随着5G和三代半导体时代的来临,电子元器件的功率密度不断提高,发热量不断增大,如果热量不能及时有效的排出,不断攀升的温度将对微电子设备的工作可靠性和寿命构成严重威胁,而解决这一问题的关键在于设计高效的热管理材料和系统。随着纳米材料及其制备技术的不断发展更新,一些具有高导热本征特性的二维材料逐渐引起人们的关注,并开始广泛应用于热管理领域。其中,以具有超高本征热导率的石墨烯和氮化硼纳米薄片（Boron Nitride Nanosheets,BNNS）作为改性填料的聚合物基复材在本领域最受关注,相关研究最多。然而,石墨烯和BNNS的热导率均表现为各向异性,填料在聚合物基材中的随机分散和无序排列,以及相邻填料之间、填料与高分子之间界面声子散射等问题,都会对最终复合产物的传热性能造成严重的负面影响。换言之,如何实现二维填料在聚合物基材中的均匀分散和有序取向连接,以保证宏观热管理材料与二维片层导热优选方向的一致性,以及如何调控接触界面状态以优化界面声子输运能力,是目前该领域亟待解决的关键科学与技术难题。有鉴于此,本文以提高聚合物基材传热能力为导向,聚焦二维填料微结构及微界面调控,以制备高性能聚合物基热管理复材,并研究了二维填料微观排列取向、界面组成与复合材料热导率及热管理性能的关系。论文主要包括以下三方面内容:1、基于垂直排列、共价键接石墨烯纳米墙的柔性、自黏热界面材料制备与性能研究针对传统制备技术不能满足本征高质量石墨烯纳米片垂直排列、共价键接构筑石墨烯三维结构的问题,我们利用中压等离子体化学气相沉积（CVD）技术,生长制备了厚度为120μm的石墨烯纳米墙（Graphene Nanowalls,GNWs）薄膜。GNWs是由垂直排列的高质量石墨烯共价键接形成的连续石墨烯三维结构,反扰动非平衡分子动力学模拟分析结果表明:相较于仅依靠范德华力搭接而形成的石墨烯三维结构而言,共价键接结构可以使得相邻石墨烯纳米片之间的界面热阻降低约两个数量级,从而赋予了GNWs骨架卓越的纵向导热能力。当其与二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）基材复合以后,在石墨烯含量仅为5.6 wt%时,其热界面材料纵向热导率即可达20.4 W m-1 K-1,每1 wt%含量石墨烯对高分子基体热导率的提升幅度达到了惊人的2006,远远高于文献报道的其他石墨烯三维结构对高分子基材热导率的增强能力。热界面性能测试表明,该热界面材料的冷却效率是目前市场上主流导热垫片贝格斯5000S35(≈5 W m-1 K-1)的1.5倍。除了因为该热界面材料具有较高的纵向热导率以外,还与其较低的接触热阻息息相关:由于石墨烯含量较低,该样品保留了高分子基材良好的可压缩性能,使得其在相同工况下,接触热阻仅为5000S35的37.4%。在实际散热测试中,该热界面材料同样表现出优于5000S35的散热能力,可以有效降低LED芯片高功率运行时的峰值温度,从而抑制LED芯片因温度过高而产生发光性能恶化的问题,在光电器件热管理方面表现出广阔的应用前景。2、大长径比氮化硼纳米片的剥离制备及基于此的高导热绝缘复合材料研究目前,受限于BNNS剥离制备技术的发展,特别是面临大长径比BNNS剥离制备的巨大挑战,导致BNNS对高分子基材热导率的增强能力有限,兼具高导热和绝缘特性的复合材料制备困难。针对上述难点,我们开发了一种可实现大长径比BNNS剥离制备的新方法:利用商用均质设备产生的超高压力强迫液流快速通过Z型微孔道,从而产生8.77×10~7 s-1的超高剪切速率,“快、准、狠”的实现六方氮化硼（Hexagonal Boron Nitride,h-BN）块体材料的剥离。该方法产率大（70–76%）、效率高,对BNNS横向尺寸损伤较小,所得样品长径比高达≈1500。改变BNNS的长径比可以实现BNNS接触界面密度以及相邻BNNS接触面积的精确调控,从而降低相邻BNNS之间的接触热阻。对比实验表明,使用平均长径比为1500的BNNS（BNNS-1500）做导热填料时,相较于平均长径比为1000的BNNS（BNNS-1000）而言,相邻填料之间的平均接触面积较后者提高了3.75倍,接触热阻仅为后者的二分之一。当BNNS-1500的含量为83 wt%时,其以聚乙烯醇（Poly（vinyl alcohol）,PVA）为基材的复合材料横向热导率高达67.6 W m-1 K-1,比BNNS-1000/PVA的横向热导率(50.9 W m-1 K-1)提高近三分之一,每1 wt%含量BNNS-1500对PVA基材热导率的提高幅度达到了427,远高于其他方法制备的BNNS对高分子基材热导率的提升能力。当BNNS-1500/PVA作为均热基板使用时,相较于商用的柔性覆铜板而言,总能使LED芯片保持更低的运行温度,表现出更优异的热管理能力,有望替代现役商用均热基板材料,实现轻质、柔韧、绝缘以及高导热的有机结合。3、大长径比氮化硼纳米片的共价修饰及基于此的高导热绝缘复合材料研究BNNS经过共价修饰接枝官能基团以后,可以有效提高其与高分子基材的相容性和交互作用,从而降低BNNS/高分子交互界面热阻。其中,边缘共价接枝官能基团的大长径比BNNS在提高复合材料热导率方面更是具有无与伦比的优越性。然而,目前仍然缺乏相关制备技术。基于上述难点,我们提出了一种大长径比BNNS低缺陷共价修饰新策略,即将微射流剥离制备的BNNS在空气气氛下进行简单的高温热处理,通过合理的调控热处理工艺,即可得到边缘羟基化的BNNS,并可保留原始BNNS的大长径比本征特性。相较于未修饰的BNNS而言,边缘羟基化修饰以后的BNNS（BNNS-OH）可以优化填料/高分子交互界面声子输运状态,从而进一步提高复合材料热导率。热导率测试结果表明,BNNS-OH与纳米纤维素（Cellulose Fiber,CNF）复合以后,在填料含量为83.7wt%时,其横向热导率高达101.2 W m-1 K-1,相较于BNNS/CNF复合材料(73.8 W m-1K-1)而言提高了37%。不仅如此,该薄膜的拉伸强度（28.4 MPa）也比后者高出约58%。将BNNS-OH/CNF复合薄膜做为打印电路均热基板使用时,其与打印电路具有很好的结合性能,在弯折10000次以后,电路总电阻仅仅提高了约4%;且在电路运行过程中,可以将电路产生的热量在极短的时间内传导开来,避免了热量积聚,表现出优异的散热效果,为高导热绝缘均热膜的制备及商业化应用提供了更多可供选择的新思路。