第一作者：徐康

通讯作者：王延青

单位：四川大学

研究背景

随着电子器件集成化、小型化、高性能的要求日益提高，有效解决大功率集成电路的热管理问题已成为一个重大挑战。其中，解决用于电子封装的高分子材料的散热问题已成为该领域的关键问题。然而，由于聚合物分子链的无序排列，这些材料的导热性通常很差，导热性通常低于0.5 W m⁻¹ K⁻¹。而用于高密度集成电子设备的材料需要至少1 W m⁻¹ K⁻¹的导热系数，用于包装系统的热界面材料甚至需要达到10 W m⁻¹ K⁻¹以上因此，提高高分子材料的导热性是当务之急。

提高高分子材料导热性的主要途径有两种：合成具有高结晶度的本征高导热材料或合成高取向材料。Li等人利用电场对液晶聚合物进行排列，将液晶单体原位聚合形成液晶聚合物，其固有导热系数为1.02 W m⁻¹K⁻¹。本征聚合物的制备复杂、成本高、发展缓慢，且主要处于实验阶段。因此，生产高导热聚合物材料的主要途径是通过填充。目前，大多数研究人员通过增加填料含量来提高基体的导热性。当填料含量超过渗透阈值（即临界值）时，填料开始相互接触，在体系内形成链状或网状填料结构，从而增强复合材料的导热性。然而，当填料含量过高时，会严重降低聚合物基体的机械、电学和光学性能。因此，在低填料含量下实现聚合物基复合材料的高导热性是一项极具挑战性的工作。当填料含量很低时，即对于低填料的聚合物复合材料，不同类型填料的导热系数差异很大。

成果简介

基于此，四川大学王延青特聘研究员课题组，在国际知名期刊Nanoscale上发表题为“Magnetic Alignment of Carbon Nanotubes in Polymers for Enhanced Thermal Conductivity”的研究论文。

在这项研究中，我们提出了一种利用磁场对齐碳纳米管的新策略。我们创新地将钕铁硼（NdFeB）磁体与碳纳米管的抗磁性结合起来，并使用乙酸乙酯调节F2311基体的粘度，使未经改性的碳纳米管在磁场中实现高定向对准。碳纳米管为基础的TIM，以10wt%的碳纳米管负载制备，其导热系数为1.1 W m⁻¹K⁻¹。当应用于HSF表面时，加热3分钟后，传热效率显著提高，温度升高1.2℃，并且在热源关闭后冷却效率提高更快。该技术允许在不需要磁性修饰的情况下对碳纳米管进行磁场定向，为非磁性一维材料的定向提供了一种新的方法。

本文要点

要点一：碳纳米管（CNT）的制备、分散性能及多维度表征图

图1.(a)各种填料的导热系数。(b) MWCNTs的制备。(c)通过偶极/偶极静电相互作用和位阻协同作用分散碳纳米管。(d)碳纳米管分散的廷德尔效应。(e) CNTs保存一周后的图像。扫描电镜(f)。(g)平均粒度。(h)和(i) TEM。(j)碳纳米管分散体和粉末的拉曼光谱。(k)碳纳米管粉末、PB-821和碳纳米管分散体的FT-IR。

围绕CNT 的基础特性与分散效果展开系统表征，从材料选择、制备工艺到分散稳定性验证形成完整逻辑链。通过对比各类填料热导率明确 CNT 的导热优势，展示 MWCNTs 制备流程与 “偶极 - 偶极静电作用 + 空间位阻” 协同分散机制；结合丁达尔效应、静置一周无沉降现象，直观证明 CNT 在乙酸乙酯中分散均匀且稳定；再借助 SEM、TEM 观察 CNT 微观形貌（无团聚、表面有机包覆），通过粒径分布量化分散均一性，最终以拉曼光谱（G/D 比验证结构完整性）、FT-IR 光谱（证实有机涂层存在）从化学层面佐证，为后续 CNT/F2311 复合材料构建提供高质量、高稳定性的 CNT 原料依据。

要点二：CNT/F2311 复合材料制备、CNT 磁取向机制及动力学分析

图2. (a) CNT/F2311的制备工艺。(b)样品的光学图像。(c)试样拉伸曲线。(d)随机样品的表面和(e)截面SEM显微照片。(f)垂直试样的表面和(g)截面SEM显微图。(h)垂直磁场下碳纳米管取向过程模拟。(i)碳纳米管结构示意图及碳纳米管中π电子的运动。(j)磁能和重力能的值作为角θ的函数绘制。(k) CNTs在磁场中的磁能和重能。(l)不同磁场下不同取向碳纳米管的概率。(m)不同磁场强度下溶液的取向弛豫时间（τ）与粘度（η）的变化曲线。

聚焦“磁场诱导CNT取向” 核心技术，整合实验制备、微观结构、理论模拟与数学建模，全面阐释磁取向策略的有效性。先呈现复合材料制备全流程（混合 - 磁场固化）与宏观光学外观，通过拉伸曲线量化不同 CNT 含量下材料的力学性能（模量提升、良好弹性延展性）；再以 SEM 对比随机与垂直取向复合材料的微观结构，直观展现磁场对 CNT 有序排列的调控作用；最后通过有限元模拟还原 CNT 磁取向动态过程，结合磁能（Um）、重力势能（Ug）公式推导与能量-角度关系图，揭示 CNT 沿磁场方向排列的能量驱动机制，同时利用取向弛豫时间公式与曲线，量化溶液黏度、磁场强度对取向效率的影响，为磁取向工艺参数优化提供理论支撑。

要点三：CNT/F2311 复合材料热性能及传热机制分析

图3. CNT/F2311复合材料的热性能。(a)不同碳纳米管含量的复合材料的导热系数。(b) 500次快速热冲击时CNT/F2311复合材料的热导率随环境温度的变化。(c) CNT/F2311的导热系数与文献中报道的其他碳纳米管增强复合材料的导热系数比较。(d)热传递机理示意图，模拟了(e)随机结构和(f)垂直排列结构下CNT/F2311复合材料的瞬态温度分布。(g)测量装置，(h)红外图像，(i) F2311和CNT/F2311的表面温度随加热时间的变化。

以复合材料热性能为核心，从性能测试、稳定性验证、文献对比到机制阐释，全面论证其导热优势。通过热导率曲线明确 CNT 含量（0.5-15wt%）与热导率（0.22-1.49 W m⁻¹ K⁻¹）的正相关关系，结合 500 次热冲击循环测试（热导率变化 <10%）证明材料热稳定性；将其热导率与文献中其他 CNT 增强复合材料对比，通过 “比热导率提升率” 指标凸显本研究材料在低填料含量下的优势；再借助传热机制示意图与 COMSOL 模拟，从理论上解释垂直取向结构（缩短热路径、最大化 CNT 轴向导热）优于随机结构的原因；最后通过红外测温实验（加热/冷却速率对比），直观验证复合材料实际导热与散热能力，形成 “数据-理论-实验” 三位一体的热性能论证体系。

要点四：CNT/F2311 复合材料在散热鳍片与界面传热中的应用性能

图4.(a)碳纳米管散热片示意图（HSF/CNT）和HSF。(b) HSF/CNT和喷涂了碳粉的HSF的照片。(c) HSF/CNT和HSF表面的红外图像，(d) HSF/CNT和HSF表面的平均温度随操作时间的函数。界面传热性能。(e)测量系统示意图。在功率密度为20 W cm^-2时，加热器温度随加热时间的变化规律。

聚焦复合材料的实际应用场景，通过对比实验验证其在热管理中的实用价值。先设计散热鳍片（HSF）对比实验，将涂覆CNT/F2311的HSF与未涂覆样品置于相同加热条件，借助红外图像与温度曲线，证明涂覆样品加热速率更快（240s 时平均温度 122.7℃ vs 112.1℃）、冷却阶段散热更优，体现其在鳍片散热中的增效作用；再构建界面传热测试系统，将CNT/F2311作为热界面材料（TIM），与商用TIM、无TIM方案对比，在20 W cm⁻² 功率密度下，其冷却性能与商用 TIM相当且显著优于无TIM方案，验证了该复合材料作为TIM在电子设备热管理中的应用潜力，实现从材料性能到实际应用的价值落地。

文章链接

Magnetic Alignment of Carbon Nanotubes in Polymers for Enhanced Thermal Conductivity

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/nr/d5nr04715c

通讯作者简介

王延青特聘研究员简介：四川大学特聘研究员，博导，四川省青年人才，国家炭黑材料工程技术研究中心首席专家，国家制革技术研究推广中心特聘专家，先进高分子材料全国重点实验室固定人员，四川省专家服务团专家。入选四川大学“双百人才工程”计划（2019-2023），日本学术振兴会（JSPS）外国人特别研究员（2015-2017）。2010年硕士毕业后去日本留学，于2014年获日本北海道大学理学博士学位，毕业后在北海道大学、东京大学及日本企业（日本トリム）从事纳米碳材料的基础及应用研究。在日本期间，主持日本学术振兴会（JSPS）青年学者项目。

2019年加入四川大学高分子科学与工程学院高材系独立开展研究工作，成立先进碳与能源材料研究室。主要从事超长碳纳米管的单分散原理、碳基材料的设计制备及其在能源、环境相关领域的应用研究，主要包括：超长碳纳米管在非/弱极性有机体系的分散研究、新型低添加、高倍率快充锂电池导电剂、低温锂电池负极、钠电池硬碳负极、电磁屏蔽/吸波材料、超级电容器、碳基导热/散热材料、柔性显示材料、3D打印、先进高分子功能材料等，在Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano Energy、Research、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Small、Journal of Power Sources、Carbon、Nanoscale等期刊上发表100余篇论文，累计引用3000余次。部分成果选为ESI高被引论文（3篇）和期刊封面文章。担任Carbon Future等期刊青年编委。

回国后主持国家自然科学基金委NSAF联合基金重点项目课题、人社部中国留学人员回国创业启动支持计划（重点类）、四川省科技厅国际科技创新合作项目、四川大学高层次人才引进项目、校地合作项目（自贡、遂宁）、企业项目等近10项。申请、授权中国发明专利30余项、美国专利2项、日本专利2项。研究成果获得了山东省科技进步一等奖、国家优秀自费留学生奖学金、中国专利优秀奖（2项）、山东省专利奖、第二届全国博士后创新创业大赛铜奖、四川省特聘专家、JSPS外国青年学者研究奖励、北海道大学私费外国人留学生特待制度、四川大学优秀科技人才奖，入选四川省天府峨眉计划创业领军人才、成都市重大人才计划“蓉漂计划”、江苏省双创人才、盐都特聘专家等。2024-2025年在江苏省常州市国家高新区（新北区）科技局挂职副局长。

课题组同日本北海道大学，东京大学，信州大学，澳大利亚悉尼大学，美国宾夕法尼亚州立大学等多所国际一流高校保持着紧密合作关系。课题组常年招收硕士、博士及博士后等，欢迎邮件联系交流。也欢迎本院及外学院相关专业本科生进入课题组学习和开展研究工作，可以为组内的成员出国留学提供良好的平台。课题组先后推荐7名优秀学生到东京大学、京都大学、大阪大学等攻读硕士、博士学位。

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