塑料因加工性好、质轻价廉，成为现代社会不可或缺的材料，但其在机械、热、电性能方面的先天不足，限制了它在电子器件热管理等高端领域的应用。碳纳米管凭借超高的机械、热、电性能，被视为提升塑料性能的理想增强体。然而，传统的碳纳米管与聚合物复合方法存在诸多瓶颈，要么碳纳米管负载量低、取向杂乱、分散不均，导致性能提升有限；要么虽然提升了部分性能，却牺牲了塑料原有的加工性，难以实现规模化应用。与此同时，电子器件的小型化与集成化要求热管理材料不仅要具备高热导率，还需实现定向导热，这对材料的热导率各向异性提出了很高要求。如何兼顾碳纳米管的高性能、聚合物的可加工性以及材料的定向热传输特性，成为该领域的关键科学问题。

针对上述问题，中国科学院苏州纳米所张永毅研究员及合作者开发出一种可规模化制备的原位碳纳米管-聚合物融合与热加工工艺，成功制备出兼具超高性能与优异加工性的碳纳米管超级塑料（CNTSP），该材料实现了定向高热导、高强高导的特性，且可通过3D打印、热压成型制备成各类结构，为电子器件高效热管理提供了全新解决方案。

研究团队采用浮动催化剂化学气相沉积法制备的长碳纳米管网络（碳纳米管长度约100 μm）为基础，将其浸入聚酰胺6（PA6）/甲酸溶液中，实现了高达59 wt%的碳纳米管负载。该过程既保留了碳纳米管原有的高长径比，又促使其与聚合物分子发生自发融合，有效提升了碳纳米管的取向度与堆积密度。这种特殊的微观结构赋予了碳纳米管超级塑料卓越的热学性能：其热导率可达143±5.8 Wm^–1K^–1，且呈现出高度定向的传热特性，热导率各向异性比约为123。同时，该材料还兼具优异的力学与电学性能，机械强度达663±18 MPa，电导率为8.6×10⁴ Sm^–1。

此外，团队通过一系列实验验证了CNTSP在热管理领域的优异应用潜力：将CNTSP打印件作为散热器，当碳纳米管取向方向与热流方向平行时，CNTSP散热器的热传输效率显著提升，能快速将90℃热源的热量导出，而垂直取向时则有效抑制热损耗，实现了精准定向散热。更重要的是，该工艺具有良好的通用性，除PA6外，还可拓展至聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯腈（PAN）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酮酮（PEKK）等多种工程塑料，制备的系列CNTSPs材料的热、电性能均较纯聚合物提升两个数量级以上，且保持优异的加工性，不仅满足了航空航天、新能源等不同领域的高性能材料需求，也开拓了高性能聚合物基复合材料研发新方向。

图1 碳纳米管超级塑料的制备工艺与原理

图2 碳纳米管超级塑料的微观结构与理论计算

图3 碳纳米管超级塑料的力学、电学和热学性能

图4 碳纳米管超级塑料的可塑性与3D打印成型工艺

图5 碳纳米管超级塑料的热管理应用

相关成果以Printable carbon nanotube superplastics for thermal management为题发表于《国家科学评论》。中国科学院苏州纳米所博士生陈立、武汉大学博士生贾向正、中国科学院苏州纳米所博士后傅慧丽和河南理工大学杨政鹏教授为论文共同第一作者，中国科学院苏州纳米所张永毅研究员、李清文研究员、武汉大学高恩来副教授、美国德克萨斯大学达拉斯分校房少立教授、北京石墨烯研究院蹇木强副研究员和北京大学张锦院士为共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金等基金项目资助，并得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）的表征技术支持。

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