山东高等技术研究院郭瑞强团队Thermo-X ：表面终止与共价功能化协同调控立方砷化硼/环氧树脂界面导热

转自 Thermo-X 热科学前沿

【文章信息】

作者及机构:

艾号强，宋晓涵，冯立印，周昊，洪鹭琴，崔峥，郭瑞强*

山东高等技术研究院；

文章题目：Engineering interfacial thermal conductance across BAs/Epoxy boundaries via surface termination control and covalent bridging

DOI：10.70401/tx.2026.0036

导读

立方砷化硼（BAs）凭借极高的本征热导率与优异的电绝缘性，被视为极具潜力的新一代热界面材料填料。然而，复合材料的宏观热物性往往不仅取决于填料的本征导热能力，在很大程度上更受制于填料与基体之间显著的界面热阻。尽管BAs体系在热管理领域展现出广阔的应用前景，目前关于BAs与聚合物体系间的微观界面热输运机理尚不清楚。

针对这一基础科学问题，山东高等技术研究院郭瑞强团队采用分子动力学模拟，系统研究了BAs/环氧树脂界面的导热机制。该工作首先定量比较了五种表面构型对界面热导的影响，进而通过构建共价功能化“分子热桥”将界面热导提升至本征值的两倍，为下一代高性能热界面材料的微观界面设计与工程调控提供了理论依据与定量参考。

正文解读

研究团队采用大规模分子动力学模拟方法研究 BAs/环氧树脂界面的热输运。如图1所示，模拟体系由交联环氧（DGEBF/DETDA，交联度 80%）与BAs构成，共约14000个原子。立方砷化硼属于闪锌矿结构，沿不同晶面解理时表面最外层的原子种类不同。研究首先定量比较三种主晶面构型（五种表面终止类型）的本征界面热导，包括 B 原子终止的 (100) 面和 (111) 面，As 原子终止的 (100) 面和 (111) 面，以及 B、As 原子共面的 (110) 面。随后在界面热导最高的 B 原子终止 (100) 面上锚定五种有机功能分子，考察分子种类和覆盖度对界面热导的调控作用。主要研究内容与结论如下：

图1. BAs/环氧复合体系的原子构型。(a) 交联环氧网络（DGEBF/DETDA），(b) 闪锌矿结构 BAs 晶体，(c) 本征 BAs(100)-B/环氧界面，(d) 16% 覆盖度的功能化界面（黄色为接枝的 –OC₈H₁₇ 基团）。

1.本征界面的表面终止效应

如图2所示，五种本征界面的界面热导介于74与128MWm^-2 K^-1 之间，最大相差1.72倍。在 (100) 和 (111) 晶面上，B终止面的界面热导系统性高于As终止面。(100)-B为127.6MWm^-2K^-1，比 (100)-As高 60%，而(111)-B比(111)-As高22%。B、As原子共面的 (110) 面数值居中，为88.9m^-2K^-1。

为确定终止依赖性的物理来源，研究团队依次考察了界面黏附能和静电相互作用。五种界面的界面能均为负值，分布在−0.173至−0.208Jm^-2的窄区间内，其中库仑项的贡献较小，黏附能的大小与两类终止面的界面热导不存在相关关系。进一步的分析发现界面耦合刚度（K_A）与界面热导成正相关关系。该量定义为单位界面面积上跨界面力常数之和，表征界面两侧原子振动的耦合强度。K_A与界面热导的 Pearson相关系数达到0.93，说明不同终止面界面热导的差异源于各表面与环氧形成的跨界面振动耦合强弱不同。谱热导分析显示，五种界面的传热均由声学声子主导，声学声子贡献了总界面热导的93.5%以上。

图2. 五种本征 BAs/环氧界面的界面性质。(a) 界面热导随界面耦合刚度K_A的变化，虚线为线性拟合，r 为 Pearson 相关系数，(b) 谱热导随频率的分布。

2.表面共价功能化增强

本征界面中热导最高的B原子终止 (100) 面被选为功能化研究的基底。五种有机分子通过B-O共价键锚定于表面B原子，包括羟基（-OH）、两种不同链长的烷氧基（-OC₄H₉和-OC₈H₁₇）以及两种末端带氨基的氨烷氧基（-OC₃H₆NH₂和–OC₇H₁₄NH₂）。

如图3所示，计算结果表明，界面热导随覆盖度单调增加，分子基团种类的影响有明确规律。长链分子基团的效果明显优于羟基。机理分析表明，增强来自两个方面。接枝分子的振动态密度与环氧高度重叠，谱重叠因子为 0.56至0.91。分子一端经B-O键刚性连接 BAs 表面，另一端伸入环氧网络，构成跨界面的振动传输通道，这一机制为所有接枝分子共有。氨烷氧基末端的氨基还可与环氧网络形成共价交联，这类界面的界面能随覆盖度显著增强，交联数量随覆盖度增加，提供了附加的传热通道。全部20个功能化体系中K_A与界面热导的相关系数为0.90，与五种本征界面的0.93一致，说明界面耦合刚度是贯穿两类调控路线的统一物理描述符。

图3. 功能化 BAs(100)-B/环氧界面的覆盖度依赖性质。(a) 归一化界面热导（ITC₀=127.6 MW m^-2 K^-1），(b) 界面能，(c) 归一化振动态密度（VDOS），(d) 谱重叠因子 S。

研究总结和展望

本研究通过分子动力学模拟揭示了BAs/聚合物界面的微观热输运机理。研究发现B原子终止面的界面热导系统性高于As原子终止面，确认界面耦合刚度K_A可以作为评价界面传热能力的定量判据，并证明基于B-O锚定化学的表面共价功能化可与晶面选择叠加使用，在16%覆盖度下将界面热导提高约一倍。这些结果为BAs基热界面材料的界面调控提供了理论支撑。随着BAs制备技术的不断成熟，BAs有望在电子器件热管理领域发挥巨大作用。

基金支持

本项研究获得了山东省自然科学基金（ZR2023QA006）的资助。

通讯作者介绍

郭瑞强

郭瑞强，山东高等技术研究院研究员，热功能材料团队负责人。博士毕业于香港科技大学，曾在美国加州理工学院从事博士后研究。主要从事热功能材料与微纳尺度导热研究，在Cell Reports Physical Science、ACS nano、Advanced Functional Materials、npj Computational Materials、Physical Review B等期刊发表学术论文60余篇，6篇入选ESI高被引论文。担任Journal of Applied Physics客座编辑，Carbon Trends、Rare Metals以及Carbon Neutrality等期刊青年编委，并多次担任美国物理学会、美国机械工程师学会年会的分会主席。获评材料基因工程青年科学家奖、泰山学者青年专家、海归青年创新创业启明星等荣誉。