنی گرافیت لایه لایه شده	8/3	[52]
پلی ایمید	3 % وزنی نقره+12% وزنی اکسیدگرافن احیا شده	12/2	[53]
اپوکسی	20% وزنی نانولوله کربنی/ سولفید مولیبدن/ گرافن	6/4	[54]
پلی‌آمید-ایمید	25/4 % وزنی فلورید کربن/ اکسید گرافن احیا شده	53/0	[37]
اپوکسی	9% وزنی اکسید گرافن احیا شده/ اکسید آهن	21/1	[22]
پلی ایمید	10% وزنی نانولوله کربنی چند جداره+ اکسید گرافن احیا شده	6/1	[39]
پلی پروپیلن	45% وزنی گرافیت فلیک+5 % وزنی گرافیت کروی	86/2	[55]
پلی پروپیلن	27% حجمی گرافن	93/10	[26]
پلی ونیل الکل	30% وزنی گرافیت عامل‏دار	3/21	[56]
پلی وینیلیدین دی‌فلوراید	10 % وزنی اکسیدآهن@ گرافیت	306/2	[57]
پلی متیل متاکریلات	5 % حجمی نانو ذرات گرافن	92/0	[58]
اکتا دکانول	9 درصد وزنی کاربید سیلیسیم/گرافیت	674/1	[59]
اپوکسی	47% وزنی پلی لین- صفحات گرافیت	19/24	[60]
اپوکسی	30% وزنی اکسید گرافن احیا شده- کاربید سیلیسیم	02/1	[61]
نانو فیبری سلولز	20% وزنی اکسید منیزیم- اکسید گرافن احیا شده	45/7	[62]
پلی ایمید	1 درصد وزنی اکسید گرافن/ 20% وزنی نیترید بور	23/11	[63]

 

شکل 3. (الف) تصویر شماتیک از فرآیند تهیه توده‌های کامپوزیت گرافیتی، (ب) نفوذ حرارتی و (ج) هدایت الکتریکی نمونه‌های سینتر شده با محتوای مختلف گرافن(Gr)[49].

هادی الکتریکی و حرارتی درون زمینه‌های اپوکسی شکل گیرند(شکل 4الف). کامپوزیت‌های با ترکیب 4/20 % وزنی گرافن نانوصفحه‌ای و  1/0 % وزنی اکسید گرافن کاهش‌یافته هدایت حرارتی قابل توجه 56/1 وات بر متر کلوین و هدایت الکتریکی تا 2/179 زیمنس بر متر داشتند. همچنین مقدار حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی آنها برابر با 51 دسی‌بل در محدوده نوار ایکس است(شکل 4ب تا 4ه )[50]. وو و همکاران با لایه‌برداری از گرافیت فلورینه شده، گرافن فلورینه را تولید کردند و با فرایند فیلتراسیون تحت خلأ از پراکندگی همگن گرافن فلورینه/پلی‌وینیل الکل، فیلم‌های کامپوزیت انعطاف‌پذیر و مستقل را تهیه نمودند، که نتایج آن را در شکل 5الف قابل مشاهده است. این فیلم دارای ساختار منظم و هماهنگ بود و هدایت حرارتی بسیار عالی 3/61 وات بر متر کلوین و خواص عایق الکتریکی برتر با محتوای 93% وزنی از گرافن فلورینه داشت(شکل‌های 5 ب و 5 ج)[51]. مکانیزم هدایت حرارتی این فیلم‌ها نیز در شکل 5د نمایش داده شده است. همچنین جدول 2، هدایت حرارتی گرافیت و مشتقات آن را در کامپوزیت‌های پلیمری نشان می‌دهد.

2-1-4- نانولوله‌های کربنی/کامپوزیت‌های پلیمری

نانولوله‌های کربنی به عنوان نانوپرکننده‌های یک‌بعدی با ساختار شش‌ضلعی کامل شناخته می‌شوند. این نانولوله‌ها دارای ابعاد

 

شکل 4. (الف) شمایی از ساخت نانوصفحه‌های گرافن سه‌بعدی(GNPs)/ اکسید گرافن کاهش‌یافته(rGO)/اپوکسی (EP)و نانوکامپوزیت‌هایGNPs/EP، (ب، ج) تأثیر محتوای GNP بر هدایت حرارتی و الکتریکی، (د) حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی (EMI SE) نانوکامپوزیت‌های rGO/EP و 3D GNPs/rGO/EP در نوار X (ه) شمایی از انتقال موج الکترومغناطیسی از طریق نانوکامپوزیت‌های3D GNPs/rGO/EP [50].

 

شکل 5. (الف) شمایی از لایه‌برداری گرافیت فلورینه (F)و فرآیند تهیه فیلم‌های کامپوزیت F-گرافن، (ب) هدایت حرارتی، (ج) مقاومت حجمی فیلم‌های کامپوزیت F گرافن، (د) مکانیزم هدایت حرارتی فیلم‌های کامپوزیت F-گرافن[51].

شعاعی در سطح نانومتر و ابعاد محوری در سطح میکرومتر هستند و به دو نوع تک‌جداره و چندجداره تقسیم می‌شوند. این نانولوله‌ها به ترتیب دارای هدایت حرارتی 2000 و 3000 وات بر متر-کلوین هستند و به عنوان پرکننده‌های حرارتی محبوب شناخته می‌شوند(شکل 6). وانگ و همکاران، ذرات هسته-پوسته باریوم تیتانات در کنار نانولوله‌های کربنی چندجداره را در یک محیط واکنشی بسته تهیه کردند. سپس، با ترکیب محلولی فیلم‌های انعطاف‌پذیر کامپوزیت با خواص عالی حرارتی و دی‌الکتریک تولید شد. این فیلم‌ها هدایت حرارتی مطلوب 43/25 وات بر متر-کلوین و خواص دی‌الکتریک برتر را به نمایش می‌گذارند[64]. شی و همکاران با استفاده از عملیات سطحی عامل‏دار شدن نانوکامپوزیت‌های MWCNT@BNNS/اپوکسی را ایجاد کرده، شبکه‌ای سه‌بعدی جهت هدایت حرارتی شکل دادند. در این کامپوزیت‌ها، بالاترین هدایت حرارتی به 92/1 وات بر متر-کلوین می‌رسد و خواص دی‌الکتریک عالی را ارائه می‌دهد[65](شکل 7). با توجه به هدایت الکتریکی عالی‏CNTها، کاربرد آن‌ها در زمینه عایق محدود است. برای ترکیب هدایت الکتریکی و حرارتی، وانگ و همکاران از نانولوله‌های کربنی فلورینه (FCNTs)با خواص عایق به عنوان پرکننده‌های حرارتی استفاده کرد و فیلم‌های کامپوزیتی نانو فیبر سلولزی را از طریق فیلتراسیون تحت خلأ تهیه کردند[66]. این فیلم کامپوزیتی ساختاری لایه‌ای دارد و با هدایت حرارتی برجسته 1/14وات بر متر-کلوین و خواص عایق الکتریکی مطلوب با 21% وزنی FCNTs ارائه شده است(شکل 8). جدول 3 هدایت حرارتی نانولوله‌های کربنی در کامپوزیت‌های پلیمری را نشان می‌دهد.

4-1-3- الیاف کربن/کامپوزیت‌های پلیمری

الیاف کربن به عنوان یک نانوپرکننده یک‌بعدی با استحکام و مدول بالا شناخته می‌شود که بیش از ۹۰ درصد آن را کربن تشکیل داده است. این الیاف دارای مقاومت عالی در برابر دماهای بالا، سایش

 

شکل 6. (الف) نمودار شماتیک تهیه نانوذرات هسته-پوسته باریوم تیتانات@نانولوله‌های کربنی چندجداره فوق‌کوتاه(BT@SSCNT)، (ب) خواص دی‌الکتریک و (ج) هدایت حرارتی فیلم‌های کامپوزیتBT@SSCNT/PVDF[64]. 

شکل 7. (الف) فرآیند و اصل تهیه رزین اپوکسی با هدایت حرارتی بالا، (ب) هدایت الکتریکی متناوب (AC) نانوکامپوزیت‌های اپوکسی، (ج) هدایت حرارتی اپوکسی خالص و نانوکامپوزیت‌های آن با پرکننده‌های نانو مختلف[65].

و هدایت الکتریکی و حرارتی هستند. هدف اصلی استفاده از الیاف کربن، ترکیب آن با رزین‌ها، فلزات و سرامیک‌ها برای تولید کامپوزیت‌های پیشرفته به عنوان ماده تقویتی است. هدایت حرارتی این الیاف می‌تواند به ۱۰۰ وات بر متر.کلوین برسد و در تهیه کامپوزیت‌های حرارتی نقش گسترده‌ای دارد. هه و همکاران

 

شکل 8. (الف) تصویر شماتیک از فرآیند تهیه فیلم‌های کامپوزیت نانو فیبری سلولز/نانولوله‌های کربنی فلورینه(NFC/FCNT)، (ب) ریخت شناسی مقطع عرضی NFC/(35 wt.%) FCNT. (ج) هدایت حرارتیNFC/FCNT، (د) مقاومت الکتریکی حجمی فیلم‌های کامپوزیت NFC/FCNT وNFC/CNT [66].

جدول 3. هدایت حرارتی کامپوزیت‌های نانولوله کربنی/پلیمری

زمینه	ترکیب پر کننده و مقدار آن	(W/m.ok)λ	مرجع
پلی (3- هکسیتیوفن-2و5 دیول)	24% وزنی نانولوله های کربنی چند جداره	7/4	[67]
پلی آمید	1 % وزنی نانولوله کربنی	9/16	[68]
پلی وینلیدین فلوراید	10% وزنی نانولوله کربنی چندجداره	55/1	[69]
اپوکسی	20% وزنی نانولوله کربنی/سولفید مولیبدن/گرافن	6/4	[54]
پلی ایمید	10% وزنی نانولوله کربنی چند جداره- اکسید گرافن احیا شده	6/1	[39]
پلی وینیل فرمالدهید	4 % وزنی نانولوله کربنی چند جداره	65	[70]
اتیل وینیل استات	70% وزنی نانولوله کربنی/ پلی دوپامین	9/17	[71]

کامپوزیت‌های پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان(PDMS) با الیاف کوتاه کربن را از طریق روش مونتاژ شبکه اجباری محدود فضایی تولید کردند و این کامپوزیت‌ها با ۱۸ درصد وزنی الیاف کربن و ضخامت 0/1میلی‌متر، هدایت حرارتی بهینه 952/2 وات بر مترکلوین و خواص الکتریکی برجسته‌ای نشان دادند(شکل 9)[72]. ژانگ و همکاران روشی را برای تبدیل شبکه‌های هادی "شبیه شن" به "شبیه سنگ" پیشنهاد دادند تا کامپوزیت‌های PDMS/SCF/حباب‌های شیشه‌ای (GB)را با استفاده از SCFNA و افزودن حباب‌های شیشه‌ای به‌دست آورند، که در شکل 10الف نمایش داده شده است[73]. استفاده از ذرات سخت منجر به کاهش اتلاف حرارت و عملکرد بهتر حذف حجم شد. نتایج نشان می‌دهد حداکثر هدایت حرارتی PDMS/SCF/GB به 69/11 وات بر متر کلوین می‌رسد که ترکیبی از 30 درصد وزنیSCF  و 2 درصد وزنی GB می‌باشد، در حالی که از نظر مکانیکی نیز عملکرد بهتری دارد(شکل 10ب و ج). اتلاف حرارت شبکه‌های حرارتی "شبیه سنگ" (Qstone) به مراتب کمتر از شبکه‌های حرارتی "شبیه شن" (Qsand) بود(شکل 10د). وانگ و همکاران با استفاده از روشی ساده، کامپوزیت‌های اپوکسی/CF/ Al2O3  را تهیه کردند؛ در این روش رزین اپوکسی به چارچوب CF/Al2O3  که با هم‌زدن آماده شده بود نفوذ می کند. این چارچوب باعث کاهش مؤثر مقاومت حرارتی بین زمینه‌ها و CF شده است(شکل 11الف)[74]. هدایت حرارتی اپوکسی/CF/ Al2O3 به 84/3 وات بر متر کلوین با 4/6 درصد وزنی CF و 74

 

شکل 9. (الف) طرح مسیر فناوری روش مونتاژ شبکه اجباری محدود فضایی (SCFNA) و ترکیب متداول. (ب) هدایت حرارتی کامپوزیت‌هایPDMS/الیاف کربن کوتاه (SCF)با ضخامت‌های مختلف. (ج) هدایت حرارتی و (د) هدایت الکتریکی کامپوزیت‌های PDMS/SCF[72].

 

شکل 10. (الف) نمودار شماتیک روش SCFNA برای تهیه کامپوزیت‌هایPDMS /SCF/حباب‌های شیشه‌ای(GB). (ب) هدایت حرارتی و (ج) کشش در نقطه شکست کامپوزیت‌های PDMS/SCF/ GBدر ضخامت‌های مختلف نمونه. (د) تبدیل شبکه حرارتی از "شبیه شن" به "شبیه سنگ" [73].

 

شکل 11. (الف) شمایی از تهیه کامپوزیت‌های اپوکسی/الیاف کربن(CF)/Al2O3. (ب) هدایت حرارتی و (ج) افزایش هدایت حرارتی (TCE)اپوکسی خالص، اپوکسی/CF و کامپوزیت‌های اپوکسی/CF/Al2O3 [74].

درصد وزنی Al2O3  می‌رسد(شکل 11ب و ج). جدول 4 هدایت حرارتی کامپوزیت‌های الیاف کربن/پلیمری را به تصویر می‌کشد.

4-2- پرکننده‌های غیرآلی/کامپوزیت‌های پلیمری

پرکننده‌های حرارتی غیرآلی معمولاً دارای هدایت حرارتی بالا و خواص عایق الکتریکی هستند و عمدتاً برای تهیه کامپوزیت‌های حرارتی عایق استفاده می‌شوند. پرکننده‌های غیرآلی معمولاً استفاده شده شاملBN ، AlN، SiC، Al2O3،  Si3N4و غیره هستند. هدایت حرارتی نیترید بور به مراتب بالاتر از سایر پرکننده‌های غیرآلی است.

جدول 4. هدایت حرارتی کامپوزیت‌های الیاف کربن/پلیمری

زمینه	ترکیب پر کننده و مقدار آن	λ (W/m.ok)	مرجع
اپوکسی	70% حجمی CF	82/1	[75]
اپوکسی	3% وزنی CF/5 درصد وزنی GNP- BN	8/0	[76]
پلی آمید ایمید	25/4% CF/ rGO	53/0	[37]
PDMS	20% وزنی CF	73/2	[77]
لاستیک سیلیکونی	12% حجمی CF+ 30% حجمی Al2O3	22/4	[78]
لاستیک سیلیکونی	45% وزنی CNF و  5% وزنی CNT	2/14	[79]
اپوکسی	30% وزنی Cu-CFelt	69/30	[80]
اپوکسی	13 % حجمی 3D-CF	84/2	[81]
اپوکسی	2/30 % وزنی CF-Mxene	68/9	[82]

1-2-4- نیترید بور/کامپوزیت‌های پلیمری

 BN ترکیبی از عناصر بور و نیتروژن است که به صورت بلوری از اتم‌های هر دو عنصر تشکیل شده است. این ترکیب شیمیایی شامل 6/43 % بور و 4/56% نیتروژن می‌باشد و از خواص برجسته‌ای همچون روانکاری، مقاومت در برابر سایش، هدایت حرارتی بالا و عایق الکتریکی بودن برخوردار است. آرایش‌های مختلف اتم‌های بور و نیتروژن می‌تواند ساختارهای متنوعی ایجاد کند. در بین اشکال مختلف BN، نوع h-BN به دلیل قابلیت بالای خود در اتلاف حرارت اخیراً مورد توجه قرار گرفته است و می‌تواند با گرافن مقایسه شود که در تولید مواد TMM کاربرد دارد. h-BN را می‌توان از طریق روش‌های شیمیایی، حرارتی، مکانیکی و اولتراسونیک پردازش کرد تا لایه‌هایی از h-BN را ایجاد کند و با نیروهای وان‌دروالس لایه‌های BNNS چندگانه را به هم متصل کند. هدایت حرارتی h-BN می‌تواند به 400 وات بر متر کلوین برسد، در حالی که برای BNNS لایه‌برداری شده این مقدار می‌تواند بین 1600 تا 2000 وات بر متر کلوین باشد. به دلیل این خواص برجسته، بسیاری از محققان تمرکز خود را بر تهیه کامپوزیت‌هایBN/پلیمری گذاشته‌اند[83]. چن و همکاران داربستی از جنس BN-پلی (وینیلیدین دی‌فلورید) (PVDF) با استفاده از روش الگوی نمکی و PVDF به عنوان چسب تهیه کردند و کامپوزیت‌های اپوکسی را از طریق نفوذ تحت خلأ تولید کردند[10]. نتایج نشان داد که کامپوزیت‌های اپوکسی/BN-PVDF با 35 درصد وزنی BN دارای هدایت حرارتی بالای  W/m·K 227/1 هستند که به دنبال مسیر BN ایجاد شده و توسط چسب PVDF به هم پیوسته است (شکل 12). ما و همکاران[84] کاغذهای کامپوزیتی با ساختار لایه‌ای مشابه صدف از نانوصفحه‌های نیترید بور عملکردی‌شده با پلی‌دوپامین (BNNS@PDA)/الیاف نانوآرمیید (ANF) را با فیلتراسیون و پرس گرم تهیه کردند. این کاغذها خواص حرارتی عالی با هدایت حرارتی درون‌صفحه‌ای W/m·K 94/3 نشان دادند و ویژگی‌های مکانیکی و پایداری حرارتی برجسته‌ای داشتند، همچون استحکام کششی  MPa8/36 و شاخص مقاومت حرارتی 1/223 درجه سانتی‌گراد(شکل 13). ژائو و همکاران[85] روش جدیدی برای بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‌های اپوکسی بر اساس اثر هماهنگی میکرو-نانو ارائه دادند، که شامل تهیهBNNS  و کامپوزیت‌های BNNS/میکروصفحات نیترید بور (BNMSs)/اپوکسی با ایجاد شبکه حرارتی سه‌بعدی ‌شد که به هدایت حرارتی  W/m·K 148/1 و خواص عایق الکتریکی عالی دست یافتند(شکل 14). هوانگ و همکاران[86] کامپوزیت اپوکسی/نانوصفحه‌های نیترید بور (BNNS)سه‌بعدی با تراز شعاعی را از طریق ریختن انجمادی شعاعی تهیه کردند که هدایت حرارتی دوطرفه بالا نشان داد، با  W/m·K 02/4 در جهت عمود بر صفحه و 87/3 در جهت درون‌صفحه‌ای. تغییرات هدایت حرارتی این کامپوزیت‌ها با دما نیز مشخص شده است(شکل 15). جدول 5 هدایت حرارتی کامپوزیت‌های نیترید بور/پلیمری را نمایش می‌دهد.

 

شکل 12. (الف) شمایی از ساخت داربست های نیترید بور(BN) - PVDFو کامپوزیت‌های اپوکسی/BN-PVDF. (ب) مسیر BN ساخته شده که توسط چسب PVDF به هم متصل شده است. (ج) هدایت حرارتی کامپوزیت‌های PVDF/BN [87].

 

شکل 13. (الف)شمایی از فرآیند تهیه کاغذهای کامپوزیت نانوصفحه نیترید بور (BNNS)@PDA/الیاف نانوآرمیید(ANF)، (ب) عکس‌های کاغذهای کامپوزیتBNNS@PDA /ANF، (ج) منحنی‌های تنش-کرنش کششی کاغذهای کامپوزیتBNNS / ANFو BNNS@PDA/ANF. (د) ریخت شناسی مقطع عرضی کاغذهای کامپوزیت 50wt.%BNNS@PDA/ ANFو ضریب هدایت حرارتی درون‌صفحه‌ای کاغذهای کامپوزیت[84].

 

 

شکل 14. (الف) طرح واره، (ب) هدایت حرارتی و (ج) خواص الکتریکی کامپوزیت‌های میکروصفحات نیترید بور (BNMS)/نانوصفحه‌های نیترید بور (BNNS)/اپوکسی. (د) مسیرهای هدایت حرارتی در کامپوزیت‌های BNNSs/اپوکسی، BNMSs/اپوکسی و BNNSs/BNMSs/اپوکسی[47].

 

شکل 15. (الف) طرح واره ای ازBNNS /اپوکسی با تراز شعاعی، (ب) طرح واره هدایت حرارتی در جهت‌های عمود بر صفحه و درون‌صفحه‌ای، (ج) هدایت حرارتی کامپوزیت‌هایBNNS /اپوکسی، (د) تغییر هدایت حرارتی کامپوزیت‌هایBNNS /اپوکسی با دما[86].

4-2-2- سایر کامپوزیت‌های پلیمری با پرکننده‌های غیرآلی

با اینکه عملکرد سایر پرکننده‌های غیرآلی مانند SiN، SiC، Al2O3  وSi3N4  به خوبی BN نیست، آنها همچنان از جمله پرکننده‌های مهم برای ساخت کامپوزیت‌های حرارتی هادی و عایق محسوب می‌شوند. اویانگ و همکارانش[102] از پلاسما حرارتی با فرکانس بالا برای اصلاح نانوصفحه‏های Al2O3 به عنوان پرکننده‌های حرارتی استفاده کردند تا کامپوزیت‌های Al2O3/لاستیک سیلیکونی (SR)را تولید نمایند(شکل 16). این کامپوزیت‌ها دارای هدایت حرارتی بالای 53/1 وات بر متر کلوین و مقاومت حجمی مناسبی بودند. علاوه بر این، کامپوزیت‌های Al2O3/SR، همچنین خواص دی‌الکتریک مناسب، خواص مکانیکی برجسته و پایداری حرارتی مطلوبی را از خود نشان دادند. هان و همکاران[103] نانوصفحه‌های کاربید سیلیکون-نیترید بور(SiC-BNNS) با ساختاری ناهمگن را به عنوان پرکننده‌های حرارتی و عایق از طریق روش‌های سل-ژل و رشد درجا تهیه کردند. برای آماده‌سازی نانوکامپوزیت‌های حرارتی SiC-BNNS/اپوکسی، از روش مخلوط کردن-ریختن بهره بردند(شکل 17الف). در شکل 17ب تصاویر SEM از SiC-BNNS با نسبت‌های مختلف نمایش داده شده است. به وضوح می‌توان دید که SiC بر روی سطح ‏BNNSها رشد کرده است. کامپوزیت‌های SiC-BNNS/اپوکسی با بار پرکننده 20 درصد وزنی، هدایت حرارتی W/m·K 89/0 و همچنین خواص شکست و عایق الکتریکی مطلوبی را در اشکال 17ه و17ز نشان دادند. وو و همکاران[104] نوعی سرامیک آلومینای متخلخل شبکه‌ای(RPCs) را با افزودن روی اکسید(T-ZnOw) به‌عنوان

جدول 5. هدایت حرارتی کامپوزیت‌های نیترید بور/پلیمری

زمینه	ترکیب پر کننده و مقدار آن	λ (W/m.ok)	مرجع
پلی آمید 66 PA66))	20% وزنی نیترید بور	13/26	[88]
NFC	4/4 % حجمی نانوصفحات نیترید بور	56/1	[89]
پلی استایرن/پلی پروپیلن(PS/PP)	50% وزنی نیترید بور	57/5	[90]
PDMS	35% وزنی نانوصفحات نیترید بور	16/1	[91]
EP	15% حجمی نانوصفحات نیترید بور	02/4	[86]
پلی‌اتر اتر کتون(PEEK)	30% وزنی نیترید بور	01/1	[92]
ANF	70% وزنی نیترید بور	5/122	[93]
پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا(UMEPE)	50% حجمی نیترید بور هگزاگونال	03/23	[94]
اتیلن وینیل استات(EVA)	50% وزنی نانوصفحات نیترید بور	2/13	[95]
پلی‌اتیلن گلیکول(PEG)	27% وزنی نیترید بور- چیتوسان	77/2	[96]
PVDF	60% وزنی نانوصفحات نیترید بور	88/11	[41]
NFC	40% وزنی نانوصفحات نیترید بور	64/20	[97]
EP	10% وزنی نیترید بور	65/1	[98]
EP	10% وزنی نیترید بور- نقره- گرافن	4/5	[99]
PVDF	25% وزنی نیترید بور هگزاگونال-نانولوله کربنی چندجداره- اکسید سیلیسیم	51/1	[100]
PVA	9/0 % وزنی ND+ 1/29 % وزنی نانوصفحات نیترید بور	49/15	[35]
EP	40 % وزنی APTES- نانوصفحات نیترید بور	86/5	[101]
PI	1% وزنی اکسید گرافن- 20% وزنی نیترید بور	203/11	[63]

پایه به EP معرفی کردند تا کامپوزیت‌هایEP/Al2O3/T-ZnOw  با ساختار شبکه‌ای پیوسته و متداخل ایجاد کنند(شکل 18 الف). 

 

شکل 16. (الف) طرح واره فرآیند تهیه نانوصفحات Al2O3 با پلاسما حرارتی و (ب) کامپوزیت‌هایAl2O3 /SR، (ج) هدایت حرارتی کامپوزیت‌های Al2O3/ SRو مدل‌های جریان حرارت و (د) مقاومت حجمی کامپوزیت‌های Al2O3/SR[102].

 

شکل ۱۷. (الف) طرح واره برای ساخت نانوکامپوزیت‌های حرارتی رسانا(SiC-BNNS)/اپوکسی، (ب) تصاویر SEM از (SiC-BNNS, 2/1)-(I)، (SiC- BNNS, 1/1)-(II)  و(SiC-BNNS, 1/2)-(III)، (ج) مکانیزم حرارتی رسانا برای پرکننده‌های SiC-BNNS با ساختار ناهمگن. (د) λ، (ه) استحکام شکست و (و) مقاومت الکتریکی نانوکامپوزیت‌های حرارتی رساناSiC-BNNS-(II)/اپوکسی[103].

 

شکل 18. (الف)طرح واره برای ساخت کامپوزیت‌هایEP/سرامیک‌های آلومینای متخلخل شبکه‌ای(RPCs)/T-ZnOw، (ب) تصاویر معمولی از سرامیک‌های متخلخل شبکه‌ای(چپ) و نمونه‌های پردازش شده کامپوزیت‌هایEP/RPC/T-ZnOw(راست)، (ج) هدایت حرارتی، (د) استحکام خمشی و (ه) مدول خمشی کامپوزیت‌های EP/RPCs/T-ZnOw  [104].

شکل 18ب تصاویری از سرامیک‌های متخلخل شبکه‌ای(سمت چپ) و نمونه‌های پردازش شده(سمت راست) را نشان می‌دهد. این کامپوزیت‌ها هدایت حرارتی چشمگیر W/m·K  968/1 و خواص مکانیکی برجسته‌ای داشتند(شکل 18ج-ه). جدول 6 هدایت حرارتی سایر کامپوزیت‌های پلیمری با پرکننده‌های غیرآلی را نشان می‌دهد.

جدول 6. هدایت حرارتی سایر کامپوزیت‌های پلیمری با پرکننده‌های غیرآلی.

زمینه	ترکیب پر کننده و مقدار آن	(W/m.ok)λ	مرجع
EP	9% وزنی rGO/Fe3O4	21/1	[22]
SR	20% حجمی ZnOs/ZnOw	31/1	[105]
EP	60% وزنی Al2O3، 3 % وزنی MWCNTs و 8% وزنی SiO2	73/1	[106]
EP	23% حجمی f-Al2O3	58/2	[107]
پلی‌لاکتیک اسید(PLA)	38% وزنی Al2O3+ 2% وزنی AlN	72/0	[43]
پلی تترافلوئورواتیلن(PTFE)	62% حجمی Si3N4	3/1	[108]
PVDF	70% وزنی ND+SiC	39/2	[109]
NFC	20% وزنی MgO-rGO	45/7	[62]
EP	71/3 % حجمی SiC	32/14	[110]
EP	52/6 % حجمی 3D-SiC	26/10	[111]
EP	76/42 %حجمی AlN	48/9	[112]
SR	12% حجمی CFs+30% حجمی Al2O3	36/7	[78]
PDMS	55% وزنی BN و 30% وزنی Al2O3	63/3	[113]
PDMS	80% وزنی AlN	19/4	[8]
CNF	25% وزنی AlN	20/4	[114]

4-3- پرکننده‌های فلزی/کامپوزیت‌های پلیمری 

پرکننده‌های فلزی ویژگی‌های برجسته‌ای در زمینه هدایت حرارتی و الکتریکی دارند. برای نمونه، میزان هدایت حرارتی نقره، مس و آلومینیوم به ترتیب می‌تواند به 430، 350-400 و W/m·K 234 برسد[40]. این پرکننده‌ها برای تولید TCPCهایی با عملکرد قدرتمند در حفاظت از تداخل الکترومغناطیسی مناسب هستند. ژو و همکارانش شبکه سه‌بعدی و متصل به هم از جنس مس برای بهبود ویژگی‌های هدایت حرارتی کامپوزیت‌های اپوکسی طراحی کردند. آن‌ها از الیاف کربن به عنوان ساختار سه‌بعدی استفاده کرده و مس را بر روی سطح این الیاف آبکاری الکتریکی کردند که شبکه مسی را ایجاد می‌کند و به عنوان مسیر پیوسته‌ای برای انتقال حرارت عمل می‌کند(شکل 19). کامپوزیت‌های ساخته‌شده از الیاف کربن و اپوکسی با محتوای مس 30 درصد وزنی، هدایت حرارتی بسیار بالای  W/m·K 69/30 را نشان دادند که نزدیک به 140 برابر بیشتر از اپوکسی خالص است. علاوه بر این، این کامپوزیت‌ها خاصیت مکانیکی بی‌نظیری دارند و هدایت الکتریکی بالا برابر با S/cm 104×49/7 ارائه می‌دهند. جی و گروهش[115] آئروژل‌های MXene/ Agرا با استفاده از روش‌های الگوی یخ و خشک‌کن انجمادی تهیه کردند و فیلم‌های نانوکامپوزیت MXene/Ag-اپوکسی را از طریق نفوذ تحت خلأ ساختند(شکل 20). این نانوذرات Ag بر روی سطح  MXene قرار گرفته و مقاومت تماس بین نانوصفحه‌ها را کاهش می‌دهند و موجب ایجاد فیلم‌های

 

شکل 19. (الف) طرح واره فرآیند ساخت کامپوزیت‌های Cu-الیاف کربن(CFelt)/ اپوکسی، (ب) طرح واره هدایت حرارتی در کامپوزیت‌های CFelt/اپوکسی وCu-CFelt /اپوکسی و (ج) هدایت حرارتیCu-CFelt / اپوکسی[80].

 

شکل 20. (الف) نمودار جریان دقیق تهیه فیلم‌های نانوکامپوزیتMXene /Ag-اپوکسی، (ب) شبکه‌های 3D و انتقال حرارت و (ج) هدایت حرارتی فیلم‌های نانوکامپوزیت MXene/Ag-اپوکسی[115].

نانوکامپوزیت با هدایت حرارتی عالی  W/m·K 65/2 با بار کم 1/15درصد حجمی شدند. چانگ و همکارانش[40] روشCVD  تقویت‌شده با پلاسما را استفاده کردند تا نانولوله‌های کربنی بر روی سطح فیلم گرافیتی رشد دهند، که عملکرد فصل مشترک و حرارتی کامپوزیت‌های GF/Al را بهبود می‌بخشیدند. در نتیجه، این کامپوزیت‌ها ویژگی‌های مکانیکی و مدیریت حرارتی بهتری دارند و به ترتیب هدایت حرارتی درون‌صفحه‌ای بالا برابر با  W/m·K 1042 و هدایت عمود بر صفحه  W/m·K 47 را نشان دادند(شکل 21). جدول 7 مربوطه هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری با پرکننده‌های فلزی را ارائه می‌کند.

سرعت عملکرد کامپوزیت‌های پلیمری در انتقال حرارت به ظرفیت آن‌ها برای هدایت حرارتی (Thermal Conductivity, k) و پاسخ حرارتی (Thermal Response Time) بستگی دارد[120]. در این‌جا ابتدا مفهوم سرعت انتقال حرارت در چارچوب مهندسی توضیح داده می‌شود، سپس روش‌های مختلف افزایش هدایت حرارتی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری از نظر سرعت انتقال بررسی و مقایسه می‌شوند. در مهندسی انتقال حرارت، سرعت عملکرد معمولاً با دو شاخص اصلی جدول 8 بیان می‌شود. همچنین عوامل مؤثر در سرعت انتقال حرارت نانوکامپوزیت‌های پلیمری در جدول 9 خلاصه شده است. 

 

شکل 21. (الف) طرح واره فرآیند ساخت بلوک‌های کامپوزیت لایه‌ای CNTs-فیلم گرافیتی (GF)/Al، (ب) هدایت حرارتی CNTs-GF/ AlوGF/Al در جهت‌های xy و z [40]. 

جدول 7. هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری با پرکننده‌های فلزی

زمینه	ترکیب پر کننده و مقدار آن	(W/m.ok)λ	مرجع
EP	20% وزنی Te/MoS2/Ag	4/10	[116]
PVA	10% وزنی Ag-GNPs	45/8	[117]
Polybenzoxazine	25% وزنی BN/Cu	049/1	[118]
PI	15% وزنی Ag/rGO	12/2	[53]
PMMA	50% وزنی Cu/PMMA	38/3	[119]

 

مقایسه روش‌های تقویت هدایت حرارتی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری از نظر سرعت انتقال در جدول 10 نشان داده شده است.

5- کاربردهای کامپوزیت‌های پلیمری حرارتی هادی

5-1- دستگاه‌های الکترونیکی (الکترونیک پوشیدنی)

با پیشرفت فناوری، یکپارچگی و توانایی دستگاه‌های الکترونیکی دائماً در حال افزایش است که این امر باعث ایجاد مشکلات جدی در تجمع حرارت می‌شود. کامپوزیت‌های پلیمر رسانای گرما(TCPC) به دلیل کارایی بالای خود در مدیریت حرارت به مواد اصلی در دستگاه‌ها و سیستم‌های الکترونیکی مدرن تبدیل شده‌اند[121]. ‏TCPCها خواص مطلوب هدایت حرارتی و عایق الکتریکی مواد معدنی را با مزایای سبک‌وزنی، فرآوری آسان و هزینه پایین پلیمرهای آلی ترکیب می‌کنند. این ویژگی‌ها باعث استفاده گسترده از آنها در مواد زیرپرکننده و مواد انتقال حرارت (TIMها) شده است. کامپوزیت‌های رزین اپوکسی به دلیل هزینه کم و سهولت فرآوری، جایگاه ویژه‌ای در بسته‌بندی الکترونیکی

جدول 8. شاخص های سرعت عملکرد کامپوزیت‌های پلیمری در انتقال حرارت[120].

شاخص	توضیح
هدایت حرارتی (k, W/m·K)	میزان گرمای منتقل‌شده در واحد زمان، مساحت و شیب دمایی.
دیفوزیویته حرارتی (α = k / ρCp)	سرعت پاسخ سیستم به تغییر دما، وابسته به چگالی (ρ)و ظرفیت گرمایی ویژه(Cp). هرچه α بیشتر باشد، انتقال حرارت سریع‌تر است.

 

جدول 9. عوامل مؤثر در سرعت انتقال حرارت نانوکامپوزیت‌های  پلیمری[120].

عامل	تأثیر
نوع نانوذرات پرکننده (فاز رسانا)	نانوذراتی مانند گرافن، CNT، یا BN هدایت بالایی دارند و سرعت انتقال را افزایش می‌دهند.
ساختار و آرایش نانوذرات	هم‌ترازی و تشکیل شبکه‌های پرکولاسیون باعث جهش ناگهانی در k  و کاهش زمان پاسخ حرارتی می‌شود.
مقاومت حرارتی فصل مشترک (ITR)	مقاومت زیاد در فصل مشترک، انتقال حرارت را کند می‌کند، حتی اگر k نانوذره بالا باشد.
پخش و توزیع نانوذرات	توزیع یکنواخت نانوذرات باعث ایجاد مسیرهای مؤثر و کاهش زمان انتشار گرما می‌شود.

 

جدول 10. مقایسه روش‌های تقویت هدایت حرارتی در نانوکامپوزیت‌های پلیمری از نظر سرعت انتقال[120].

روش تقویت	توضیح	تأثیر بر سرعت انتقال حرارت	مزایا	معایب
CNT	دارای k بالا 2000-5000 W/m·K	بسیار مؤثر در افزایش α  در مسیرهای هم‌تراز	سبک، مؤثر	تمایل به تجمع، هزینه بالا
ورق‌های گرافنی	k ~ 3000-5000 W/m·K	بالا، مخصوصاً در جهت صفحه‌ای	پخش خوب = پاسخ سریع	اثر ITR قابل توجه در مرز با پلیمر
h-BN	عایق الکتریکی، هدایت بالا ~300-400 W/m·K	خوب برای سیستم‌های حساس به جریان	پایداری عالی	نیاز به حجم پرکننده بالا
پرکننده‌های هیبریدی (مثلاً CNT + BN)	ترکیب ویژگی‌ها	بهبود هم‌افزایی در α	بهینه‌سازی چند ویژگی	کنترل ترکیب دشوار
هم‌ترازی نانوذرات (Alignment)	با میدان مغناطیسی یا برشی	افزایش مسیرهای مستقیم و افزایش سرعت	عملکرد بالا در جهت خاص	جهت‌گیری‌محور، پیچیدگی فرایند

دارند. شیاو و همکارانش[122] روشی ساده و دوستدار محیط زیست برای تهیه کامپوزیت‌های رزین اپوکسی و نانوصفحه‌های BN با هدایت حرارتی بالا ارائه دادند. این ماده کامپوزیتی به دلیل ساختار متصل خود، عملکرد حرارتی بسیار خوبی را در همه جهات نشان داده و آینده‌ساز کاربردهای مدیریت حرارت در دستگاه‌های الکترونیکی است. افزون بر این، پایداری حرارتی این ماده کامپوزیتی به شدت افزایش یافته و دمای تجزیه ۲۰ درصد آن به میزان 227/3 درجه سانتی‌گراد نسبت به رزین اپوکسی خالص بالاتر است. یان و گروهش[123] کامپوزیت‌های رزین اپوکسی با هدایت حرارتی بالا را با استفاده از ۶۰ درصد وزنی f-Al2O3، ۳ درصد وزنی نانو لوله‌های کربنی چند دیواره و ۸ درصد وزنی نانوذرات SiO2 تولید کردند. از طریق پراکندگی یکنواخت و اثر ترکیب مخلوط‌سازی، اجزای مختلف ترکیب شده و یک شبکه حرارتی متصل ایجاد کردند که به هدایت حرارتی کارآمد دست یافت. ماده کامپوزیتی هدایت حرارتی عمود بر صفحه‌ای برابر با 1/73 وات بر متر کلوین داشت که برای مدیریت حرارت در دستگاه‌های الکترونیکی مناسبت دارد.

لیو و همکاران[124] موفق به ساخت یک ماده فصل مشترک حرارتی (TIM)با قابلیت هدایت حرارتی بالا و بازیافت‌پذیری کامل شدند که بر پایه ویتریمر اپوکسی و نانوصفحه‌های BN توسعه یافته است. استفاده از پرس گرم ساده به همراه 40 درصد وزنی پرکنندهBN ، باعث افزایش هدایت حرارتی تا 85/3 وات بر متر کلوین شد که سی برابر بیشتر از رزین اپوکسی اولیه است و به طور قابل توجهی در بهبود دفع حرارت دستگاه‌های الکترونیک مؤثر است. این کامپوزیت اپوکسی  BN-40 wt%همچنین از دمای تخریب حرارتی آغازین بالایی معادل 280 درجه سانتی‌گراد برخوردار بوده که نشانه‌ای از پایداری حرارتی عالی آن است. یان و همکاران روش کارآمدی را برای تولید نانوصفحه‌های BN با نسبت ابعادی بسیار بالا ارائه کردند که بر پایه فناوری میکروسیال قرار دارد. نانوصفحه‌ها با دستیابی به نسبت طول به عرض تقریباً 1500 و حداقل نقص‌ها، توانستند فیلم‌های کامپوزیت BNNS تهیه شده با PVA را با هدایت حرارتی درون‌صفحه‌ای به میزان 6/67 وات بر متر کلوین در محتوای 83 درصد وزنی BNNS نشان دهند که بیانگر افزایش هدایت حرارتی حدود 35500 برابر است. این فیلم کامپوزیتی به عنوان هیت سینک برای ماژول‌های LED با توان بالا استفاده شده و عملکرد فوق‌العاده‌ای در دفع حرارت نشان داده است. لی و همکاران یک ساختار نوآورانه متقاطع ارائه دادند که پلیمر الکتروکالوریک را با مسیرهای حرارتی بسیار هادی ترکیب می‌کند. این پیکربندی منجر به افزایش 240 درصدی در عملکرد الکتروکالوریک و افزایش 300 درصدی در هدایت حرارتی پلیمر شده است. با بهره‌گیری از این کامپوزیت الکتروکالوریک، یک دستگاه نمونه‌سازی مقیاس‌پذیر طراحی شد که به ویژه برای خنک‌سازی نقطه حرارتی یک تراشه 5G طراحی شده و شامل عملگر الکترومغناطیسی است[125].

به دلیل طراحی‌های فشرده، دستگاه‌های پوشیدنی در شرایط عملیاتی با فرکانس بالا ممکن است دچار انباشت حرارتی شوند. این دستگاه‌ها به دلیل تماس مستقیم با پوست انسان، نباید دمایشان به طور قابل توجهی از دمای بدن انسان فراتر رود؛ از این رو باید از مواد با هدایت حرارتی بالا در بخش‌بندی استفاده شود تا خنک‌سازی و ایمنی دستگاه تضمین گردد. الکترونیک‌های پوشیدنی مینیاتوری که دارای چگالی توان بالایی هستند، نیازمند مدیریت حرارتی پیشرفته، انعطاف‌پذیری ایده‌آل و نفوذپذیری عالی هستند. ایجاد تعادل میان این الزامات به دلیل تناقض طبیعی میان هدایت حرارتی و ویژگی‌های انعطاف‌پذیری و نفوذپذیری، بسیار چالش‌برانگیز است. با وجود این چالش‌ها، استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری حرارتی هادی، در بهبود ویژگی‌های حرارتی دستگاه‌های پوشیدنی انعطاف‌پذیر پیشرفت‌های چشمگیری حاصل کرده است. این نانوکامپوزیت‌های الاستومری با هدایت حرارتی بالا، علاوه بر اطمینان از دفع سریع حرارت تولید شده درون دستگاه، به سرعت به تغییرات حرارتی پاسخ داده و عملکردهای گرمایش و خنک‌سازی را ارائه می‌دهند. مواد پلی ایمید (PI)به دلیل مقاومت حرارتی و پایداری استثنایی خود برای کاربردهای صنعتی الکترونیک بسیار مناسب ارزیابی می‌شوند. با استفاده از روش‌های پلیمریزاسیون درجا، ریسندگی مرطوب و کشش حرارتی، پژوهشی توسط فانگ و همکارانش منجر به پراکندگی یکنواخت نانوپرکننده‌ها و ایجاد پیوند کووالانسی بین(PDA)@BNNS  و زمینه PI با چینش پرکننده‌ها شد. این فرآیند باعث بهبود قابل توجه انتشار حرارت گردید، به گونه‌ای که افزودن 10 درصد وزنی نانوپرکننده TC به هدایت حرارتی W·m−1·K−1 44/3 دست یافت. فیلامنت حاوی 5/0 درصد وزنی  PDA@BNNS حداکثر استحکام کششی GPa 9/2 را نشان داد. پراکندگی مناسب پرکننده و تعاملات بین سطحی قوی بین PDA@BNNS و زمینه PI که توسط پیوندهای شیمیایی ایجاد شده‌اند، در بهبود ویژگی‌های مکانیکی و هدایت حرارتی الیاف کامپوزیتی نقش مهمی ایفا می‌کنند[126].

در مطالعه‌ای دیگر، یان و همکاران بر بهبود هدایت حرارتی پلی ایمید با تمرکز بر تقویت جهت‌گیری زنجیره‌ای و تعاملات بین‌مولکولی کار کردند. نتایج تحقیقات آن‌ها نشان داد که یک نانوالیاف پلی ایمید الکتروریسی شده و فیلم آن پس از پرس گرم به ترتیب دارای هدایت حرارتی 44/0 و 98/0 وات بر متر بر کلوین در دمای محیط بودند. فرآیند الکتروریسی به بهبود جهت‌گیری زنجیره‌ای کمک کرد، در حالی که فشار بالا و درمان حرارتی در پرس گرم، توسعه پیوندهای π–π را تسهیل کرده و به طور قابل توجهی هدایت حرارتی افزایش یافته را سبب شد. پس از ۳۰۰۰ چرخه استفاده، هیچ ترک یا لایه‌زدایی بین لایه‌های متناوب مشاهده نشد که نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری و دوام استثنایی ماده سنتز شده است[127]. علاوه بر این، روان و همکاران یک فیلم پلی ایمید کریستالی مایع با هدایت حرارتی بالا توسعه دادند که از طریق بهینه‌سازی دامنه مایع کریستالی با دمای پخت حاصل شد[128]. هدایت‌های حرارتی درون‌صفحه‌ای و عمود بر صفحه‌ای این فیلم در دمای اتاق به ترتیب 11/2 و 32/0 وات بر متر بر کلوین بود که به طور قابل توجهی بالاتر از فیلم‌هایی است که خارج از دامنه کریستال مایع پخته می‌شوند. این فیلم همچنین خواص مکانیکی و حرارتی عالی نشان داد که بیانگر پتانسیل آن برای استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی انعطاف‌پذیر با دمای بالا است. ساختارها و عملکردهای خودترمیم سریع در دمای اتاق از مواد کامپوزیتی دارای چشم‌اندازهای کاربردی وسیعی هستند؛ با این حال، چالش‌های ساختاری و ترکیبات این مواد باعث پیچیدگی فرآیند خودترمیم می‌شود. یو و همکاران یک ماده کامپوزیتی خودترمیم با هدایت حرارتی بالا توسعه دادند، که قادر به خودترمیم کامل در عرض ۱۰ دقیقه در دمای اتاق است[129]. این ماده دارای استحکام کششی شکستگی بالا و هدایت حرارتی مناسب بود و توانست کارایی خودترمیم را به میزان قابل توجهی حفظ کند که نتیجه تعاملات فوق‌مولکولی بین پلیمرها و گرافن بود. تحقیقات و کاربردهای حاصل از این مواد کامپوزیتی منجر به ارزش قابل توجهی در دستگاه‌های الکترونیکی انعطاف‌پذیر می‌شود و پتانسیل پذیرش گسترده آن‌ها در بسیاری از کاربردهای عملی آینده وجود دارد. چه برای بسته‌بندی‌های الکترونیکی یا دستگاه‌های پوشیدنی، چشم‌اندازهای کاربردی این مواد بسیار وسیع است و انتظار می‌رود تأثیر بسیاری بر توسعه فناوری الکترونیکی داشته باشند.

2-5- دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی

با پیشرفت سریع خودروهای الکتریکی و انرژی‌های تجدیدپذیر، تقاضا برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی به شدت افزایش یافته و باتری‌های یونی لیتیوم و ابرخازن‌ها به نقاط کانونی توجه تبدیل شده‌اند. این دستگاه‌های ذخیره‌سازی در طول چرخه‌های شارژ و تخلیه حرارت قابل توجهی تولید می‌کنند و مدیریت ناکارآمد حرارت می‌تواند منجر به کاهش عملکرد یا حتی خطرات ایمنی شود. ‏TCPCها، که به خاطر هدایت حرارتی عالی خود شناخته شده‌اند، به مواد کلیدی در مدیریت حرارتی دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی تبدیل شده‌اند[130].  

در طول شارژ و تخلیه، اگر حرارت تولید شده توسط باتری‌ها به طور مؤثر دفع نشود، می‌تواند به دماهای بیش از حدی منجر شود که به طور منفی بر عمر و عملکرد آن‌ها تأثیر می‌گذارد. ‏TCPCها به طور گسترده‌ای در‏TIM ها و جداکننده‌های باتری‌ها استفاده می‌شوند و به دفع سریع حرارت کمک کرده و عملکرد باتری را در محدوده دمای ایمن حفظ می‌کنند. به عنوان مثال، هوانگ و همکاران یک ماده کامپوزیتی انعطاف‌پذیر جدید، استایرن بوتادین استایرن@پارافین/گرافیت منبسط شده (SBS@PA/EG) توسعه دادند. در آزمایش‌های کاربرد باتری، ماژول‌های باتری که از این ماده استفاده می‌کردند، حداکثر دما را در طول تخلیه ◦C 5 زیر ◦C 46 حفظ کردند و اختلاف دما را در محدوده ◦C 4 کنترل کردند که کارایی و عملی بودن آن را در مدیریت حرارتی باتری ثابت می‌کند[131].  

تیم تحقیقاتی یین با افزودن نانوصفحه‌های دو بعدی BN به الکترولیت مبتنی بر اکسید پلی‌اتیلن، یک الکترولیت با پاسخ حرارتی بهبود یافته توسعه داد(شکل 22). اضافه کردن BN نه تنها پایداری حرارتی الکترولیت را بهبود بخشید، بلکه هدایت یونی و خواص مکانیکی آن را نیز ارتقا داد. این پیشرفت مسیر مهمی برای افزایش ایمنی و عملکرد باتری‌های حالت جامد فراهم می‌کند. گو و تیم تحقیقاتی‌اش[132] توانستند کامپوزیت‌های ترموپلاستیک پلی یورتان(TPU) پر شده با گرافن را طی فرآیند چاپ سه‌بعدی توسعه دهند و به هم‌راستایی نامتقارن گرافن دست پیدا کنند. این ساختار چاپ شده سه‌بعدی با هم‌راستایی عمودی، هدایت حرارتی قابل توجهی درون‌صفحه‌ای با مقدار 112 وات بر متر بر کلوین در محتوای 45 درصد وزنی گرافن نشان داد. این مقدار هشت برابر بیشتر از ساختارهایی است که به صورت افقی چاپ شده‌اند و به وضوح از کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با ذرات سنتی پیشی می‌گیرد. افزایش چشمگیر هدایت حرارتی عمدتاً به دلیل

 

شکل 22. طراحی منطقی الکترولیت پلیمری حالت جامد با افزودنی BN، (الف) تصویر باتری‌های Li-S حالت جامد با الکترولیت‌های مبتنی بر پلیمر و مقایسه شماتیکی انتقال حرارت از طریق الکترولیت‌ها با و بدون افزودنی‌های BN و (ب) طرح یک الکترولیت کامپوزیتی متشکل از ورقه‌های  2D BN و یک پلیمر مخلوط PEO-PVDF  باLiTFSI [134].

جهت‌گیری ترجیحی گرافن و پارامترهای چاپ دقیق کنترل شده در ساختارهای چند مقیاسه متراکم بود. چنگ و همکارانش[133] یک ساختار مدیریت حرارتی کامپوزیت سه‌گانه PCM⁷ باتری مبتنی بر گرافیت منبسط شده، پلیمر و پارافین را توسعه دادند که دارای هدایت حرارتی و الکتریکی بالاست. این ساختار با طراحی دو لایه، از حرارت ژول برای پیش‌گرمایش باتری‌ها استفاده می‌کند و دما را به سرعت به میزان 5/20 درجه سلسیوس بر دقیقه افزایش داده و کارایی تخلیه را 5/35 درصد بهبود می‌بخشد.

در ابرخازن‌ها، به دلیل چگالی توان بالا، سرعت شارژ و تخلیه سریع و عمر طولانی چرخه، TCPCها اهمیت زیادی دارند. این مواد می‌توانند عملکرد الکتروشیمیایی و هدایت الکتریکی الکترودهای ابرخازن‌ها را به صورت قابل توجهی بهبود دهند. لی و همکاران نانوکامپوزیتی پلیمری شامل نانوصفحه‌های BN توسعه داده‌اند که در دامنه وسیع دماها و فرکانس‌ها خواص دی‌الکتریک استثنایی نشان می‌دهد. افزودن نانوصفحه‌های BN منجر به افزایش قابل توجه TC ماده شده و پایداری عملیاتی در دماهای بالا را ارتقا داده است. این نانوکامپوزیت همچنین سبک بوده، قابلیت الگوگیری دقیق با فتولیتوگرافی داشته و انعطاف‌پذیری مکانیکی عالی دارد. تحقیقات چن بر روی کوپلیمرهای لادرپان، موادی با هدایت الکتریکی پایین تحت میدان‌های الکتریکی و دماهای بالا، مکانیزم خودآرایی منحصر به فردی را از طریق تعاملات π–π نشان داد که آرایه‌های منظمی تشکیل می‌دهد و باعثTC عمودی برابر با  W·m−1·K−1 06/0± 96/1می‌شود. این فیلم‌های کوپلیمر به طور مؤثر حرارت را دفع کرده و ثبات چرخه‌ای فوق‌العاده‌ای را در شرایط چالش‌برانگیز ارائه می‌دهند. ‏TCPCها با مدیریت مؤثر حرارت، کاربردهای دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی را متحول کرده و عملکرد و ایمنی دستگاه را بهبود می‌بخشند و نوآوری در فناوری ذخیره‌سازی انرژی را تقویت می‌کنند. با پیشرفت‌های مستمر، انتظار می‌رود ‏TCPCها به توسعه بیشتر فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی کمک زیادی کنند[135].

3-5- سیستم‌های انتقال  

در حوزه سیستم‌های انتقال قدرت، مدیریت حرارتی مواد عایق برای بهبود عملکرد و افزایش عمر تجهیزات بسیار حائز اهمیت است. مواد عایق با هدایت حرارتی پایین معمولاً باعث تجمع حرارت در هنگام عملیات می‌شوند که خطر خرابی و کاهش کارایی را به همراه دارد. پیشرفت‌های اخیر در زمینه کامپوزیت‌های پلیمری با هدایت حرارتی بالا نشان داده‌اند که این مشکلات قابل حل هستند[136]. افزایش هدایت حرارتی عایق کابل می‌تواند به طور مؤثر دمای داخلی کابل را کاهش داده و در نتیجه ظرفیت حمل جریان و پایداری عملیاتی آن را افزایش دهد. این بهبودها نه تنها هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهند بلکه عمر کابل را نیز افزایش می‌دهند. برای رفع چالش‌های مواد دی‌الکتریک در اتصالات کابل و مسائل مربوط به مدیریت حرارتی، چی و همکارانش تحقیقاتی را انجام دادند که در آن نانوذرات نقره (Ag NPs)بر روی بور نیترید هگزاگونال رشد داده شد و سپس با پلیمر اتیلن پروپیلن دی ان  (EPDM)  ترکیب گردید تا یک ماده کامپوزیت ایجاد شود. نتایج آن‌ها نشان داد که افزایش محتوای نانوذرات نقره منجر به بالا بردن هدایت الکتریکی غیرخطی و هدایت حرارتی کامپوزیت می‌شود. افزایش هدایت حرارتی مواد عایق اصلی می‌تواند دمای عملیاتی داخل ژنراتورها را کاهش داده و ظرفیت خروجی و کارایی آن‌ها را بهبود بخشد. لین و همکارانش با استفاده از الکتروریسی هم‌محور و دیگر روش‌ها، نانوکامپوزیتی برای تغییر فاز (PCN) توسعه دادند(شکل 23). این فیلم PCN، که حاوی ۳۲ درصد وزنی نانوصفحه‌های هم‌راستا و متصل BN است، هدایت حرارتی استثنایی معادل 28/3 وات بر متر کلوین نشان داده است. این

 

شکل 23. کاربرد مدیریت حرارتی فیلم PEG@TPU/BNNS-es (با محتوای 32 wt% BNNSs) در ژنراتور ترموالکتریک (TEG). (الف) مکانیزم TEG  در معرض هوا (بالا) و (ب) بارگذاری شده با PEG@TPU/BNNS-es (PCN) (پایین). (ج-ه) جریان خروجی، ولتاژ خروجی و توان خروجی‏TEG ها به ترتیب با/بدونPCC  در دماهای مختلف گرمایش،. (و) اختلاف دما بین طرف‌های گرم و سرد در مقابل دمای گرمایش‏TEGها. (ز) نمودار مفهومی کاربرد بالقوه ‏TEGها که با فیلم PEG@TPU/BNNS-es  برای فعالیت‌های خارج از منزل یکپارچه شده‌اند[137].

استراتژی موفق، PCNها را به عنوان گزینه‌ای ایده‌آل برای خنک‌سازی دستگاه‌های با چگالی توان بالا معرفی می‌کند و پتانسیل زیادی در کاربردهای مدیریت حرارتی دارد. ترانسفورماتورها و سایر دستگاه‌های قدرت مانند تجهیزات سوئیچینگ با عایق جامد و راکتورهای اشباع‌شونده، با چالش گرمای بیش از حد مواجه‌اند. وی و تیمش مدلی برای خنک‌سازی ترموفلوئید راکتورهای اشباع‌شونده طراحی کردند تا تلفات حرارتی در سیستم‌های جریان مستقیم با ولتاژ بالا کاهش یابد[138]. مطالعات آن‌ها نشان داد که افزایش قابلیت هدایت حرارتی لایه عایق رزین اپوکسی (از 8/0 به 2/1 وات بر متر بر کلوین) خنک‌کنندگی را به میزان قابل توجهی بهبود می‌بخشد و دماهای هسته را کاهش می‌دهد، و بهینه‌سازی این ضریب هدایت حرارتی باعث افزایش کارایی در دفع حرارت می‌شود. به طور کلی، توسعه و استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری با هدایت حرارتی بالا منجر به پیشرفت‌های مهمی در سیستم‌های انتقال قدرت شده است. این مواد نه تنها چالش‌های مدیریت حرارت را حل می‌کنند، بلکه راندمان و اعتمادپذیری دستگاه‌های قدرت را افزایش می‌دهند. با پیشرفت علم مواد، انتظار می‌رود این مواد نقش بیشتری در سیستم‌های قدرت آینده ایفا کنند. ذخیره‌سازی حرارتی خورشیدی نقش اساسی در افزایش کارایی استفاده از انرژی خورشیدی دارد. مواد تغییر فاز(PCMs)، با توانایی جذب یا آزاد کردن حرارت زیاد هنگام تغییر فاز، برای ذخیره‌سازی حرارتی خورشیدی مناسب هستند. اما هدایت حرارتی پایین این مواد چالش‌هایی در کاربردشان تحت تابش خورشیدی متمرکز با دمای بالا ایجاد می‌کند. افزودن نانوپرکننده‌ها با هدایت حرارتی بالا به PCMها عملکرد حرارتی آن‌ها را بهبود بخشیده و کارایی سیستم‌های ذخیره‌سازی حرارتی خورشیدی را افزایش می‌دهد. ‏PCMها در جمع‌آوری و ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی گسترده استفاده می‌شوند. این مواد حرارت نهان را بدون تغییر دما ارائه کرده و ناپیوستگی در تامین انرژی خورشیدی را کاهش می‌دهند. هرچند هدایت حرارتی پایین این مواد می‌تواند نقاط داغ ایجاد کند، که از هدایت یکنواخت جلوگیری کرده و منجر به کارایی کمتر تبدیل انرژی و آسیب احتمالی ساختار مواد می‌شود. بهبود هدایت حرارتی PCMها بسیار مهم است. محققان برای بهبود عملکرد، آزمایش‌هایی با افزودن نانوپرکننده‌ها انجام داده‌اند. پنگ و همکاران یک کامپوزیت آئرژل گرافن آنیزوتروپیک با ساختار بهینه شده از طریق انجماد جهت‌دار و پردازش در دماهای بالا توسعه دادند که به هدایت حرارتی عرضی بالا و طولی رسید و نرخ نگهداری حرارت نهان بالایی داشت.

در یک کار تحقیقاتی یک کامپوزیت جدید PCM مبتنی بر پلی‌اتیلن گلیکول (PEG 2000)با استفاده از فوم Ti3C2Tx@PVA  توسعه داده شد. شکافتنPEG  به اسکلت سه‌بعدی متصل به هم، از طریق روش‌های نفوذ در خلاء و خشک‌کردن انجمادی صورت گرفت، که باعث شد TC به W·m−1·K−1 428/0 برسد، میزانی که 2/4 برابر بیشتر از PEG 2000  خالص است. این ساختار نه تنها TC را بهبود داد بلکه دارای قابلیت اطمینان حرارتی و شیمیایی عالی نیز بود. آفتاب و همکاران[139] یک راه‌حل مؤثر برای ذخیره‌سازی حرارتی خورشیدی ایجاد کردند که شامل قرار دادن ورقه‌های نانوفسفرین(PNFs) تهیه شده از بلورهای فسفر سیاه با کیفیت بالا، در یک زمینه PCM جامد-جامد مبتنی بر پلی‌یورتان(PU) بود. این روش توزیع یکنواخت ‏PNFها را تضمین کرده و ثبات ساختاری و عملکرد حرارتی کامپوزیت را افزایش می‌دهد، ارائه‌دهنده یک مسیر فناوری مؤثر برای ذخیره‌سازی حرارتی خورشیدی کارآمد است(شکل 24). گائو و همکاران[140] یک چارچوب حرارتی سه‌بعدی با ترکیب نانوالیاف آرامید (ANF)و نانوصفحات گرافن (GNP)از طریق روش‌های آسیاب گلوله‌ای ایجاد کردند تا تعاملات بین‌سطحی را تقویت کنند. استفاده از روش ریختن یخ یک‌طرفه برای تولید ساختاری متخلخل و شش‌ضلعی با جهت‌گیری بالا باعث شد که ماده کامپوزیت PCM به TC برابر با W·m−1·K−1 9/3 دست یابد، که به طور قابل توجهی نرخ و ثبات شارژ و تخلیه حرارتی را افزایش داد. همچنین، استفاده از TCPCها در ماژول‌های فتوولتائیک توجه زیادی را به خود جلب کرده است. سلول‌های فتوولتائیک در حین تبدیل انرژی خورشیدی، بخش قابل توجهی از تابش خورشیدی را به عنوان حرارت از دست می‌دهند که موجب کاهش کارایی سلول‌ها می‌شود. افزودن پرکننده‌های با TC بالا و عایق الکتریکی در مواد پوششی می‌تواند دفع حرارت سلول‌های خورشیدی را به طور مؤثری افزایش دهد. 

هوانگ و همکاران[141] از نانوصفحات گرافن به عنوان پرکننده استفاده کردند و موفق شدند یک ماده کامپوزیت پلی‌وینیل بوتیرال(PVB) با TC به طور قابل توجهی افزایش یافته تولید کنند. این ماده کامپوزیت PVB حاوی  30 wt% از نانوصفحات گرافن به TC برابر با W·m−1·K−1 521/4 دست یافت که 55/20

 

شکل 24. پارچه ذخیره‌سازی حرارت خورشیدی. (الف) شمایی از آماده سازی پارچه و تصاویر SEM مربوطه. تصویر کوچک در تصاویر SEM نشان‌دهنده عکس‌های واقعی از پارچه‌های مربوطه است. (ب) ترموگرام‌های DSC  پارچه خام، پارچه‌های PCM و پارچه PCM@رزین. (ج) ترموگرام‌های TGA پارچه خام، پارچه‌های PCM و پارچه PCM@رزین. (د) تصاویر IR پارچه خام، پارچه‌های PCM و پارچه PCM@رزین قبل و بعد از 2 دقیقه تابش خورشیدی در  mW/cm280. الگوی حروف PKU در تصاویر IR پارچه‌های توسعه‌یافته پس از 2 دقیقه تابش خورشیدی است. (ه) نمودار میله‌ای نشان‌دهنده کاهش وزن پارچه پس از شستشو[139].

برابر بیشتر از PVB خالص است. به طور کلی، کاربرد TCPCها در بخش خورشیدی نه تنها کارایی سیستم‌های ذخیره‌سازی حرارتی را افزایش می‌دهد بلکه مدیریت حرارتی سلول‌های فتوولتائیک را بهینه‌سازی کرده و کارایی تبدیل و عمر آن‌ها را بهبود می‌بخشد. با ادامه پیشرفت‌های علم مواد و نانو فناوری انتظار می‌رود این مواد جدید نقش بیشتری در فناوری خورشیدی ایفا کنند و به بهره‌برداری و توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر کمک کنند.

5-4- مدیریت حرارتی شخصی

کاربرد کامپوزیت‌های ترموپلاستیک در مدیریت حرارتی شخصی روز به روز اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، زیرا ادغام آن‌ها در پارچه‌ها و لباس‌ها می‌تواند فرآیند انتقال حرارت بین بدن انسان و محیط را کارآمدتر کند و به تنظیم دما کمک کند. این کامپوزیت‌ها در این زمینه، توان بالقوه بالایی نشان می‌دهند[142]. ساختارهای متخلخل در پارچه‌ها و ترکیب الیاف و هوا نقش مهمی در هدایت حرارتی ایفا می‌کنند. در محیط‌های سرد، کامپوزیت‌هایی با هدایت حرارتی پایین به حفظ گرما کمک می‌کنند و بالعکس، در محیط‌های گرم، مواد با هدایت حرارتی بالا، عامل دفع حرارت و کاهش تنش حرارتی هستند. این ویژگی‌های چندمنظوره، پایه‌گذار توسعه لباس‌هایی هستند که با نیازهای مختلف محیطی و فعالیتی سازگارند. سونگ و همکاران یک فیلم کامپوزیت چندلایه از جنسBN-GNP/TPU  تولید کردند که از نظر ساختاری با پرکننده‌هایBN  و GNP تقویت شده بود. این فیلم دارای هدایت حرارتی بالای 86/6 وات بر متر بر کلوین با غلظت نوزده درصد وزنی BN و GNP است که نسبت به TPU خالص تقریباً سی برابر بیشتر است. پس از 5000 چرخه خمشی، هدایت حرارتی آن به 25/6 وات بر متر بر کلوین باقی ماند و بعد از 10 چرخه شستشو نیز در سطح 85/6 وات بر متر بر کلوین حفظ شد و نشانگر پایداری مکانیکی و آب‌گریزی عالی آن است که کاربردش را برای لباس‌های خنک‌کننده هوشمند بسیار مناسب می‌کند. هوانگ و همکاران[143] یک روش مستقیم برای تولید پارچه‌های الکتروریسی مبتنی بر الاستومر TPU با ویژگی‌های جانبی دوگانه پیشنهاد کردند که با استفاده از بارگذاری نانوصفحات گرافن حاصل شده است. پارچه‌های نهایی مدیریت حرارتی و کنترل رطوبت عالی داشتند و هدایت حرارتی آن‌ها معادل 307/0 وات بر متر بر کلوین بود، که مقاومت حرارتی کل را به 62/10 کلوین سانتی‌متر مربع بر وات کاهش داد. آزمایش‌های انجام شده در شرایط زمستانی نشان داد که سطح پارچه در تماس با پوست انسان 9/2 تا 1/3 درجه سانتی‌گراد گرم‌تر از پارچه‌های معمولی بود، که نشان‌دهنده عملکرد عالی دفع حرارت آن‌هاست. در نهایت، شی و همکاران[144] یک روش ساده و مقیاس‌پذیر برای تولید غشاء نانوفیبر قابل تنفس با هدایت حرارتی بالا و خواص فوق آب‌گریز توسعه دادند که هدف آن بهبود مدیریت حرارتی پارچه‌های خنک‌کننده شخصی است(شکل 25). ویژگی‌هایی از قبیل هدایت حرارتی 9/17 وات بر متر بر کلوین درون‌صفحه‌ای، نرخ انتقال بخار آب 6/11 کیلوگرم بر متر مربع در روز و زاویه تماس آب 153 درجه آن را برای نسل جدید پارچه‌های خنک‌کننده بسیار عملی و مؤثر می‌سازد. جینگ و همکاران نیز یک روش پیوند شیمیایی برای توسعه کامپوزیت‌های تغییر فاز بر پایه پلیمر انعطاف‌پذیر پیشنهاد دادند که شامل یک شبکه سه‌بعدی از کوپلیمرهای اولفینی و استایرن-اتیلن-بوتیلن-استایرن در موم پارافین است[145]. این روش خواص مکانیکی و حرارتی مواد را بهبود بخشیده و محدودیت‌های روش‌های ترکیب فیزیکی سنتی را پشت سر گذاشته است.

5-5- هوافضا

استفاده از کامپوزیت‌های تقویت شده حرارتی (TCPC)در صنعت

 

شکل 25. (الف) تنظیم آزمایشی برای ارزیابی ذخیره‌سازی/آزادسازی حرارت ماژول  F-FSPCMs. (ب) دمای سطح ماژول F-FSPCMs در طول یک چرخه ذخیره‌سازی/تخلیه حرارت (ضخامت 7 میلی‌متر). (ج) زمان نگهداری دما در ماژول F-FSPCMs  با تأمین حرارت یکسان برای ضخامت‌های 3 میلی‌متر، 5 میلی‌متر و 7 میلی‌متر. (د) چندین نوع ماژول F-FSPCMs یکپارچه و قابل حمل برای حفاظت حرارتی شخصی. (ه) تکامل دما در دستگاه عایق‌بندی مبتنی بر ماژول F-FSPCMs (ضخامت 5 میلی‌متر) که بر روی زانو در حین شارژ و تخلیه عمل می‌کند[145].

هوافضا نشانه‌ای از پیشرفت‌های چشمگیر فناوری است. این مواد نقش بسیار مهمی در طراحی و کارکرد فضاپیماها و هواپیماها به‌ویژه در مدیریت حرارت تحت شرایط دمایی بسیار متغیر دارند. مدیریت موثر حرارتی یکی از چالش‌های کلیدی مهندسی است که برای حفظ عملکرد و افزایش عمر تجهیزات فضایی ضروری می‌باشد. در این راستا، TCPCها به دلیل وزن سبک، استحکام بالا و هدایت حرارتی پیشرفته، بیش از مواد فلزی مرسوم مورد توجه قرار گرفته‌اند. این کامپوزیت‌ها با اضافه کردن موادی چون نانولوله‌های کربنی، گرافن و اکسیدهای فلزی، که با فناوری نانومتری ارتقا یافته‌اند، تقویت شده‌اند. ین امر نه تنها به بهبود انتشار حرارت کمک می‌کند، بلکه محافظت الکترومغناطیسی و مقاومت در برابر خوردگی را نیز افزایش داده و این مواد را برای کاربردهای پیچیده هوافضا بسیار مناسب ساخته است[146]. به عنوان مثال، TCPCها به طور گسترده در ساخت بدنه‌های خارجی، بال‌ها و سایر اجزای ساختاری اصلی فضاپیماها به کار می‌روند که باعث بهبود خواص مکانیکی کلی و کاهش وزن می‌شوند. در سیستم‌های مدیریت حرارتی فضاپیماها، این مواد با کارایی بالا می‌توانند تفاوت دما را که ناشی از قرارگیری یک طرف فضاپیما در معرض نور خورشید و طرف دیگر در برابر فضای سرد است، مدیریت کنند. استفاده ازTCPC مناسب تضمین می‌کند که دما متعادل بماند و از گرم شدن بیش از حد جلوگیری شود تا از خرابی تجهیزات الکترونیکی جلوگیری گردد. پیشرفت‌ها در فناوری‌های میکرو و نانو منجر به ایجاد سیستم‌های خنک‌کننده میکروسیالی و ساختارهای محصورسازی نوینی شده که کارایی مدیریت حرارتی را بیشتر افزایش می‌دهد. مطالعات نشان داده‌اند که فیلم‌های کامپوزیت با درصد بالای پرکننده می‌توانند هدایت حرارتی بسیار خوبی داشته باشند و حفاظت عالی  EMI را فراهم آورند. به عنوان نمونه، فیلم‌های کامپوزیت TPU با 30 درصد حجمی پرکننده به هدایت حرارتی 11/15 وات بر متر بر کلوین دست یافته‌اند و بیش از 29 دسی‌بل محافظت EMI ارائه داده‌اند. ریو و همکاران[147] با استفاده از الیاف کامپوزیتی پلی‌آمید آروماتیک و نانولوله‌های BN فرآیندهایی را توسعه داده‌اند که ثبات حرارتی فوق‌العاده و حفاظت موثر حرارتی نوترونی ارائه می‌دهد. در آینده، با ادامه پیشرفت‌های نانوفناوری و علم مواد، کاربردهای ‏TCPCها به مراتب افزایش خواهد یافت. این مواد نه تنها نیازهای وزنی و استحکامی فضاپیماها را برآورده می‌کنند بلکه توسعه سیستم‌های مدیریت حرارتی را نیز تسریع می‌کنند. در مجموع، توسعه ‏TCPCها نه تنها عملکرد فضاپیماها را ارتقا داده بلکه مسیر جدیدی را برای فناوری هوافضا گشوده است و ظرفیت بالای علم مواد مدرن را در شرایط خاص محیطی نشان می‌دهد.

طول عمر نانوکامپوزیت‌های پلیمری با هدایت حرارتی بالا در کاربردهای مختلف مانند الکترونیک پوشیدنی، ذخیره‌سازی انرژی، مدیریت حرارتی شخصی، انتقال حرارت، و هوافضا، تحت تأثیر عوامل مختلف محیطی، مکانیکی، حرارتی و شیمیایی قرار دارد. در ادامه به بررسی طول عمر این مواد در هر کاربرد خاص به‌صورت خلاصه پرداخته‌  می‏شود:

Ø       الکترونیک پوشیدنی⁸]121[

·       شرایط کاری: دمای پایین تا متوسط، تماس مستقیم با پوست، رطوبت، تنش‌های مکانیکی متناوب(خم شدن، کشش).

·       چالش‌ها: نیاز به انعطاف‌پذیری بالا، مقاومت در برابر تعریق و شستشو.

·       طول عمر معمول: ۶ ماه تا ۳ سال بسته به طراحی، ضخامت و کیفیت پیوند بین اجزا.

·       راهکار افزایش طول عمر: استفاده از نانوکامپوزیت‌های قابل کشش، تقویت‌شده با گرافن یاCNT  با پوشش‌های مقاوم در برابر رطوبت.

Ø       ذخیره‌سازی انرژی]130[

·       شامل: باتری‌ها، ابرخازن‌ها، سیستم‌های ماژول خنک‌کننده.

·       نیازمندی‌ها: پایداری شیمیایی بالا در محیط‌های الکترولیتی، حفظ خواص حرارتی در دماهای بالا.

·       طول عمر معمول: ۵ تا ۱۰ سال در سیستم‌های بسته صنعتی.

·       عامل تخریب: تجزیه پلیمری در دمای بالا، خرابی در فصل مشترک نانوذرات.

·       پیشنهاد: استفاده از پلیمرهای مهندسی با نانوپرکننده‌های پایدار مثل BN، ALN یا گرافن اکسید کاهش‌یافته.

Ø       سیستم‌های انتقال حرارت(TIMs) ]140[

·       عملکرد: انتقال مؤثر حرارت بین اجزای داغ مانند CPU و هیت‌سینک.

·       چالش‌ها: پایداری در چرخه‌های حرارتی متوالی، حفظ چسبندگی و عدم خشک شدن.

·       طول عمر معمول: ۳ تا ۷ سال (بسته به نوع پلیمری، سیلیکونی یا اپوکسی).

·       استاندارد ارزیابی: ASTM D5470 (برای TIM).

·       بهبود دوام: استفاده از چسب‌های هیبریدی و پرکننده‌هایی با توزیع اندازه بهینه.

Ø       مدیریت حرارتی شخصی]142[

·       مثال‌ها: لباس‌های خنک‌کننده، پارچه‌های هوشمند.

·       ویژگی‌ها: انعطاف‌پذیر، سبک، سازگار با بدن انسان.

·       طول عمر معمول: ۱ تا ۲ سال در استفاده عادی.

·       چالش‌ها: کاهش هدایت حرارتی با شستشو، جذب آلودگی.

·       بهبود دوام: استفاده از نانوکامپوزیت‌های با پوشش ضدآب و ضدباکتری.

Ø       هوافضا]146[

·       نیازمندی‌ها: پایداری در شرایط شدید حرارتی و تشعشعی، وزن سبک، مقاومت در برابر خوردگی.

·       مثال‌ها: عایق‌های حرارتی، لایه‌های محافظ در سامانه‌های فضایی.

·       طول عمر معمول: ۱۰ تا ۲۰ سال (در صورت استفاده از پلیمرهای مهندسی مانند  PEEK، PI).

·       چالش‌ها: اکسیداسیون در دمای بالا، تجزیه بر اثر UV.

·       پیشنهاد: استفاده از نانوکامپوزیت‌های با پوشش‌های مقاوم به UV و حرارت بالا(مثلاً نانوذرات سرامیکی).

5-6- سایر موارد  

TCPCها در زمینه‌های نوظهور، به ویژه در فناوری‌های حیاتی مانند مصالح ساختمانی، حمل و نقل و دستگاه‌های پزشکی به دلیل خواص حرارتی و مکانیکی استثنایی خود، پتانسیل کاربرد گسترده‌ای نشان می‌دهند. در حوزه ساخت و ساز، TCPCها به دلیل ظهور ساختمان‌های سبز و هوشمند نقش محوری برعهده دارند. این مواد در تثبیت دمای داخلی و افزایش کارآیی انرژی بسیار مؤثرند. در تولید مصالح ساختمانی عایق و رسانا، TCPCها به تنظیم توزیع حرارت داخلی در سازه‌ها کمک کرده و مصرف انرژی سیستم‌های گرمایشی، تهویه و تهویه مطبوع را کاهش می‌دهند که به صرفه‌جویی انرژی و کاهش انتشار کمک می‌کند. در بخش حمل و نقل، TCPCها پتانسیل عظیمی از خود نشان می‌دهند. سیستم‌های مدرن خودروسازی و ریلی برای تضمین ثبات و ایمنی به مدیریت حرارتی کارآمد نیاز دارند. بسیاری از اجزای اصلی این سیستم‌ها از خواص حرارتی پیشرفته کامپوزیت‌هایTCPC بهره‌مند شده و به حفظ عملکرد اجزا در دماهای بهینه کمک می‌کنند که ایمنی و کارآیی زیرساخت‌های حمل و نقل را تضمین می‌کند[148]. کاربرد‏TCPC ها در دستگاه‌های پزشکی نیز قابل ملاحظه است. بسیاری از دستگاه‌های پزشکی هنگام کار حرارت زیادی تولید می‌کنند که نیازمند راه‌حل‌های خنک‌کننده کارآمد برای اطمینان از عملکرد صحیح و ایمن دستگاه‌ها است. ‏TCPCها به تولید اجزای مؤثر مدیریت حرارتی مانند پدهای هادی و صفحات خنک‌کننده کمک کرده و دمای ثابت عملیاتی برای تجهیزات پزشکی را حفظ می‌کنند. این امر قابلیت اطمینان و عمر دستگاه‌ها را افزایش داده و ایمنی بیمار را تضمین می‌کند[149]. با پیشرفت‌های نانوفناوری و علم مواد، انتظار می‌رود TCPCها تأثیرات خود را در زمینه‌های مختلف بیشتر گسترش دهند. این مواد نه‌تنها نیازهای فناوری مدرن به خواص حرارتی بالا و استحکام مکانیکی را برآورده می‌کنند، بلکه با طراحی هوشمند، عملکرد و اطمینان دستگاه‌های مختلف را نیز بهبود می‌بخشند.

6- چشم‌انداز

با وجود پیشرفت‌های قابل توجه در فناوری کامپوزیت‌های پلیمری انتقال حرارتی(TCPC)، هنوز چالش‌های بسیاری باقی مانده است. آینده توسعه این مواد باید بر پایه کاربردهای خاص باشد و بر چندین پیشرفت کلیدی تمرکز کند. با رشد مداوم فناوری، انتظار می‌رود پرکننده‌های حرارتی جدید و کارآمد‌تر، مانند مواد دو بعدی و پرکننده‌های شبکه سه‌بعدی مثل فسفر سیاه و MXenes، توسعه یابد. این مواد به دلیل ویژگی‌های خاص هدایت حرارتی و ساختاری خود به نقاط کانونی تحقیقات تبدیل شده‌اند. با توسعه روش‌های پیشرفته و درمان سطحی، پیوند بهینه بین پرکننده‌ها و زمینه پلیمری می‌تواند منجر به افزایش کارایی هدایت حرارتی شود، که برای بسته‌بندی الکترونیکی و سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی بسیار مهم است. در آینده، طراحی TCPC‌ها احتمالاً بر بهینه‌سازی ساختارهای چند مقیاسی تمرکز خواهد داشت. کنترل دقیق پراکندگی، جهت‌گیری و ساختار شبکه پرکننده‌ها در مقیاس نانو تا ماکرو می‌تواند مسیرهای بهتری برای هدایت حرارتی ایجاد کند. بهبود هدایت حرارتی کلی نیازمند ترکیبی از روش‌های فیزیکی و شیمیایی به همراه مدل‌سازی محاسباتی و شبیه‌سازی‌ها برای طراحی بهتر مواد است. با افزایش تقاضا برای TCPC‌ها، توسعه فرآیندهای تولید کارآمد و مقرون به صرفه ضروری است. فناوری‌هایی مانند چاپ سه‌بعدی و الکتروریسی می‌توانند کمک مهمی به تولید مؤثر این مواد کنند. علاوه بر این، بهینه‌سازی پارامترهای تولید و تجهیزات برای افزایش کارایی و ثبات مواد اهمیت دارد. ‏TCPC‌های آینده باید علاوه بر انتقال حرارتی عالی دارای ویژگی‌هایی مانند عایق الکتریکی، استحکام مکانیکی و ثبات محیطی باشند. این چند عملکردی برای صنعت‌های الکترونیک و خودروسازی بسیار ضروری است. طراحی دقیق و بهینه‌سازی عملکردی می‌تواند مواد کامپوزیتی با عملکرد بالا تولید کند که نیازهای خاص کاربردی را برآورده کنند. بارگذاری زیاد پرکننده‌ها می‌تواند تجمع ایجاد کند و تأثیر منفی بر خواص مکانیکی و هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها داشته باشد. اگرچه اصلاح شبکه‌های هدایت حرارتی می‌تواند هدایت حرارتی را افزایش دهد، اما محتوای پرکننده باید بیش از 20 درصد وزنی باشد تا هدایت حرارتی مطلوب را ارائه دهد. اما این مقدار بر خواص مکانیکی اثر منفی می‌گذارد. بنابراین دستیابی به خواص مطلوب در محتوای کم پرکننده یکی از چالش‌های بزرگ است. علی‌رغم پیشرفت‌های موجود، مکانیزم‌های حرارتی ‏TCPC‌ها نیازمند بررسی دقیق‌تر هستند. در بررسی نظری این مواد کامپوزیتی، شکل‌های هدایت حرارتی ساده‌انگارانه هستند و تئوری‌های موجود عمق کافی ندارند. تحقیقات بیشتر در زمینه مکانیزم‌های حرارتی، هدایت فونون‌ها و انتقال آن‌ها در سطوح ضروری است. به طور کلی، تحقیقات در زمینه TCPC‌ها به سمت مواد کارآمدتر، هوشمندتر و سازگارتر با محیط زیست حرکت می‌کند. با کشف مواد جدید و استفاده از فناوری‌های نوین، انتظار می‌رود که این مواد کاربرد گسترده‌تری در صنایع مانند انرژی، الکترونیک و خودرو پیدا کنند و راه‌حل‌های مؤثری برای مشکلات مدیریت حرارتی ارائه دهند. نتیجه‌گیری‌ها و چشم‌اندازها نشان‌دهنده باز بودن مسیرهای تحقیقاتی جدید برای ارتقای طراحی و تولید این مواد هستند.

با توجه به وضعیت تحقیق و روند توسعه‏TCPCها، همچنین نیاز به انجام تحقیقات زیر احساس می‏شود:

1. مکانیزم هدایت حرارتی  TCPCها هنوز به طور کامل درک نشده است. برای تحلیل دقیق‌تر دلایل تشکیل شبکه حرارتی توسط پرکننده‌های حرارتی در زمینه پلیمری و افزایش هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها، نیاز به ایجاد مدل‌های نظری دقیق‌تری داریم.

2. تأثیر مقاومت حرارتی رابط بر هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها باید به طور عمیق‌تری مورد بررسی قرار گیرد. فرآیندهای انتقال انرژی و اتلاف انرژی در هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری نیز باید با ترکیب ریاضیات، کامپیوترها و نرم‌افزارهای مرتبط شبیه‌سازی شوند و مدل‌های ریاضی مربوطه ایجاد شوند.

3. هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری حرارتی ذاتی نیاز به تحقیقات بیشتری دارد، به ویژه در مورد تأثیر جهت‌گیری زنجیره‌های مولکولی بر هدایت حرارتی در این نوع کامپوزیت‌ها.

4. با توجه به نواقص موجود در روش‌های تهیه TCPCها، باید روش‌های نوآورانه، مؤثر و پیشرفته‌تری برای بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری پیشنهاد شود.

5. ‏TCPCهایی که در حال حاضر در آزمایشگاه تهیه می‌شوند، دارای هدایت حرارتی برتری هستند و حتی از مواد حرارتی تجاری نیز بهتر عمل می‌کنند. با این حال، با توجه به محدودیت‌های هزینه و فرآیند، دستیابی به تولید صنعتی دشوار است. بنابراین، باید به تحقیقات بنیادی ‏TCPCها در کاربردهای صنعتی توجه کنیم و ارتقاء محصولات صنعتی را ترویج دهیم.

باور بر این است که پس از غلبه بر این چالش‌ها، TCPCها نقش غیرقابل جایگزینی در زمینه‌های صنعت نظامی، هوافضا، هوش مصنوعی و میکروالکترونیک ایفا خواهند کرد.

7- نتیجه‌گیری‌ها

در کامپوزیت‌های پلیمری، به دست آوردن هدایت حرارتی عالی همراه با خواص جامع برتر یک چالش بزرگ است. با افزودن پرکننده‌های حرارتی به زمینه پلیمری، می‌توان یک مسیر حرارتی عالی ایجاد کرد و نرخ انتشار فونون‌ها در این مسیر افزایش می‌یابد. توانایی مدیریت حرارتی TCPCها تقویت می‌شود تا بتوانند به طور مؤثرتری در تجهیزات الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرند. پیشرفت‌های انقلابی در نانومواد و فناوری پردازش مواد، توسعه سریع انواع جدید پرکننده‌های حرارتی را ممکن ساخته و امکانات زیادی برای تهیه کامپوزیت‌های پلیمری با عملکرد بالا فراهم کرده است. در این مرور، مکانیزم هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری، عوامل مؤثر بر هدایت حرارتی آن‌ها و روش‌های مختلف برای بهبود قابلیت هدایت حرارتی این کامپوزیت‌ها بررسی شد. همچنین برخی مدل‌های نظری سیستم‌های هدایت حرارتی، روش‌های شبیه‌سازی مختلف برای تحلیل فرآیند هدایت حرارت و کاربرد ‏TMMها معرفی شده است. بر این اساس، نتایج اصلی زیر قابل استخراج است:

1. انتقال فونون مکانیزم اصلی هدایت حرارتی در پلیمرها است. زنجیره‌های پلیمری نامنظم و تعاملات ضعیف بین مولکولی می‌توانند منجر به پراکندگی شدید فونون‌ها و مانع از انتقال آن‌ها شوند که این امر دلیل هدایت حرارتی ضعیف پلیمرها است. پرکننده‌های مبتنی بر کربن، پرکننده‌های مبتنی بر گرافیت، پرکننده‌های غیرآلی و فلزی و پرکننده‌های ترکیبی دارای هدایت حرارتی بالایی هستند. مهم‌ترین روش برای بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری، ساخت مسیر انتقال فونون‌ها در زمینه پلیمری با استفاده از پرکننده‌های حرارتی است.

2. عوامل متعددی بر هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها تأثیر می‌گذارند، از جمله نوع پرکننده، اندازه و شکل آن، پراکندگی و توزیع پرکننده در زمینه و محتوای پرکننده. با استفاده از روش‌های فیزیکی و شیمیایی مختلف می‌توان شبکه‌های حرارتی را برای بهبود هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها در زمینه پلیمری ایجاد کرد.

3. بر اساس اشکال و انواع مختلف پرکننده‌ها، مدل‌های نظری که می‌توانند با نتایج تجربی سازگار باشند، پیشنهاد شده‌اند و این مدل‌ها به تدریج در حال تکامل هستند. بر اساس این مدل‌ها، می‌توان کامپوزیت‌ها را بهتر تحلیل و کاربردی کرد. با این حال، با افزایش روش‌های تهیه ‏TCPCها و تنوع بیشتر در انواع پرکننده‌ها و زیرلایه‌ها، لازم است که در آینده مدل‌های نظری جدید و مناسب‌تری ارائه شود. علاوه بر مدل‌های نظری، ضروری است که روش‌های مختلفی برای شبیه‌سازی هدایت حرارتی کامپوزیت‌ها هنگام مطالعه مکانیزم هدایت حرارتی و هدایت حرارتی ایجاد شود. در این میان، مدل دینامیک مولکولی و تحلیل المان محدود ANSYS  دو روش رایج هستند. نتایج شبیه‌سازی باید با نتایج تجربی ترکیب شوند تا هدایت حرارتی و عملکرد حرارتی کامپوزیت‌های پلیمری به طور بهتری تحلیل شود.

4. با ورود به عصر  5Gو کوچک سازی، قدرت بالا و ادغام بالا در دستگاه‌های الکترونیکی، حرارت انباشته شده در مدار به شدت بر عملکرد و عمر آن‌ها تأثیر می‌گذارد، بنابراین بسیار ضروری است که‏TCPC ها در‏TIMها به کار روند. ‏TIMها در CPU برخی از گوشی‌های هوشمند یا کامپیوترها برای برآورده کردن نیازهای دفع حرارت دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند. در توسعه آینده دستگاه‌های الکترونیکی، تحقیق در مورد ‏TIMها کانون توجه دانشمندان خواهد بود.

منابع

1.       J.S. Kang, M. Li, H. Wu, H. Nguyen, Y. Hu, Science, 361, 575-578(2018).

2.       S. Wang, Y. Liu, Y. Guo, Y. Lu, Y. Huang, H. Xu, D. Wu, J. Sun, Mater. Today Commun., 25,  101206(2020).

3.       S. Li, Q. Zheng, Y. Lv, X. Liu, X. Wang, P.Y. Huang, D.G. Cahill, B. Lv, Science, 361, 579-581(2018).

4.       W. Si, J. Sun, X. He, Y. Huang, J. Zhuang, J. Zhang, V. Murugadoss, J. Fan, D. Wu, Z. Guo, J. Mater. Chem. C., 8, 3463-3475(2020).

5.       J. Zhuang, W. Hu, Y. Fan, J. Sun, X. He, H. Xu, Y. Huang, D. Wu, Microsyst. Technol., 25, 381-388(2019).

6.       N. Song, D. Jiao, S. Cui, X. Hou, P. Ding, L. Shi, ACS Appl. Mater. Interfaces., 9, 2924-2932(2017).

7.       Y. Li, X. Tian, W. Yang, Q. Li, L. Hou, Z. Zhu, Y. Tang, M. Wang, B. Zhang, T. Pan, Chem. Eng. J., 358, 718-724(2019).

8.       C.-R. Yang, C.-D. Chen, C. Cheng, W.-H. Shi, P.-H. Chen, T.-P. Teng, Int. J. Therm. Sci., 155, 106431(2020).

9.       D. Wu, J. Sun, Y. Liu, Z. Yang, H. Xu, X. Zheng, P. Gou, Polym. Eng. Sci., 57, 268-274(2017).

10.       X. Chen, J.S.K. Lim, W. Yan, F. Guo, Y.N. Liang, H. Chen, A. Lambourne, X. Hu, ACS Appl. Mater. Interfaces., 12, 16987-16996(2020).

11.       D. Zhang, H. Yang, J. Pan, B. Lewis, W. Zhou, K. Cai, A. Benatar, L.J. Lee, J.M. Castro, Compos. B: Eng., 182, 107646(2020).

12.       N. Burger, A. Laachachi, M. Ferriol, M. Lutz, V. Toniazzo, D. Ruch, Prog. Polym. Sci. 61, 1-28(2016).

13.       Y. Guo, K. Ruan, X. Shi, X. Yang, J. Gu, Compos. Sci. Technol., 193, 108134(2020).

14.       Y. Zhang, Y.-J. Heo, Y.-R. Son, I. In, K.-H. An, B.-J. Kim, S.-J. Park, Carbon, 142, 445-460(2019). 

15.       Y. Guo, Z. Lyu, X. Yang, Y. Lu, K. Ruan, Y. Wu, J. Kong, J. Gu, Compos. B: Eng., 164, 732-739(2019).

16.       G.-H. Kim, D. Lee, A. Shanker, L. Shao, M.S. Kwon, D. Gidley, J. Kim, K.P. Pipe, Nat. Mater., 14, 295-300(2015).

17.        J. Gu, C. Xie, H. Li, J. Dang, W. Geng, Q. Zhang, Polym. Compos., 35, 1087-1092(2014).

18.       Y. Su, J.J. Li, G.J. Weng, Carbon, 137, 222-233(2018).

19.       A. Oluwalowo, N. Nguyen, S. Zhang, J.G. Park, R. Liang, Carbon, 146, 224-231(2019).

20.       H. Ma, B. Gao, M. Wang, Z. Yuan, J. Shen, J. Zhao, Y. Feng, J. Mater. Sci., 56, 1064-1086(2021).

21.       M.G. Rasul, A. Kiziltas, B. Arfaei, R. Shahbazian-Yassar, NPJ 2D Mater Appl., 5, 56(2021).

22.       Y. Liu, M. Lu, K. Wu, S. Yao, X. Du, G. Chen, Q. Zhang, L. Liang, M. Lu, Compos. Sci. Technol., 174, 1-10(2019).

23.       G. Fugallo, A. Cepellotti, L. Paulatto, M. Lazzeri, N. Marzari, F. Mauri, Nano Lett., 14, 6109-6114(2014).

24.       J. Li, Y. Xiong, X. Wang, S. Yan, C. Yang, W. He, J. Chen, S. Wang, X. Zhang, S. Dai, Mater. Sci. Eng. A, 626, 400-405(2015).

25.       B. Shen, W. Zhai, W. Zheng, Adv. Funct. Mater., 24, 4542-4548 (2014).

26.       N. Song, D. Cao, X. Luo, Q. Wang, P. Ding, L. Shi, Compos. - A: Appl. Sci., 135, 105912(2020).

27.       E. Pop, D. Mann, Q. Wang, K. Goodson, H. Dai, Nano Lett., 6, 96-100(2006).

28.       H. Chen, V.V. Ginzburg, J. Yang, Y. Yang, W. Liu, Y. Huang, L. Du, B. Chen, Prog. Polym. Sci., 59, 41-85(2016). 

29.       B. Guo, Z. Tang, L. Zhang, Prog. Polym. Sci., 61, 29-66(2016).

30.       B.-H. Xie, X. Huang, G.-J. Zhang, Compos. Sci. Technol., 85, 98-103(2013).

31.       B. Liu, Y. Li, T. Fei, S. Han, C. Xia, Z. Shan, J. Jiang, Chem. Eng. J., 385, 123829(2020).

32.       Z. Zeng, T. Sun, J. Zhu, X. Huang, Z. Yin, G. Lu, Z. Fan, Q. Yan, H.H. Hng, H. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 51, 9052-9056(2012).

33.       X. Liu, Y. Gao, Y. Shang, X. Zhu, Z. Jiang, C. Zhou, J. Han, H. Zhang, Polymer, 203, 122763(2020).

34.       Y. Ouyang, G. Hou, L. Bai, B. Li, F. Yuan, Compos. Sci. Technol., 165, 307-313(2018).

35.       K. Zhao, G. Liu, W. Cao, Z. Su, J. Zhao, J. Han, B. Dai, K. Cao, J. Zhu, Polymer, 206, 122885(2020).

36.        C. Fu, C. Yan, L. Ren, X. Zeng, G. Du, R. Sun, J. Xu, C.-P. Wong, Compos. Sci. Technol., 177, 118-126(2019).

37.       T. Xu, S. Zhou, S. Cui, N. Song, L. Shi, P. Ding, Compos. B: Eng., 178, 107495(2019).

38.       H. Sun, N. Deng, J. Li, G. He, J. Li, J. Mater. Sci. Technol., 61, 93-99(2021).

39.       Y. Guo, K. Ruan, X. Yang, T. Ma, J. Kong, N. Wu, J. Zhang, J. Gu, Z. Guo, J. Mater. Chem. C., 7, 7035-7044(2019).

40.       J. Chang, Q. Zhang, Y. Lin, C. Zhou, W. Yang, L. Yan, G. Wu, ACS Appl. Mater. Interfaces., 10, 38350-38358(2018).

41.       C. Teng, L. Su, J. Chen, J. Wang, Compos. - A: Appl. Sci. Manuf., 124, 105498(2019).

42.       S. Yuan, J. Bai, C.K. Chua, J. Wei, K. Zhou, Compos. - A: Appl. Sci. Manuf., 90, 699-710(2016).

43.        Z. Lule, J. Kim, Compos. - A: Appl. Sci. Manuf., 124, 105506(2019).

44.       Y. Sohn, T. Han, J.H. Han, Carbon, 149, 152-164(2019).

45.       X. Wang, C. Zhang, T. Zhang, C. Tang, Q. Chi, J. Che. Phys., 160, 15 (2024).

46.       X. Wang, P. Wu, ACS Appl. Mater. Interfaces., 9 23, 19934-19944(2017).

47.       A. Giri, P.E. Hopkins, Adv. Funct. Mater., 30 (2019).

48.       S.M. Ha, H.L. Lee, S.-G. Lee, B.G. Kim, Y.S. Kim, J.C. Won, W.J. Choi, D.C. Lee, J. Kim, Y.T. Yoo, Compos. Sci. Technol., 88, 113-119(2013).

49.       F. Zhang, K. Fan, F. Saba, J. Yu, Carbon, 169, 416-428(2020).

50.       C. Liang, H. Qiu, Y. Han, H. Gu, P. Song, L. Wang, J. Kong, D. Cao, J. Gu, J. Mater. Chem. C., 7, 2725-2733(2019).

51.       X. Wang, P. Wu, ACS Appl. Mater. Interfaces., 11, 21946-21954(2019).

52.       Y. Zhang, J.R. Choi, S. Park, Compos. - A: Appl. Sci. Manuf., 109, 498(2018).

53.       Y. Guo, X. Yang, K. Ruan, J. Kong, M. Dong, J. Zhang, J. Gu, Z. Guo, ACS Appl. Mater. Interfaces., 11, 25465-25473(2019).

54.        C. Ji, C. Yan, Y. Wang, S. Xiong, F. Zhou, Y. Li, R. Sun, C.-P. Wong, Compos. B: Eng., 163. 363-370(2019).

55.       H. Liu, S. Gu, H. Cao, X. Li, Y. Li, Compos. Commun., 19, 25-29(2020).

56.       W. Chen, K. Wu, Q. Liu, M. Lu, Polymer, 186, 122075(2020).

57.       C. Du, M. Cao, M. Li, H. Guo, R. Liu, B. Li, Compos. Sci. Technol., 192. 108106(2020).

58.       B. Yang, Y. Pan, Y. Yu, J. Wu, R. Xia, S. Wang, Y. Wang, L. Su, J. Miao, J. Qian, Polym. Test., 89, 106575(2020).

59.       S. Gong, X. Cheng, Y. Li, X. Wang, Y. Wang, H. Zhong, Powder Technol,, 367, 32-39(2020).

60.       C. Li, L.-Y. Tan, X.-L. Zeng, D.-L. Zhu, R. Sun, J.-B. Xu, C.-P. Wong, Compos. Sci. Technol., 188, 107970(2020).

61.       J. He, H. Wang, Q. Qu, Z. Su, T. Qin, Y. Da, X. Tian, Mater. Today Commun., 25, 101584(2020).

62.       M. Ma, L. Xu, L. Qiao, S. Chen, Y. Shi, H. He, X. Wang, Chem. Eng. J., 392, 123714(2020).

63.       X. He, Y. Wang, Ind. Eng. Chem. Res., 59, 1925-1933(2020).

64.       H.-Y. Wang, Y.-b. You, J.-W. Zha, Z.-M. Dang, Compos. Sci. Technol., 200, 108405(2020).

65.       R. Wang, C. Xie, S. Luo, H. Xu, B. Gou, L. Zeng, Mater. Today Commun., 24, 100985(2020).

66.       X. Wang, P. Wu, ACS Appl. Mater. Interfaces., 10, 34311-34321(2018).

67.       M.K. Smith, V. Singh, K. Kalaitzidou, B.A. Cola, ACS Appl. Mater. Interfaces., 8, 14788-14794(2016).

68.        S. Moradi, Y. Calventus, F. Román, J.M. Hutchinson, Polymers, 11, 1156(2019).

69.       H. Guo, Q. Wang, J. Liu, C. Du, B. Li, Appl. Surf. Sci., 487, 379-388(2019).

70.       B. Anis, H. El Fllah, T. Ismail, W.M. Fathallah, A. Khalil, O. Hemeda, Y.A. Badr, J. Mater. Res. Technol., 9, 2934-2945(2020).

71.       Z.-G. Wang, Y.-L. Yang, Z.-L. Zheng, R.-T. Lan, K. Dai, L. Xu, H.-D. Huang, J.-H. Tang, J.-Z. Xu, Z.-M. Li, Compos. Sci. Technol., 194, 108190(2020).

72.       X. He, Y. Huang, Y. Liu, X. Zheng, S. Kormakov, J. Sun, J. Zhuang, X. Gao, D. Wu, J. Mater. Sci., 53, 14299-14310(2018).

73.       H. Zhang, X. Zhang, D. Li, X. Yang, D. Wu, J. Sun, Compos. Commun., 22, 100509(2020).

74.       H. Wang, L. Li, Y. Chen, M. Li, H. Fu, X. Hou, X. Wu, C.-T. Lin, N. Jiang, J. Yu, ACS Omega, 5, 1170-1177(2020).

75.       Y.-H. Zhao, Y.-F. Zhang, S.-L. Bai, X.-W. Yuan, Compos. B: Eng., 94, 102-108(2016).

76.       M. Owais, J. Zhao, A. Imani, G. Wang, H. Zhang, Z. Zhang, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 117, 11-22(2019).

77.       J. Wei, M. Liao, A. Ma, Y. Chen, Z. Duan, X. Hou, M. Li, N. Jiang, J. Yu, Compos. Commun., 17. 141-146(2020).

78.       J. Ji, S.-W. Chiang, M. Liu, X. Liang, J. Li, L. Gan, Y. He, B. Li, F. Kang, H. Du, Thermochim. Acta., 690, 178649(2020).

79.       T. Goto, T. Ito, K. Mayumi, R. Maeda, Y. Shimizu, K. Hatakeyama, K. Ito, Y. Hakuta, K. Terashima, Compos. Sci. Technol., 190, 108009(2020).

80.       F. Xu, Y. Cui, D. Bao, D. Lin, S. Yuan, X. Wang, H. Wang, Y. Sun, Chem. Eng. J., 388, 124287(2020).

81.       J. Ma, T. Shang, L. Ren, Y. Yao, T. Zhang, J. Xie, B. Zhang, X. Zeng, R. Sun, J.-B. Xu, Chem. Eng. J., 380, 122550(2020).

82.       L. Guo, Z. Zhang, M. Li, R. Kang, Y. Chen, G. Song, S.-T. Han, C.-T. Lin, N. Jiang, J. Yu, Compos. Commun., 19, 134-141(2020).

83.       C. Yu, Q. Zhang, J. Zhang, R. Geng, W. Tian, X. Fan, Y. Yao, ACS Appl. Nano Mater., 1, 4875-4883(2018).

84.       T. Ma, Y. Zhao, K. Ruan, X. Liu, J. Zhang, Y. Guo, X. Yang, J. Kong, J. Gu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 1677(2019).

85.       L. Zhao, L. Yan, C. Wei, Q. Li, X. Huang, Z. Wang, M. Fu, J. Ren, J. Phys. Chem. C, 124, 12723-12733(2020).

86.       T. Huang, Y. Li, M. Chen, L. Wu, Compos. Sci. Technol., 198, 108322(2020).

87.       X. Chen, J.S.K. Lim, W. Yan, F. Guo, Y.N. Liang, H. Chen, A. Lambourne, X. Hu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 16987(2020).

88.       J. You, H.-H. Choi, Y.M. Lee, J. Cho, M. Park, S.-S. Lee, J.H. Park, Compos. B: Eng., 164, 710 (2019).

89.       X. Wang, P. Wu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 11, 28943(2019).

90.       B. Liu, Y. Li, T. Fei, H. Shuai, C. Xia, Z. Shan, J. Jiang, Chem. Eng. J., 385, 123829 (2020).

91.       M. Li, M. Wang, X. Hou, Z. Zhan, H. Wang, H. Fu, C.T. Lin, L. Fu, N. Jiang, J. Yu, Compos. B-Eng., 184, 107746(2020).

92.       L. Xin, Y. Gao, Y. Shang, X. Zhu, Z. Jiang, Z. Chenyi, H. Jinxuan, H. Zhang, Polymer, 203, 122763 (2020).

93.       G. Xiao, J. Di, H. Li, J. Wang, Compos. Sci. Technol., 189, 108021(2020).

94.        A. Shi, Y. Li, W. Liu, J.Z. Xu, D. Yan, J. Lei, Z.M. Li, Compos. Sci. Technol., 184, 107858(2019).

95.       Z. Wang, W. Liu, Y.-H. Liu, Y. Ren, L. Yanpu, L. Zhou, J.Z. Xu, J. Lei, Z.M. Li, Compos. B-Eng., 180, 107569 (2020).

96.       X. Jia, Q. Li, C. Ao, R. Hu, T. Xia, Z. Xue, Q. Wang, X. Deng, W. Zhang, C. Lu, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 129, 105710 (2020).

97.       Q. Li, Z. Xue, J. Zhao, C. Ao, X. Jia, T. Xia, Q. Wang, X. Deng, W. Zhang, C. Lu, Chem. Eng. J., 383, 123101 (2020).

98.       Y.J. Hwang, J.M. Kim, L.S. Kim, J.Y. Jang, M. Kim, S. Jeong, J.Y. Cho, G.-R. Yi, Y.S. Choi, G. Lee, Compos. Sci. Technol., 200, 108456 (2020).

99.       M.W. Akhtar, J.S. Kim, M.A. Memon, M.M. Baloch, Compos. Sci. Technol., 195, 108183(2020).

100.       B. Hu, H. Guo, Q. Wang, W. Zhang, S. Song, X. Li, Y. Li, B. Li, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 137, 106038 (2020).

101.       Z. Liu, J. Li, X. Liu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 6503-6515(2020).

102.       Y. Ouyang, X. Li, F. Ding, L. Bai, F. Yuan, Compos. Sci. Technol., 190, 108019(2020).

103.       Y. Han, X. Shi, X. Yang, Y. Guo, J. Zhang, J. Kong, J. Gu, Compos. Sci. Technol., 187, 107944(2020).

104.       B. Wu, R. Chen, R. Fu, S. Agathopoulos, X. Su, H. Liu, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 137, 105993(2020).

105.       C. Li, B. Liu, Z. Gao, H. Wang, M. Liu, S. Wang, C. Xiong, J. Appl. Polymer Sci., 135, 46454(2018).

106.       R. Yan, F. Su, L. Zhang, C. Li, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 125, 105496(2019).

107.       C. Xiao, L. Chen, Y. Tang, X. Zhang, K. Zheng, X. Tian, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 124, 105511 (2019).

108.       Y. Yuan, Z. Li, L. Cao, B. Tang, S. Zhang, Ceram. Int., 45, 16569-16576(2019).

109.       C. Guan, Y. Qin, L. Li, M. Wang, C.-T. Lin, X. He, K. Nishimura, J. Yu, J. Yi, N. Jiang, Compos. B: Eng., 198, 108167(2020).

110.       M.C. Vu, W.-K. Choi, S.G. Lee, P.J. Park, D.H. Kim, M.A. Islam, S.-R. Kim, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 23388-23398 (2020).

111.       M.C. Vu, N.A.T. Thieu, W.K. Choi, M.A. Islam, S.-R. Kim, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 138, 106028 (2020).

112.       Z. Wei, W. Xie, B. Ge, Z. Zhang, W. Yang, H. Xia, B. Wang, H. Jin, N. Gao, Z. Shi, Compos. Sci. Technol., 199, 108304(2020).

113.       M. Liu, S.-W. Chiang, X. Chu, J. Li, L. Gan, Y. He, B. Li, F. Kang, H. Du, Ceram. Int., 46, 20810-20818(2020).

114.       K. Zhang, P. Tao, Y. Zhang, X. Liao, S. Nie, Carbohydr. Polym., 213, 228-235(2019).

115.        C. Ji, Y. Wang, Z. Ye, L. Tan, D. Mao, W. Zhao, X. Zeng, C. Yan, R. Sun, D.J. Kang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 24298-24307(2020).

116.       C. Yan, T. Yu, C. Ji, D.J. Kang, N. Wang, R. Sun, C.P. Wong, Adv. Electron. Mater., 5, 1800548(2019).

117.       T. Ha, D.-G. Kim, J.-W. Ka, Y.S. Kim, W.-G. Koh, H.S. Lim, Y. Yoo, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 138, 106045 (2020).

118.       Y. Wang, W. Wu, D. Drummer, C. Liu, W. Shen, F. Tomiak, K. Schneider, X. Liu, Q. Chen, Mater. Des., 191, 108698 (2020).

119.       M.C. Vu, Q.-V. Bach, D.D. Nguyen, T.S. Tran, M. Goodarzi, Compos. B: Eng., 175, 107105 (2019).

120.       X. Xu, J. Zhou, J. Chen, Adv. Funct. Mater., 30, 1904704 (2020).

121.       Y. Wen, C. Chen, Y. Ye, Z. Xue, H. Liu, X. Zhou, Y. Zhang, D. Li, X. Xie, Y.-W. Mai, Adv. Mater., 34 (2022).

122.       C. Xiao, Y. Tang, L. Chen, X. Zhang, K. Zheng, X. Tian, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 121, 330(2019).

123.        R. Yan, F.-j. Su, L. Zhang, C. Li, Compos. A: Appl. Sci. Manuf., 220, 67(2019).

124.       J. Liu, H. Feng, J. Dai, K. Yang, G. Chen, S. Wang, D. Jin, X. Liu, Chem. Eng. J., 469, 143963 (2023).

125.       M.-D. Li, X.-Q. Shen, X. Chen, J.-M. Gan, F. Wang, J. Li, X.-L. Wang, Q. Shen, Nat. Commun., 13 (2022).

126.       Q. Ma, X. Wang, Y. Chen, L. Chen, L. Zhang, X. Zhao, N. Bing, W. Yu, H. Xie, ACS Appl. Nano Mater., 6, 14733 (2023).

127.       H.-B. Chen, Y. Ding, G. Zhu, Y. Liu, Q. Fang, X. Bai, Y. Zhao, X. Li, X. Huang, T. Zhang, B. Li, B. Sun, npj Flex. Electron., 7, 1-9(2023).

128.       K. Ruan, Y. Guo, J. Gu, Macromolecules, 54, 4934-4944(2021).

129.       H. Yu, C. Chen, J. Sun, H. Zhang, Y. Feng, M. Qin, W. Feng, Nanomicro Lett., 14 (2022).

130.       A.U. Application, H. Agobi, T.O. Louis, P.M. Magu, J. Dass, Chem. Rev., 1, 19(2019).

131.       Q. Huang, X. Li, G. Zhang, J. Deng, C. Wang, Appl. Therm. Eng., 183, 116151 (2021).

132.       H. Guo, H. Zhao, H. Niu, Y. Ren, H. Fang, X. Fang, R. Lv, M. Maqbool, S. Bai, ACS Nano, 15, 6917 (2021).

133.       G. Cheng, Z. Wang, X. Wang, Y. He, Appl. Energy, 322, 119509 (2022).

134.       X. Yin, L. Wang, Y. Kim, N. Ding, J. Kong, D. Safanama, Y. Zheng, J. Xu, D.V.M. Repaka, K. Hippalgaonkar, S.W. Lee, S. Adams, G.W. Zheng, Adv. Sci., 7 (2020).

135.       J. Chen, Y. Zhou, X. Huang, C. Yu, D. Han, A. Wang, Y. Zhu, K. Shi, Q. Kang, P. Li, P. Jiang, X.H. Qian, H. Bao, S. Li, G. Wu, X. Zhu, Q. Wang, Nature, 615, 62-66(2023).

136.       F.S. Hwang, T. Confrey, C. Reidy, D. Picovici, D. Callaghan, D. Culliton, C. Nolan, Renew. Sustain. Energy Rev., 225, 120248 (2024).

137.       Y. Lin, Q. Kang, Y. Liu, Y. Zhu, P. Jiang, Y.-W. Mai, X. Huang, Nano-Micro Lett., 15 (2023).

138.       P. Li, X. Huang, Thermally conductive polymer composites for high voltage insulation, 22nd International Symposium on High Voltage Engineering (ISH 2021), 2021 (2021) 30-37.

139.       W. Aftab, M.S. Khurram, J. Shi, H. Tabassum, Z. Liang, A. Usman, W. Guo, X. Huang, W. Wu, R. Yao, Q. Yan, R. Zou, Energy Storage Mater., 32,  199-207(2020).

140.       J. Gao, G. Han, J. Song, C. He, J. Hu, W.H. Wang, Y. Feng, C. Liu, Mater. Today Phys., 27, 100811 (2022).

141.       X. Huang, Y. Lin, G. Fang, Sol. Energy, 161,  187-193(2018).

142.       X. Zhang, X. Chao, L. Lou, J. Fan, Q. Chen, B. Li, L. Ye, D. Shou, Compos. Commun., 100595(2020).

143.        X. Huang, Z. Li, Y. Li, X. Wu, C. Liu, H. Xie, W. Yu, ACS Appl. Nano Mater., 7, 8229(2024).

144.       X. Yu, Y. Li, X. Wang, Y. Si, J. Yu, B. Ding, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 32078 (2020).

145.       Y. Jing, Z. Zhao, X. Cao, Q. Sun, Y. Yuan, T. Li, Nat. Commun., 14, 8060 (2023).

146.        Y.-G. Lv, Y.-G. Lv, Y. Wang, T. Meng, Q. Wang, W.-X. Chu, Energy Storage and Saving, 3, 153(2024).

147.        K.H. Ryu, M. Kang, J. Kim, N.-H. You, S.G. Jang, K.U. Jeong, S. Ahn, D.Y. Kim, Adv. Fiber Mater., 6, 1509(2024).

148.        A. Verma, Appl. Sci. Eng. Progress, 15, 5727(2022).

149.        C. Zhang, Y. Li, W. Kang, X. Liu, Q. Wang, Sus. Mat, 1, 127 - 147 (2021).

 

 

---

[1]  Thermal Interface Materials

[2]  Thermal Conductive Polymer Composites

[3]  Interfacial Thermal Resistance

[4]  Alignment and Percolation

[5]  Thermal percolation networks

[6]   Tunnel Magnetoresistance

[7]  Phase Change Material

[8]  Wearable Electronics

Review of polymer nanocomposites with high thermal conductivity and their applications

        Majid Mirzaee*, Majid Rezaei Abadchi, Alimorad Rashidi

Abstract: The rapid accumulation and dissipation of heat in electronic equipment and related sectors are among the main limiting factors for miniaturization and power enhancement of these devices. This significantly affects the performance and lifespan of electronic devices. Therefore, improving the thermal conductivity of polymer composites (TCPCs)is the primary solution to this problem. Unlike producing polymer composites with inherent thermal conductivity, filling the polymer matrix with thermally conductive fillers can more effectively enhance the thermal conductivity of the composites. This article begins by reviewing the mechanism of thermal conductivity and describes the factors that influence the thermal conductivity of polymer composites, including the type and morphology of the filler, the distribution method, and the functionalization of the fillers. Finally, the applications are described, and the challenges and future of TCPCs are reviewed.

Non-Metallic Materials Research Group, Niroo Research Institute, P. O. Box: 14665517, Tehran, Iran

Keywords: Nanocomposite, Polymer, Thermal Conductivity, Filler.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

https://doi.org/10.71508/crn.2024.140402171206075

        

تاریخ دریافت : 17/2/۱404         سال سوم | شماره 4 | زمستان ۱403                20

تاریخ پذیرش : 9/3/۱404

---