导电聚合物基材料的热传输

柔性导电材料的需求是近年来许多导电高分子材料研究的动力。然而，导电聚合物的导热系数相对较低，这可能会导致器件应用中出现严重的散热问题。本文综述了导电高分子及其复合材料的热传递基本原理，以及近年来在热导率调节方面的研究进展；综述了导电高分子材料的热输运机理和最新的测量热导率的实验方法；讨论了调节导热系数的有效途径；最后，展望了导电高分子材料及其复合材料的应用前景。

导电高分子及其复合材料以其重量轻、成本低、可回收利用、良好的导电性和化学稳定性等突出特点受到人们的广泛关注。近年来可穿戴智能设备的发展给人类生活带来了极大的便利。^[1]如触摸屏显示器、健康监测传感器、功能性服装等智能纺织产品都依赖于导电高分子材料优异的机电性能。最近，Wang等人报道了一种通过在聚(3,4-乙烯-二氧噻吩)中加入额外的离子添加剂实现的高拉伸性能导电聚合物:聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)。所得材料的电导率分别为无应变时超过3.1times;105 S m^minus;1和100%应变时超过4.1times;105 S m^minus;1，优于基于银纳米线的导体薄膜。^[3,4]这些具有高延展性和导电性的材料为下一代可穿戴设备在健康、运动和健身领域的应用开辟了新的途径。

此外，导电聚合物还因其良好的电气性能和生物相容性而被应用于生物医学领域，如生物传感器和组织工程等。^[5-8]然而，导电聚合物不能降解，这成为其在组织工程应用中最严重的限制之一。人们在开发可降解导电高分子材料方面付出了巨大的努力^[9,10]。导电聚合物共混物具有更好的生物降解性，如聚己内酯(PCL)/聚吡咯(PPY)等^[11]已被合成并用于制造生物电子器件，如电子谐振器电路。因此，导电聚合物基材料被证明具有广泛的应用，从柔性电子、^[14]生物医学应用、^[15,16]智能纺织品、^[17]到热电材料等。^[18-20]

但是，大多数导电高分子材料的导热系数很小，这可能会导致器件应用的严重问题，如散热失效，特别是对有机电子器件。已有研究表明，聚合物的低导热主要来自于非晶结构和弱链间相互作用。^[21-23]因此，为了调整导电高分子材料的导热性能，了解导电高分子材料的热传递机制是非常重要的。

近年来，人们通过实验和理论研究对导电聚合物的导热性进行了研究。^[24-37]表1列出了一些典型导电聚合物的导热值，它们比传统半导体晶体的导热值低2到3个数量级。与晶体材料相比，聚合物的导热性工程是一项复杂的工作，因为聚合物链的构象、填料的类型和尺寸、^[38]和链结构等许多结构因素都会影响聚合物的热传递^[33,37]。

因为链间范德华力通常比链内共价键弱，表1所列的体积导电聚合物的低导热性是由于链间热传递。单链聚合物具有很高的导热系数，一些数值模拟甚至得出了单链聚合物的发散导热系数。^[50,51] Fermi, Pasta, and Ulam (FPU)提出的非线性晶格是一个著名的反常发散热导率模型。^[52]模式耦合理论认为，热通量相关函数存在长尾，且向均分方向缓慢衰减。在这种情况下，基于玻尔兹曼输运方程的声子气体模型是无效的。然而，因为无序或链间相互作用会引起链内的衰减，当系统包含无序或由多个链组成时，发散现象会消失。

本文从模拟和实验两个方面综述了几种典型导电高分子材料的导热性能，并对影响导电高分子材料导热性能的关键因素进行了讨论。特别关注了各种可以有效地操纵热导率的方法。然后，我们简要地讨论了导电聚合物在热电和散热领域的相关应用。最后，展望了导电高分子及其复合材料的发展前景。

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