二维材料的各向异性传热特性综述

      随着电子设备向高功率密度和高集成度的方向发展，散热正逐渐成为制约电子设备高效率和寿命的主要问题。因此如何实现高效的散热正逐渐成为研究的重要方向，而定向传热被认为是解决电子设备的散热的重要途径。

      上海第二工业大学节能与新能源材料研究团队对二维材料的各向异性传热特性进行了概述。文章主要介绍了二维材料的本征各向异性传热，影响因素和控制手段；二维材料薄膜的制备方法及宏观各向异性热性能的影响因素；二维材料在基体中的定向排列技术以及复合材料宏观各向异性热性能的影响因素。相关综述以“Anisotropic heat transfer properties of two-dimensional materials”为题发表于《Nanotechnology》上(DOI：https://doi.org/10.1088/1361-6528/abdb15)。该工作的第一作者为上海第二工业大学硕士研究生杨家伟。通讯作者分别为上海第二工业大学于伟教授，共同通讯作者为邵阳学院刘长青副教授。

二维材料，例如石墨烯，氮化硼（BN），黑磷（BP），层状过渡金属化合物和Mxene，由于其独特的分层结构而具有显着的各向异性传热特性。它主要受二维材料的结构参数和表面状态的影响，当然制备方法的影响也非常大。例如二维材料的本征各向异性热输运可以通过热还原和化学处理来调节。图2显示了常见的二维材料本征各向异性传热特性的影响因素和控制手段。

图2. 二维材料制备方法以及影响各向异性传热的因素

图3. 不同方向上BNNs和hBNNs的热性能、不同方向上的散热表现

图4. BP纳米带的制备及其各向异性特点

      图3和图4分别显示了两种不同的二维材料氮化硼和黑磷的各向异性热输运的特点。在不同的方向上热导率呈现不同的值，而且长度和厚度也对热导率产生影响。通过对二维材料各向异性热输运特点的讨论，分析影响二维热性能的因素，而通过调整和控制这些因素可以有效的实现二维材料各向异性热输运，从而为提高电子器件的散热提供新的途径。

       由二维材料作为基质或填料组成的薄膜同样具有出色的各向异性热性能。研究发现可以使用一些相关的合成工艺，例如化学气相沉积，逐层组装，静电纺丝和真空辅助过滤来获得二维复合膜。二维薄膜的各向异性热特性受其自身尺寸和表面特性的影响，除此之外，二维材料在膜中的排列也可以影响各向异性热导率。

图5. 纯CNF和Ti3C2 / CNF复合膜在不同方向上的热性能

       基于具有各向异性传热的二维材料作为填料来制备复合材料，在智能热管理中显示出广阔的应用前景。二维材料各向异性传热特性可以通过磁场，电场和模板方法的定向调制来优化，例如可以通过选择的模板制备具有所需结构的复合材料。通过宏观调控二维材料的热性能，更好地服务于智能设备（如电子设备）的热管理（图6）。

图6. 基于二维材料作为填料制备的复合材料的宏观各向异性传热性能的调控与应用

图7. 通过磁场进行调控石墨烯悬浮液

      通过磁场和电场外界调节可以实现二维材料的各向异性分布，从而产生各向异性的热传输。如图7所示为磁场调节下形成各向异性的石墨烯悬浮液。除此之外，二维材料也可以通过模板法构建各向异性特性，常见的模板法有冰模板法、定向组装、冷冻干燥等。通过宏观的调控可以实现材料热性能的各向异性，从而为加速电子设备散热提供更多途径，拓宽热管理的应用。

       作者对二维材料的发展提出以下几点展望：（1）如何获得高质量的二维材料，同时成本处于可控范围； （2）目前测量材料导热系数的方法和方法还不够准确，而且非常复杂，未来将探索新的方法来提高其导热系数的测量精度； （3）目前对一些新的二维材料的本征热导率的研究还不够充分。一些二维材料（例如Mxene，过渡金属二维材料）缺少有关缺陷和影响尺寸的数据； （4）二维材料各向异性传热特性的机理研究的还不充分； （5）如何进行高质量薄膜材料的制备以及对宏观各向异性传热的控制； （6）未来将寻找更好的定向排列技术来调节其宏观二维材料的各向异性热输运。