综述：聚合物-陶瓷纳米纤维复合材料用于散热：静电纺丝和冷冻干燥技术的全面综述

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Polymer-ceramic nanofiber composites for heat dissipation: a comprehensive review of electrospinning and freeze-drying techniques

本综述系统探讨了聚合物-陶瓷纳米纤维复合材料在电子设备散热领域的应用，重点分析了静电纺丝（Electrospinning）和冷冻干燥（Freeze-Drying）两种制备技术。文章指出，通过将陶瓷纳米纤维（如Al2O3、AlN、BeO等）嵌入聚合物基体，可显著提升材料的热导率（Thermal Conductivity）并保持电绝缘性。作者强调，三维（3D）纳米纤维网络结构能有效解决传统一维（1D）材料在厚度方向导热性不足的问题，为高性能热管理材料的设计提供了新思路。

　　

引言

随着电子设备向小型化、高功率密度发展，散热问题成为制约其性能与可靠性的关键瓶颈。金属材料虽具有高导热性（如铜的热导率达398 W/(m·K)），但导电性限制了其在精密电子元件中的应用。聚合物材料（如环氧树脂EP、聚乙烯PE）虽具备优良电绝缘性，但其热导率普遍低于0.5 W/(m·K)，难以满足高效散热需求。为解决这一矛盾，研究者通过引入陶瓷填料（如Al₂O₃、BN、SiC等）构建复合体系，但传统纳米颗粒需高填充量（>50 vol%）才能形成连续导热通路，导致材料重量增加和成本上升。

聚合物纳米复合材料的散热机制

聚合物纳米复合材料的导热性能依赖于填料网络的连通性。当陶瓷填料浓度达到渗流阈值（Percolation Threshold）时，可形成连续热传导路径。例如，球形填料需30–50 vol%的负载量，而高长径比的纳米纤维或纳米管仅需10–20 vol%即可实现类似效果。然而，填料间的界面热阻（Interfacial Thermal Resistance）会显著降低整体导热效率。通过表面功能化（如BN经聚多巴胺PDA修饰）或构建杂化填料体系（如AlN纳米线与Al₂O₃纳米颗粒协同），可优化界面结合，提升热导率。

陶瓷纳米纤维的合成技术

1. 1.
   静电纺丝技术：通过高压电场将聚合物/陶瓷前驱体溶液拉伸成纤维，再经高温煅烧获得陶瓷纳米纤维。例如，以聚乙烯醇（PVA）为模板，结合勃姆石（Boehmite）制备的Al₂O₃纳米纤维，在1200°C煅烧后热导率提升至1.3 W/(m·K)。但该方法形成的纤维多呈一维定向排列，导致面内导热性优异（如AlN/PVB复合材料达22.3 W/(m·K)），而厚度方向导热性不足（仅0.1–1.5 W/(m·K)）。
2. 2.
   冷冻干燥技术：通过低温冻结前驱体溶液，再在真空下升华溶剂，形成三维互联纳米纤维网络。例如，PVA/勃姆石溶液经冷冻干燥和热压后，α-Al₂O₃/聚氨酯（PU）复合材料在厚度方向热导率显著提高至15.6 W/(m·K)，克服了静电纺丝的各向异性局限。

典型陶瓷纳米纤维的性能对比

材料体系	制备工艺	面内热导率 (W/(m·K))	厚度方向热导率 (W/(m·K))
PU/α-Al2O3	静电纺丝+热压	10.1–14.6	0.3–2.1
PU/AlN	冷冻干燥+热压	4.1–13.6	1.5–4.9
PU/BeO	静电纺丝	1.4–4.0	0.5–2.6

研究表明，冷冻干燥法制备的纳米纤维具有更高的孔隙率和比表面积（如Al₂O₃纳米纤维达276.1 m²/g），有利于聚合物浸润和界面声子传输。

挑战与未来方向

当前陶瓷纳米纤维的应用仍面临以下挑战：

1. 1.
   材料性能：BeO等纤维在高温处理后易脆化，且高结晶度要求苛刻的工艺条件（如AlN需1500°C氮气氛烧结）。
2. 2.
   规模化生产：静电纺丝和冷冻干燥的工艺参数（如电压、冷冻速率）对纤维形貌影响显著，需标准化流程以保证重现性。
3. 3.
   新型材料探索：未来应拓展Si₃N₄、SiC等填料的组合，开发杂化纳米纤维体系，进一步优化导热与机械性能的平衡。

结论

聚合物-陶瓷纳米纤维复合材料通过调控纤维维度与网络结构，实现了导热性与电绝缘性的协同提升。冷冻干燥技术构建的三维互联网络为厚度方向散热提供了新策略，而静电纺丝在面内导热优化中仍具优势。未来通过界面工程、杂化填料设计及工艺创新，此类材料有望在5G通信、柔性电子等高端热管理领域实现广泛应用。