热管理瓶颈与高填充困境：随着高功率电子器件的迅猛发展，热界面材料（TIMs）在热循环下的长期可靠性已成为决定器件寿命的核心挑战。传统追求高导热的高负载填充策略面临严峻的三难困境：填料含量的增加会导致体系粘度剧增、体相模量激增，难以实现界面的保形贴合，反而会显著升高接触热阻。同时TIMs深陷顺应性与稳固性的内在矛盾：未交联的导热硅脂初始界面热阻低，但在热循环应力下极易发生不可逆的泵出失效；而高度交联的导热垫虽能抵抗泵出，却因缺乏顺应性导致高接触热阻。突破这一瓶颈的底层科学难题在于：如何将界面的声子传输路径与体相基体的粘弹性响应进行有效解耦。

  为了攻克这一材料科学难题，华中科技大学瞿金平院士与卢翔教授团队提出了一种基于共价锚定杂化网络反应诱导自组装的分子设计策略。该工作依托偏心转子密炼机，利用其特有的拉伸正应力场实现了高达90 wt%填料在聚合物基体中的高效解团聚与均匀分散。在此基础上，通过表面改性将氨基功能化的氧化铝（A-Al?O?）转化为活性的、多功能的“分子铆钉”。在聚脲-硅氧烷拓扑结构的化学构建中，异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）严格作为双官能度扩链剂，构筑了代表硬段的短分子链段。此时，IPDI残余的异氰酸酯基团（-NCO）与无机粒子表面的高密度氨基（-NH?）发生共价偶联，成功将A-Al?O?粒子转化为杂化网络中的多维共价交联节点。这种独特的设计在分子层面上构建了由富含氢键的聚脲硬段、柔顺的硅氧烷软段以及无机粒子节点共同组成的互穿型网络拓扑结构。该架构在热力学上消除了无机/有机界面的不匹配，通过共价锚定大幅降低了声子在界面处的散射；同时在流变学上，以高迁移率的硅氧烷长链作为软段桥接“硬段节点”与粒子节点，确保了材料即使在高达90 wt%的填料负载下，依然能够通过聚合物链段的构象重排来耗散能量，保持类似硅脂的优异顺应性。

  相关研究以Breaking the Performance-Reliability Trade-OFF: Molecularly Anchored Topology for Efficient and Durable Interface Thermal Management为题发表在Advanced Functional Materials上。

Scheme 1. 导热凝胶的关键性能特征、底层机制及应用示意图。

  在综合性能的评估中，该分子锚定凝胶相较于传统物理混合体系，在流变加工性、力学顺应性与导热效能方面均表现出明显的提升。该体系具有温度依赖性的凝胶化特征，在室温（20 °C）下保持较低粘度以提供良好的涂覆加工性，而在加热至50 °C后可完成交联固化 (图1)，形成具有较低杨氏模量（0.43 MPa）与较高断裂伸长率（74%）的交联网络。同时，由于网络中存在丰富的极性基团（如脲基键合、多价氢键及金属络合作用），该材料对金属（以铁为例，粘附强度约186 kPa）、半导体及聚合物等多种基底展现出良好的界面粘附能力，这有助于降低实际应用中界面分层与脱落的风险(图2)。

图1 导热凝胶的化学结构以及流变性能

图2 导热凝胶的力学性能以及黏附性能

  在热学性能方面，研究团队通过引入粒径级配策略，在90 wt%的填充量下构建了较为连续的无机-有机杂化声子渗流骨架，获得了3.94 W·m?1·K?1的体相热导率；并且，其适宜的应力耗散能力能够较好地顺应发热组件界面的微观形貌，实现了0.78 K·cm2·W?1的界面接触热阻。

图3 导热凝胶的实际服役评估

  进一步的长效可靠性测试表明（图3），这种基于共价锚定的拓扑结构有效抑制了电子封装中常见泵出失效现象。在长期的加热-冷却热循环测试中，商业导热硅脂常因游离分子的迁移导致界面干涸，接触热阻逐渐升高，器件运行温度不断攀升（本测试中约升高5 °C）。相比之下，新型导热凝胶凭借交联网络有效限制了基体高分子链与填料的大规模滑移与迁移，表现出良好的结构稳定性，热循环期间器件温度波动极小（ΔT < 0.5 °C）。这一结果表明，该结构设计有效缓解了非交联硅脂易泵出与高交联导热垫高接触热阻之间的固有矛盾，为开发兼顾高导热与长效可靠性的新型热界面材料提供了严谨的科学参考。论文第一作者是华中科技大学化学与化工学院朱传彪博士，论文共同通讯作者为华中科技大学化学与化工学院卢翔教授和瞿金平院士。

  本文基于团队自主研发的偏心转子密炼机产生的体积脉动拉伸流场，充分发挥该流场在克服高填充流变壁垒与强制解团聚方面的物理分散优势，结合界面作用调控与聚合物拓扑设计的协同优化，实现了高填充体系中填料的有效分散与导热网络构筑。在此基础上，实现了TIMs高导热、低热阻与长期稳定性的兼顾，为先进TIMs设计提供了科学参考。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.76514

瞿金平院士华科大团队介绍

  华中科技大学瞿金平院士团队自2019年组建至今，主要围绕分子设计与精准绿色合成、化工过程强化与系统集成、化学产品工程与高端应用开展相关研究工作。团队与国内外众多高校、研究机构和企业保持密切合作，目前在研纵向和横向项目多项，拥有一批先进的高分子材料合成、加工和测试表征仪器设备，具备完善的研究设施和科研条件。团队常年招收硕士研究生、博士研究生、科研助理、机械工程师和博士后 (联系邮箱 luxiang@hust.edu.cn)。

  卢翔，男，博士，华中科技大学教授、博士生导师，国家级青年人才。围绕电子器件散热、电池热管理、人体热管理、建筑节能、低品位废热高效转化利用、太阳热能存储等国家重大战略需求，主要从事热传导、热辐射、热存储、热电转化等热管理复合材料的设计、高效制备及应用研究。近五年，在Adv Mater等期刊发表SCI论文100余篇，获授权发明专利18件，2件实现成果转化。主持国家自然科学基金面上项目2项、青年项目1项，国家重点研发计划课题1项企业委托产学研合作项目多项。任中国复合材料学会导热复合材料分会副秘书长，中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会理事，中国复合材料学会纳米复合材料分会委员，中国复合材料学会电磁复合材料分会委员，中国塑料加工工业协会专家委员会委员。