在设计现代设备下一代材料的过程中——这些材料轻便、灵活并且具有优良的散热性能——麻萨诸塞大学阿默斯特分校的研究团队做出了一个发现：缺陷也有其优点。
这项研究发表在《科学进展》上，实验和理论表明，使用含有缺陷的热导填料制成的聚合物（通常称为塑料）比使用完美填料的聚合物性能提高了160%。这个逆直觉的发现挑战了长期以来认为缺陷会降低材料性能的假设。相反，它指向了一种有前景的新策略，用于工程制造具有超高热导率的聚合物复合材料。
该研究由麻萨诸塞大学阿默斯特分校领导，并与麻省理工学院、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合作伙伴共同完成。
聚合物凭借其无与伦比的轻盈性、电气绝缘性、灵活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媲美的。聚合物嵌入我们技术景观的每个角落，从高速微芯片和LED到智能手机和柔性机器人。然而，常见的聚合物是热绝缘体，导热性差，这可能导致过热问题。它们内在的绝缘特性会困住热量，产生危险的热点，从而降低性能，加速磨损，并增加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加入导热性强的填料，如金属、陶瓷或碳基材料，来增强聚合物的热导率。逻辑很简单：混合导热填料应该能提高整体性能。
然而，在实践中，事情并没有那么简单。考虑一下与钻石混合的聚合物。
考虑到钻石的卓越导热性约为每米每开尔文2000瓦（W m-1 K-1），理论上一个由40%钻石填料组成的聚合物可能会实现约800 W m-1 K-1的导热性。然而，由于填料团聚、缺陷、聚合物与填料之间高接触电阻以及聚合物基体的低导热性等挑战，实际结果未能达到预期。
“理解聚合物材料中的热传输机制一直是一个长期存在的挑战，部分原因在于复杂的聚合物结构、普遍的缺陷和无序状态，”麻萨诸塞大学阿默斯特分校机械和工业工程助理教授、论文通讯作者徐燕飞说。
为了他们的研究，旨在为理解聚合物材料中的热传输和控制异质界面上的热传输奠定基础，研究团队创造了两种聚乙烯醇（PVA）聚合物复合材料——一种掺入完美石墨填料，另一种使用缺陷石墨氧化物填料，两者的体积分数均为低至5%。
正如预期的那样，单独使用的完美填料的导热性高于不完美的填料。
“我们测量发现，单独的完美填料（石墨）导热性约为292.55 W m-1 K-1，而单独的不完美填料（石墨氧化物）只有66.29 W m-1 K-1——几乎是五倍的差异，”领导作者、麻萨诸塞大学阿默斯特分校的机械工程研究生周宜杰说。
然而，令人惊讶的是，当这些填料添加到聚合物中时，含有缺陷石墨氧化物填料的聚合物的性能比含有完美石墨填料的聚合物提高了160%。
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，缺陷填料能够促进更高效的热传输，因为它们不均匀的表面不允许聚合物链像完美光滑填料那样紧密堆积。这种意外的效果，称为聚合物与缺陷填料之间在聚合物/填料界面上增强的振动耦合，提升了热导率，并降低了阻力，使材料在热传输方面更加高效。
“缺陷有时充当桥梁，增强界面之间的耦合，促进更好的热流，”北卡罗来纳州立大学机械与航空工程系副教授刘军表示。“确实，缺陷有时可以导致更好的结果。”
徐相信，这些实验和理论结果为制造具有超高热导率的新聚合物材料奠定了基础。这些先进材料为设备提供了新的机会——从高性能微芯片到下一代柔性机器人——通过改进散热以更冷、更高效地运行。
