智能導熱材料的設計及應用（簡體書）

“萬人計劃”科技創新領軍人才，國務院政府特殊津貼專家，天津市杰出人才，首批天津市“131”創新團隊負責人， 新世紀優秀人才，中國復合材料學會導熱復合材料專業委員會首任主任。長期從事功能有機碳復合材料的制備及導熱性能研究，在Chemical Society Review、Advanced Materials等國際期刊上發表SCI論文214篇，授權中國發明專利62項，美國發明專利3項，國防專利3項。

根據當今智能導熱材料的發展現狀，從材料的概念、傳熱原理、結構設計及應用等角度展開詳細介紹。本書可作為相關專業本科生和研究生的教材，希望通過此書可以提高廣大讀者及相關領域研究人員對智能導熱材料的興趣，為從事此研究的工程技術人員提供參考。

智能材料是一種可以感知外部環境變化，通過判斷、分析、處理並實現智能響應、性能自動調節的新型功能材料，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之後的第四代材料。20世紀90年代，中國逐步開展智能材料的研究，並將其列入國家中長期發展的重要規劃日程。目前，智能材料的研究已經實現了力學、光學、電學等性能調控，並在熱性能宏觀調控方面取得了初步進展。智能材料的發展高度支撐了未來高新技術的發展，使得傳統意義下的功能材料和結構材料之間的界限逐漸消失，最終實現材料結構的功能化和材料功能的多樣化。

智能導熱材料為導熱材料的一個重要分支。它是一種以熱量快速疏導為目的，通過智能熱控技術，利用其熱導率可智能調控的特點實現對被控物件與外界從隔熱到良好導熱的自主調控的新型功能材料，屬於材料、化學、物理等多學科交叉的一項基礎研究。智能導熱材料具有響應速度快、精確調節系統溫度和顯著降低資源消耗的特點，在民用電子、航空航天等領域有著廣闊的應用前景。同時，隨著近年來空間技術、人工智能、航空航天等領域的快速發展，對於溫度敏感、發熱量較大且環境溫度複雜的設備，如通信終端、蓄電池、芯片電子等，亟需發展能夠實時感知外界環境、自主熱流調節的新型智能導熱材料。然而，受熱導率低、回彈性差、附著力弱等綜合因素的影響，材料的智能感知調節能力相對較差，因此，材料暫時未能全面滿足多種複雜環境的應用需求。基於此，當今國內外學者對智能導熱材料的機理、控制、應用範圍開展了較多研究。研究主要包括微納材料結構設計、導熱納米粒子的定向控制、高導熱智能材料設計、高新熱管理應用技術、芯片智能導熱材料設計及應用等，為智能導熱材料的突破和發展奠定了基礎。

天津大學功能有機碳復合材料研究團隊圍繞碳納米材料和功能高分子的制備、結構調控、多尺度復合及力學和導熱性能開展研究，團隊10多年來活躍在智能導熱復合材料的前沿創新領域，掌握了導熱結構設計、碳納米材料的可控制備、界面結構修飾及多尺度可控復合等多項關鍵技術。此外，為了使本書的內容更加豐富，書中還加入了其他學者的優秀研究成果。

本書主要由天津大學功能有機碳復合材料研究團隊的師生完成撰寫工作。封偉教授負責本書全部章節的設計與編撰，俞慧濤、安東、秦盟盟、陳燦、張飛、張恒、何青霞、王令航、姜祝成、王碩等師生參與了部分章節的撰寫與校對。本書的研究得到了國家自然科學基金重點項目（Ｎｏ．５２１３０３０３）和國家重點研發項目（Ｎｏ．２０２２ＹＦＢ３８０５７００）的支持。

由於智能導熱材料的研究成果較為豐富，限於本書的篇幅，研究內容不可能面面俱到，因此很多優秀成果未被收錄進去。

同時，由於作者的水平有限，書中難免存在疏漏和不妥之處，

懇請廣大讀者批評指正。希望通過此書，可以激發大家對導熱材料研究的熱情，給智能導熱材料研究者一些幫助，我們將倍感欣慰。

本書彩圖可掃二維碼觀看。

封偉
2023年2月於天津大學

第1章導熱概述
1.1導熱材料
1.2導熱機理
1.3影響因素
1.3.1導熱填料
1.3.2導熱基體
1.3.3導熱界面
1.4測試方法
1.4.1穩態法
1.4.2非穩態法
1.5研究現狀及產業分析
1.6本章小結
參考文獻

第2章智能導熱材料概述
2.1智能導熱材料概念
2.2智能導熱材料傳熱機理
2.2.1聲子熱傳導
2.2.2本征型智能導熱材料聲子傳導
2.2.3嵌入式智能導熱材料聲子傳導
2.3影響因素
2.3.1環境溫度
2.3.2體積形態
2.3.3其他因素
2.4智能導熱材料分類
2.4.1金屬基智能導熱材料
2.4.2非金屬碳基智能導熱材料
2.4.3聚合物基智能導熱材料
2.4.4相變智能導熱材料
2.4.5熱致形狀記憶智能材料
2.4.6熱致變色智能材料
2.4.7高導熱智能熱界面復合材料
2.5本章小結
參考文獻

第3章智能化性能設計
3.1溫度感知
3.1.1形狀記憶聚合物材料
3.1.2溫敏型水凝膠材料
3.1.3液晶彈性體材料
3.2智能導熱調控
3.2.1納米懸浮液材料
3.2.2相變材料
3.2.3原子插層材料
3.2.4軟物質材料
3.2.5受特定外場調控的材料
3.3自修復導熱調控
3.3.1自修復概況
3.3.2外援型自修復導熱復合材料
3.3.3本征型自修復導熱復合材料
3.4熱響應開關
3.4.1固液相變熱開關
3.4.2軟物質開關
3.4.3金屬或無機熱開關
3.5多重智能功能集成
3.5.1熱管理-傳感材料
3.5.2熱管理-紅外材料
3.5.3熱管理-相變材料
3.5.4熱管理-自修復材料
3.6本章小結
參考文獻

第4章智能導熱材料設計
4.1智能導熱基體材料設計
4.1.1聚合物智能導熱基體
4.1.2金屬智能導熱基體
4.1.3無機非金屬智能導熱基體
4.2智能導熱填料設計
4.2.1金屬基導熱填料
4.2.2碳基導熱填料
4.2.3無機導熱填料
4.2.4智能導熱填料
4.2.5其他導熱填料
4.3智能導熱材料復合技術
4.3.1網絡構建
4.3.2界面修飾
4.3.3復合技術
4.4本章小結
參考文獻

第5章智能導熱材料應用
5.1溫度智能調控
5.1.1智能紡織品服裝
5.1.2溫度智能感知
5.2溫度智能響應
5.2.1智能機器人
5.2.2熱致響應
5.2.3其他應用
5.3溫度智能開關
5.3.1偶氮類開關
5.3.2自適應開關
5.4其他應用
5.4.1柔性導熱材料
5.4.2火災預警材料
5.4.3感知溫度調節裝置
5.4.4動態色彩應用
5.4.5智能包裝技術
5.4.6蒸汽封堵材料
5.4.7形狀記憶智能設備
5.4.8仿生機器人
5.4.9電池安全技術
5.4.10綠色建築
5.5本章小結
參考文獻

第6章智能導熱材料在先進芯片中的應用
6.1芯片散熱發展現狀
6.1.1主動式散熱
6.1.2被動式散熱
6.2芯片導熱材料的設計
6.2.1Chiplet技術挑戰與導熱材料設計
6.2.2MCM封裝
6.2.32.5D封裝及導熱材料設計
6.2.43D封裝及導熱材料設計
6.2.5電熱力耦合問題及散熱解決方案
6.3發展現狀
6.3.1風冷散熱
6.3.2液冷散熱
6.3.3LED照明
6.3.4激光器件
6.4芯片散熱材料未來發展趨勢
參考文獻

第7章結論與展望
7.1智能導熱材料技術瓶頸
7.1.1智能材料工藝設計
7.1.2智能導熱材料制備技術瓶頸
7.2潛在應用
7.2.1變熱阻器
7.2.2節能空調
7.2.3固態制冷
7.2.4熱計算機
7.2.5人體熱管理
7.2.6能量轉換與存儲
7.2.7紅外隱身
7.2.8電池智能熱調控
7.3展望
參考文獻