聚二甲基硅氧烷（PDMS）质地柔软，能紧密地贴合在电子器件表面，显著降低因微观空气间隙导致的接触热阻，且兼具优异的热稳定性、柔韧性和电绝缘性能，在热界面材料（TIMs）中占据重要地位。然而，PDMS分子链较长且自由体积较大，其微观结构中存在大量链缠结和晶格缺陷，导致分子振动与晶格振动不协调，产生严重的声子散射，使其本征导热系数（λ）较低，仅约0.20 W/(m·K)。
在大分子链上接枝液晶基元有利于PDMS本征导热性能的提升，但PDMS主链稳定性过高，不易发生反应，导致液晶基元的接枝密度过低，其本征导热性能提升有限。
据此，西北工业大学化学与化工学院顾军渭教授团队提出通过液晶环硅氧烷与八甲基环四硅氧烷开环共聚在PDMS上高效引入液晶基元、提升液晶基元接枝密度，进而提高PDMS本征导热性能的新策略。
2025年1月20日，相关研究成果以“Liquid Crystal-Engineered Polysiloxanes: Enhancing Intrinsic Thermal Conductivity through High Grafting Density of Mesogens”为题发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上（Angewandte Chemie International Edition, 2025, 10.1002/anie.202500173）。西北工业大学化学与化工学院博士生张海天为第一作者，顾军渭教授和阮坤鹏副教授为共同通讯作者。首先通过非稳态分子动力学模拟（NEMD）研究液晶基元接枝密度与液晶聚二甲基硅氧烷（LC-PDMS）本征导热性能的内在联系。并以模拟结果为导向，基于开环共聚法成功制备了本征高导热LC-PDMS。当LC-PDMS分子链上液晶基元接枝密度达到77.4%时，其本征λ高达0.56 W/(m·K)，较通用PDMS（0.20 W/(m·K)）提升了180.0%。该类LC-PDMS还兼具低介电常数（ε，2.69）和介电损耗角正切值（tanδ，0.0027）、高绝缘性能（体积电阻率高达3.51×1013 Ω·cm）、优异热稳定性（耐热指数高达217.8oC）和出色疏水性（水的接触角高达137.4o）。
图1 LC-PDMS的非稳态分子动力学模拟建模过程及模拟结果
图2 LC-PDMS的合成示意图（a）、开环聚合机理（b）、核磁共振谱图及其局部放大图（c, c’）、分子量分布曲线（d）和相对分子质量（e）
图3 LC-PDMS的DSC曲线（a）、POM照片（b1~f3）、WAXRD谱图（g）和SAXRD谱图（h）
图5 LC-PDMS的介电性能（a~c）、绝缘性能（d）和热性能（e, f）此研究工作得到国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西省科技创新团队和重庆市自然科学基金等基金项目的资助支持。
论文信息：
Haitian Zhang, Yongqiang Guo, Yizhi Zhao, Qiuyu Zhu, Mukun He, Hua Guo, Xuetao Shi, Kunpeng Ruan*, Jie Kong and Junwei Gu*. Liquid Crystal-Engineered Polydimethylsiloxane: Enhancing Intrinsic Thermal Conductivity through High Grafting Density of Mesogens. Angewandte Chemie International Edition, 2025, 10.1002/anie.202500173. (2023IF=16.1)
论文网址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202500173
作者简介：
阮坤鹏，西北工业大学化学与化工学院副教授、硕士生导师。主要从事热管理高分子及其复合材料的设计制备及内禀机理研究。任中国复合材料学会导热复合材料专业委员会委员。入选2023、2024年度科睿唯安全球“高被引科学家”，2024年度西北工业大学翱翔新星。获陕西省自然科学奖二等奖（5/5）。主持航空科学基金1项。以第一和/或通讯作者在Angew Chem Int Ed, Macromolecules和Compos Sci Technol等期刊发表SCI论文13篇。参编《Thermally Conductive Polymer Composites》英文专著1部。授权国家发明专利3件。任Soft Science和Information & Functional Materials期刊青年编委。
顾军渭，西北工业大学化学与化工学院院长，教授、博导，国家级领军人才、陕西省杰出青年科学基金获得者、陕西省科技创新团队带头人。当选英国皇家化学会Fellow，英国材料、矿物与矿业学会Fellow，英国皇家航空学会Fellow。连续入选科睿唯安全球“高被引科学家”、爱思唯尔“中国高被引学者”。现任中国复合材料学会副秘书长/理事/人才评价工作委员会主任/导热复合材料专业委员会常务副主任、陕西省高分子科学与技术重点实验室副主任。主要从事功能高分子复合材料和纤维增强先进树脂基复合材料的设计制备及成型加工研究。以第一/第二完成人获中国轻工业联合会技术发明奖一等奖、陕西省自然科学奖二等奖、教育部技术发明奖二等奖等省部级科研奖励5项。获国际聚合物加工学会Morand Lambla Award（莫然达-拉姆伯拉成就奖，每届全球1名）、中国复合材料学会青年科学家奖、中国化学会高分子创新论文奖（2次）、高分子成型加工及其产业发展“新锐创新奖”等。主持国家自然科学基金联合基金重点项目等省部级及以上项目30余项。以第一和/或通讯作者在Angew Chem Int Ed, Adv Mater和Sci Bull等期刊发表学术论文200余篇。主/参编英文专著4部。授权国家发明专利35件。任Compos Sci Technol、Nano-Micro Lett、高分子通报等多个期刊副主编、编委。
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