【科研进展】复合材料中的热输运问题

Enhancement of thermal percolation in composites:A two-dimensional case study

研究背景

相变是自然界广泛存在的物理过程。当系统内一种倾向盖过另一种倾向时所发生的突变称为相变。而控制相变发生的参数决不限于温度。几何结构的变化也会导致相变的发生。复合材料中的输运问题就属于典型的几何相变问题。在Maxwell Garnett理论和Bruggeman 理论的基础上研究拓展而来的有效介质理论就对应着相变问题中的平均场理论。当填料的体积分数还未达到临界点（逾渗阈值）时，有效介质理论通过一个“平均了的场”来代替其他粒子对某一特定粒子的作用，从而把多体问题简化为单体问题，进而给出复合材料的输运性质。正如平均场理论在相变临界点附近遇到禁区一样，有效介质理论也难以逾越几何相变临界点附近的奇峰。在几何相变临界点附近，复合材料的性质将由填料的长程关联性决定，即由最大团簇的结构决定。当最大团簇横跨复合材料的两端时，复合材料内部出现逾渗现象。

复合材料中的电逾渗现象早已被证实并被广泛研究[Appl. Phys. Lett.110, 113102 (2017)]。然而，由于填料间界面热阻的影响，复合材料中的热逾渗现象一直被忽视，甚至被认为不存在[Adv. Mater.30, 1705544 (2018)]。引入电子作为热载流子可以有效地降低填料间的界面热阻，继而促进热逾渗的发生[Appl. Phys. Lett.113, 041902 (2018)]。然而，电绝缘在某些领域中是必不可少的，例如电子封装领域。该情况下可以利用逾渗阈值与填料长径比的依赖关系，来构建一种金属不完全包覆非金属填料的结构，进而调和复合材料高导热与电绝缘之间的矛盾[Appl. Phys. Lett.119, 211602 (2021)]。由于现有逾渗框架中逾渗网络与基底热交换的缺失，致使单纯的热逾渗网络不足以完整地描述复合材料中的热输运问题，因此需要更为全面地研究来完整地阐述复合材料的热输运行为。

文章概述

当复合材料内基底与填料间的本征输运性质存在巨大差异时，由填料构建的逾渗网络将完全主导复合材料的输运性质。而当复合材料内各组分间的本征输运性质相差不大时，基底的输运性质及其与逾渗网络间的相互作用将不容忽视。特别是在考虑热逾渗现象时，基底、游离团簇、填料死端以及逾渗网络将共同决定复合材料的热输运性质。通过数值计算，可以将复合材料的热输运通道归纳为三类通道，即逾渗网络通道、基底通道以及拓展网络通道。拓展网络通道主要由基底薄层、游离团簇、填料死端以及逾渗网络构成。该通道在基底与逾渗网络间扮演沟通角色，代表基底与逾渗网络间的相互作用，并将本不属于逾渗网络的游离团簇以及填料死端均囊括在内，进而有效地拓展了热逾渗网络。这三个通道的相互作用完整而清晰的描述了复合材料中的热输运问题，进而提供了一个全新理论框架来研究复合材料的热输运问题。

Jinxin Zhong, Qing Xi, Hongjie Jin, Ziqi Wang, Dengke Ma, Jun Liu, and Jun Zhou, Enhancement of thermal percolation in composites: a two-dimensional case study. Appl. Phys. Lett. 121, 162201 (2022).

https://doi.org/10.1063/5.0093038

图文导读

图1. 复合材料中热输运行为的原理图及其部分结果图

总 结

拓展网络通道展现出强大的热输运能力，有效地拓展了热逾渗网络。但游离团簇以及填料死端对热逾渗现象的调控作用还需进一步理解与发掘。

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文献信息：Jinxin Zhong, Qing Xi, Hongjie Jin, Ziqi Wang, Dengke Ma, Jun Liu, and Jun Zhou, Enhancement of thermal percolation in composites: a two-dimensional case study. Appl. Phys. Lett. 121, 162201 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0093038

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编辑｜丁亚飞

公众号｜rezhi2021