在设计用于现代设备的下一代材料的过程中——轻的兼具柔韧性和优异的散热性能——由马萨诸塞大学阿默斯特分校领导的研究团队发现：缺陷也有其优势。
这项发表在《科学进展》上的研究通过实验和理论分析发现，使用含有缺陷的导热填料制成的聚合物的性能比使用完美填料制成的聚合物高出160%。
这一违反直觉的发现挑战了长期以来认为缺陷会影响材料性能的假设。相反，它为超高导热性聚合物复合材料的工程化设计提供了一种颇具前景的新策略。
填料结块等问题一般会破坏传热
这项研究由马萨诸塞大学阿默斯特分校牵头，麻省理工学院、北卡罗来纳州立大学、斯坦福大学、橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室和莱斯大学的研究人员也
参与其中。聚合物以其无与伦比的轻盈性、电绝缘性、柔韧性和易加工性，彻底改变了现代设备——这些特性是金属和陶瓷无法比拟的。从高速微芯片和LED，到智能手机和软体机器人，聚合物已渗透到我们科技领域的方方面面。然而，普通聚合物是热绝缘体，导热系数低，这可能导致过热问题。它们固有的绝缘特性会吸收热量，产生危险的热点，从而降低性能并加速磨损，增加发生灾难性故障甚至火灾的风险。
多年来，科学家们一直尝试通过添加高导热填料（例如金属、陶瓷或碳基材料）来提高聚合物的导热系数。其原理很简单：添加导热填料应该可以提高整体性能。
然而，实际操作起来并非如此简单。设想一种与金刚石混合的聚合物。鉴于金刚石拥有约2,000 瓦/米/开尔文 (W m-1 K-1) 的优异导热系数，含有40%金刚石填料的聚合物理论上可实现约800W m-1 K-1的导热系数。然而，由于填料结块、缺陷、聚合物与填料之间的高接触电阻以及聚合物基质的低导热系数等挑战，实际效果并不理想，这些挑战阻碍了传热。
“理解聚合物材料的热传输机制一直是一个长期存在的挑战，部分原因是聚合物结构复杂、普遍存在的缺陷和无序性，”麻省大学阿默斯特分校机械与工业工程助理教授、该论文的通讯作者 Yanfei Xu 说道。
有缺陷的填料添加到聚合物中后导热性会更好
该团队的研究旨在为理解聚合物材料中的热传输和控制跨异质界面的传热奠定基础，他们制作了两种聚乙烯醇 (PVA) 聚合物复合材料。其中一种加入了完美石墨填料，另一种使用了缺陷氧化石墨填料，两种填料的体积分数都很低，仅为5%。
正如预期的那样，完美填料本身的导热性比不完美填料更好。
“我们测量后发现，完美填料（石墨）本身的导热性很高，约为292.55 W m-1 K-1，而缺陷填料（氧化石墨）本身的导热性仅为66.29 W m-1 K-1，相差近五倍”，该研究的主要作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校机械工程研究生周逸杰说道。
然而令人惊讶的是，当这些填料添加到聚合物中时，用含有缺陷的氧化石墨填料制成的聚合物的性能比用完美石墨填料制成的聚合物高出160%。
由于表面不平整而增强振动耦合
该团队结合实验和模型——热传输测量、中子散射、量子力学建模和分子动力学模拟——来研究缺陷如何影响聚合物复合材料中的热传输。
他们发现，缺陷填料有利于更高效的传热，因为它们不平整的表面使聚合物链无法像光滑的填料那样紧密地堆积在一起。这种意想不到的效应被称为聚合物与缺陷填料在聚合物/填料界面处增强的振动耦合，它提高了导热系数并降低了阻力，从而使材料的传热效率更高。
“缺陷有时充当桥梁，增强界面间的耦合，从而实现更好的热流，”北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系副教授刘俊说道。“事实上，缺陷有时可以带来更好的结果。”
徐教授认为，这些实验和理论研究成果为设计具有超高导热系数的新型聚合物材料奠定了基础。这些先进技术为各种设备（从高性能微芯片到下一代软体机器人）带来了新的机遇，使其能够通过改进散热性能，实现更低温、更高效的运行。
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