高导热材料是实现器件高效热管理的核心。聚合物基导热复合材料具备低成本、低密度、易加工等优势，现已成为热管理材料领域的重点研究方向。各类聚合物中，芳纶凭借优异的热稳定性、耐化学腐蚀性能与优异的力学性能，是制备高导热复合材料的理想基体。芳纶分子本身具备液晶有序排列特征，可大幅降低声子散射，为构筑高导热材料提供天然结构优势。
向聚合物基体中引入导热填料是提升导热系数的有效手段，其中由于石墨烯具有高本征导热率（理论值约5000 W/mK），成为是理想导热填料。然而填料与聚合物基体声子谱失配极易产生界面热阻，阻碍热量高效传递，成为制约复合材料导热性能的核心因素。该问题在石墨烯填充体系中尤为突出：石墨烯比表面积大，极易团聚，难以形成连续导热通路；同时石墨烯表面褶皱柔软，易与基体产生界面孔洞、缺陷，进一步增大界面热阻。
针对上述难题，现有界面改性方法包括石墨烯共价接枝、氧化改性、物理吸附、表面包覆等，但均存在明显缺陷：共价接枝易破坏石墨烯晶格，削弱其本征导热能力；氧化改性会引入缺陷，成为新的声子散射中心；物理吸附与表面包覆会引入异质夹层，反而新增界面热阻。因此，如何在保留石墨烯本征高导热、改善石墨烯分散性的同时，构建低散射、低缺陷、结合牢固的石墨烯 / 芳纶界面，仍是一大挑战。
徐州工程学院罗丛丛、中国矿业大学黄翔副教授等研究团队开发一种液晶改性石墨烯界面调控策略。多环芳烃液晶分子通过强 π-π 相互作用锚定于石墨烯表面；该改性手段可提升石墨烯与芳纶基体的界面相容性，可有效降低界面热阻（ITR），改善石墨烯在芳纶中的分散性和缺陷填充，且不会破坏石墨烯晶格结构。
通过该策略制备的改性石墨烯填料，与芳纶通过共混、真空抽滤、热压工艺制备复合导热薄膜。当液晶改性石墨烯（LC – 石墨烯）填充量达到 40 wt% 时，复合薄膜面内最高导热系数可达 15.39 W/mK，是纯芳纶纳米纤维（ANF）薄膜的 6.36 倍。该薄膜具有优异热稳定性，初始热分解温度高于 450 ℃，拉伸强度可达 101 MPa。作为散热材料，相较于商用导热垫片，该薄膜可使电路板、大功率 LED 工作温度降低约 25 ℃。
图 1 (a) 复合薄膜制备流程示意图；(b‑d) 复合薄膜界面相互作用及导热增强机理示意图。
图 2 (a) 芳纶纳米纤维（ANF）的透射电子显微镜（TEM）图；(b) 石墨烯的透射电子显微镜（TEM）图；(c) 石墨烯的原子力显微镜（AFM）图；(d) 液晶的傅里叶变换红外（FT‑IR）光谱与氢谱核磁共振（¹H NMR）谱图；(e) 液晶的差示扫描量热（DSC）曲线；(f) 液晶的偏光显微镜（POM）图；(g) 液晶‑石墨烯（LC‑graphene）的扫描电镜（SEM）图及元素分布图；(h) 液晶‑石墨烯（LC‑graphene）的偏光显微镜（POM）图与透射电子显微镜（TEM）图；(i) 液晶和液晶‑石墨烯的 X 射线光电子能谱全谱（survey XPS）以及 C 1s 高分辨谱图。
图 3 (a) 芳纶纳米纤维 / 液晶 / 石墨烯混合体系的透射电镜 (TEM) 图；(b) 石墨烯、芳纶纳米纤维以及复合薄膜的 X 射线衍射 (XRD) 图谱；(c) 复合薄膜的柔韧性与可折叠性能；(d) 复合薄膜的热分解曲线；(e) 复合薄膜截面扫描电镜 (SEM) 图；(f) 芳纶纳米纤维薄膜与复合薄膜的 X 射线光电子能谱 (XPS) 谱图。
图 4 界面热输运机理的理论分析。(a) 石墨烯与不同单体之间结合能的计算结果；(b) 未改性界面 (GR‑A) 与改性界面 (MGR‑A) 的分子动力学 (MD) 模拟模型；(c) GR‑A 与 MGR‑A 界面热阻 (ITR) 计算值（数据点为平均值，误差棒代表 3 组独立模拟运算得到的标准偏差）；(d、e) 未改性体系与液晶改性体系的声子态密度 (PDOS) 以及谱重叠积分。
图 5 (a) 复合薄膜的热扩散系数；(b) 复合薄膜的比热容与密度；(c) 复合薄膜的导热系数；(d) 复合薄膜的导热增强率；(e) ANF‑LC‑G4 薄膜与商用导热垫片分别用于电路及 LED 灯具散热时的红外热成像图；(f) 将该复合薄膜与商用导热垫片作为 LED 灯具热界面材料 (TIMs) 时，LED 灯具的表面温度。
研究以题为“Liquid Crystal Interface Engineering Enhances Thermal Conduction for Efficient Thermal Management”发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》
DOI:10.1021/acsami.6c09709
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