高導熱鎂合金材料的案例
【材料課堂】鋁鎂合金腐蝕行為及防護分析
鎂鋁合金在各種條件下的腐蝕行為
1 大氣腐蝕
在大氣環(huán)境下，鎂的腐蝕過程主要為氧的去極化過程，具體腐蝕程度主要受到大氣中濕度以及各種污染物含量的影響。通常來說，空氣的濕度大小對鎂鋁合金的腐蝕程度影響不明顯，只有在大氣中存在其它腐蝕性污染物時，空氣濕度大小對鎂鋁合金的腐蝕作用才會體現(xiàn)出來。如果大氣中基本上沒有任何腐蝕性物質，則無論空氣濕度有多高，鎂鋁合金腐蝕行為也會表現(xiàn)得非常微弱。而當大氣中含油大量腐蝕性污染物時，鎂鋁合金表面的腐蝕速度就會迅速增加。鎂鋁合金作為材料如果在工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境中進行工作時，其耐腐蝕性能較差。而在干燥清潔的空氣環(huán)境中，鎂的表面的養(yǎng)護膜能夠形成較強的保護作用，使鎂鋁合金的腐蝕非常微弱。
2 在各種介質中的腐蝕
在大部分有機酸、無機酸以及中性介質溶液中，鎂鋁合金的耐腐蝕性表現(xiàn)較差，而當去除鎂鋁合金表面氧化膜的情況下，即使是蒸餾水也會導致鎂鋁合金的腐蝕速度加快。但是當鎂鋁合金處于鉻酸溶液中時，其表面會形成一定鈍化膜，使其具有較好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。
展開 鎂合金新材料研發(fā)及加工工藝的新進展
[導讀] 鎂合金是最輕的工程金屬材料之一，具有很好的比強度、比剛度等性能，特別適合制造有重量輕、強度高、減震降噪要求的工程結構部件和有一定強度要求的殼體類零件。中國作為鎂資源大國，如何利用鎂資源的優(yōu)勢正受到越來越多國內有識之士的關注。隨著鎂合金及其相關技術的發(fā)展，鎂合金在中國各個領域的應用也得到了進一步的推廣。下面分別介紹中國在新型鎂合金開發(fā)和加工工藝（液態(tài)成型、固態(tài)成型和半固態(tài)成型三個方面）的研究進展。
鎂合金是最輕的工程金屬材料之一，具有很好的比強度、比剛度等性能，特別適合制造有重量輕、強度高、減震降噪要求的工程結構部件和有一定強度要求的殼體類零件。中國作為鎂資源大國，如何利用鎂資源的優(yōu)勢正受到越來越多國內有識之士的關注。隨著鎂合金及其相關技術的發(fā)展，鎂合金在中國各個領域的應用也得到了進一步的推廣。下面分別介紹中國在新型鎂合金開發(fā)和加工工藝（液態(tài)成型、固態(tài)成型和半固態(tài)成型三個方面）的研究進展。
一、新型鎂合金的開發(fā)
由于交通工具輕量化的推動，世界各國都展開了對鎂合金的研究，尋找一種可以滿足要求的新型合金，是各國科技工作者的一個共同目標，在這方面中國科技人員也進行了大量的研究工作。限制鎂合金發(fā)展的一個主要原因是鎂合金的高溫性能——抗蠕變能力和高溫疲勞性能較差，因此新材料的研發(fā)主要是針對這一問題進行的，概括的說主要包括兩個方面：一是對現(xiàn)有合金的優(yōu)化，主要是針對現(xiàn)有的商業(yè)鎂合金，特別是對Mg-Al系合金進行改性，通過添加合金元素以期改善合金的高溫性能；二是新合金系的開發(fā)，主要是指新型Mg-RE系合金的研發(fā)。
1.
展開 鎂合金材料熱處理的質量檢測及缺陷分析
鎂合金材料熱處理質量的檢測
（1）硬度試驗
硬度試驗具有速度快、操作簡單、可以在熱處理工件上直接進行而無需專門制備試樣等優(yōu)點。其中最常用的是布氏和洛氏硬度試驗，但是對于薄截面鎂合金工件，有時也采用洛氏表面硬度試驗。晶粒較大、硬度較低的鎂合金宜采用布氏硬度計測定硬度，以獲得最佳試驗結果。鎂合金的強度通常隨硬度的增加而提高，然而由于與硬度對應的強度指標很分散，因此不能用硬度計算強度，所測得的硬度值僅僅作為評定鎂合金熱處理質量的參考。
（2）拉伸試驗
拉伸試驗能更準確地衡量鎂合金的熱處理質量，但是試驗時需要專門拉伸試樣。雖然鎂合金鑄件經過機加工后得到的試樣更能代表鑄件的真實性能，但是一般采用單獨鑄造后不經機加工的試樣。通常按照ASTM標準進行試驗，以保證試驗結果的一致性。
（3）顯微組織檢查
熱處理態(tài)鎂合金制成金相試樣后檢查顯微組織，并與標準的組織照片比較，可以衡量鎂合金的熱處理質量。檢查內容主要包括：鑄造合金中的粗大化合物、鑄造合金經過不適當固溶處理后的孔隙和熔孔、鑄造和變形合金的晶粒度，以及擠壓、鍛造或軋制合金中的粗大化合物。
顯示鎂合金金相顯微組織所用的浸蝕劑見下表。
鎂合金材料熱處理缺陷分析
鎂合金熱處理時容易產生的五種常見缺陷是：氧化、過燒、彎曲與變形、晶粒異常長大和性能不均勻。
（1）氧化
如果鎂合金工件進行熱處理時沒有使用保護氣體，則會發(fā)生局部氧化甚至在爐火內起火燃燒。通常向熱處理爐內通入（0.5~1.5）Vol.%SO2或（3~5）Vol.%CO2，或含（0.5~1.5）Vol.%SF6的CO2保護氣體，或惰性氣體來避免鎂合金工件的氧化。惰性氣體由于成本過高而較少應用。此外，需要保證爐膛的清潔、干燥和密封。
展開 汽車制造不可或缺的鎂合金材料之焊接技術
采用Nd：YAG激光器和CO2激光器對6種鑄造鎂合金和4種擠壓鎂合金進行激光焊接性研究，結果發(fā)現(xiàn)對相同成份和不同成份的鎂合金，厚度從2～8mm，均可利用激光焊接，并可得到很窄的焊縫和很大的熔深。
激光焊接鎂合金的缺陷主要為氣孔、熱影響區(qū)熱裂紋及凝固裂紋。另外，鎂合金對激光的反射率較大也是鎂合金激光焊中需要注意的問題，這使激光焊接鎂合金熔深較淺。相比而言，電子束焊接得到的熔深最大，且遠超過激光焊接。
3.電子束焊
電子束可以焊透30mm的鎂合金板，熔化區(qū)的組織幾乎都是10mm左右的等軸晶。電子束焊接可以避免很多焊接缺陷，如孔洞、咬邊、根部凹陷及較寬的熱影響區(qū)等。經過工藝優(yōu)化，如調整聚焦位置到根部，優(yōu)化焊接參數等，焊縫的極限抗拉強度可以達到母材83%（有表面應力集中）和96%（無應力集中）。
電子束焊接通常為真空焊接，金屬氣體的揮發(fā)對真空室的污染很大。研究發(fā)現(xiàn)非真空電子束非常適用于鎂合金的焊接。AZ31變形鎂合金和AM50A以及AZ91D鑄造鎂合金在適當的焊接工藝下均可得到良好的接頭。相對較高的能量密度可以允許焊接速度達到15m/min，這樣熱輸入較小，焊接效率高。通過填絲可以得到無疏松、縮孔和氣孔等缺陷的焊縫，接頭的靜載荷可以與母材相當，接頭的抗腐蝕性能甚至好于母材。高速、高效且可以實現(xiàn)高自動化的非真空電子束焊接為鎂合金的大面積應用提供了新的途徑。
4.電阻點焊
電阻點焊因其成本極低、工藝穩(wěn)定成為汽車工業(yè)中最主要的焊接方法。鎂合金導熱率高、電阻值小，電阻點焊鎂合金時需要在短時間內通很高的電流，使產熱速率遠大于散熱速率。這個性能與鋁合金性能相似，因此能夠焊接鋁合金的點焊設備也能夠焊接鎂合金。電焊機的成本與變壓器次級線圈電流負荷成正比。相同板厚下，電阻點焊鋼所需的電流遠小于鎂合金，因此鎂合金的焊接設備昂貴。
展開 
基于ANSYS/LS-DYNA的鎂合金材料某無人機滑橇式起落架的跌落分析
目前，市場上廣泛使用的起落架制作材料為鋁合金，但是鋁合金起落架在使用過程中由于其具有質量高的特點會給無人機帶來很多不必要的動能損耗。因此，設計一款輕量化的起落架來降低起落架質量和提高飛行時間，從而達到增加無人機的續(xù)航時間的目的，顯得很有必要。我國是鎂資源生產大國，近年來對鎂合金的研究越來越深入，由于其很高的比強度和比剛度被廣泛應用于汽車、航空航天等工業(yè)領域中[3,4]。使用鎂合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋁合金材料作為起落架的制作材料，將會有很大的研究價值和應用市場。
課題組以某型號的植保無人機起落架為研究對象，通過有限元軟件ANSYS對起落架在滿載工況下進行靜力分析，驗證了鎂合金作為起落架制作材料的基本可行性。并對其不同載荷和跌落速度進行跌落仿真分析，進一步驗證了其作為起落架制作材料的可行性[5,6]。
1 無人機起落架的模型建立
1.1 起落架結構分析
某小型植保無人機滿載質量為33 kg，降落時允許最大下沉速度為3 m/s，起落架要有足夠的強度滿足此要求。選擇的材料為稀土鎂合金，材料參數如表1所示。
表1 材料及參數
1.2 網格的劃分
網格劃分屬于有限元分析前處理階段中的必不可少的一環(huán)，并且也是十分重要的一個階段，比如網格尺寸大小的確定對計算的精度影響較大。本研究采用四面體主導的方法進行網格劃分，單元尺寸為3mm，網格節(jié)點數為115 995，單元格數量為60 211，模型網格劃分圖如圖1所示。
圖1 網格劃分圖
2 起落架跌落仿真
網格劃分和部分設置與上文一致，在UG中新建一個平面為地面，在材料屬性中定義地面為混凝土，定義剛度行為為剛性。
展開 上海交大增材制造頂刊：增材制造制備400MPa級高強度鎂稀土合金
LPBF已成功制備了高致密度且力學性能優(yōu)良的鋁合金、鈦合金、鎳基高溫合金和鐵基合金等，但是由于鎂粉的高爆炸傾向、鎂的高飽和蒸氣壓和低沸點，采用LPBF制備鎂合金是比較困難的，研究報道相對較少。目前鎂合金的LPBF研究主要針對商業(yè)化的鑄造鎂合金牌號（如AZ91D、AZ31B、ZK60和WE43等），但是這些合金牌號不一定適合SLM快速凝固非平衡工藝，因此需要開發(fā)SLM專用高性能鎂合金成分。Mg-Gd系鎂稀土合金具有顯著的析出強化效應，是一類廣泛報導的高性能鑄造和變形鎂合金，Mg-Gd系合金中添加Y元素可以進一步提升力學性能同時降低昂貴的Gd元素含量，添加Zn元素可以引入強化相——長周期堆垛有序結構（long period stackingordered, LPSO），Zr元素是Mg-Gd系鎂稀土合金常用的晶粒細化元素。但是采用LPBF制備高強度Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的成型性、打印態(tài)到固溶態(tài)再到時效態(tài)的顯微組織和力學性能的演變還沒有其他研究者報道，有必要進行深入研究。此外，采用LPBF制備高性能Mg-Gd系鎂稀土合金有利于發(fā)揮中國的鎂與稀土資源優(yōu)勢。
上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心的彭立明教授和吳玉娟副研究員（通訊作者）團隊以Mg-10Gd-3Y-1Zn-0.4Zr(GWZ1031K, wt.%)為研究對象，系統(tǒng)地表征了粉末、打印態(tài)、LPBF-T5態(tài)、LPBF-T4態(tài)和 LPBF-T6態(tài)的顯微組織和力學性能。LPBF-T6態(tài)的屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為316 ± 5 MPa，400 ± 7 MPa和2.2 ± 0.3%。
展開 鎂合金3D打印多孔骨科植入物，鉑力特助力清華大學新材料研究
南極熊導讀：鎂合金的3D打印，實現(xiàn)起來非常困難。那么有沒有合適的金屬3D打印機可以制造鎂合金零件呢？
基于鎂合金多孔骨科植入物的研究，清華大學材料成形制造研究所課題組在設備選型階段優(yōu)先考量了國外品牌的金屬3D打印設備，但由于服務、地域等限制性因素，課題組最終選擇國產品牌的高品質設備方案。經過層層技術攻堅，鉑力特以優(yōu)質產品和專業(yè)服務獲得清華大學材料成形實驗室青睞。“鉑力特值得認可，雙方將繼續(xù)保持深度合作。”溫教授如此評價。
從嘗試到購買
為高效完成前沿課題，清華大學材料成形制造研究所溫教授課題組與德國某頂尖大學及某國際設備廠商進行合作。由于遠隔重洋，國際合作方在國內無分支機構，所以服務與交流等多方面存在諸多不便，尋找國內高品質解決方案迫在眉睫。
經過多方了解，溫教授鎖定鉑力特。深入交流之后，２０１９年１２月底，溫教授將測試材料提供給鉑力特，嘗試在國內開發(fā)鎂合金材料成形工藝。
詳細了解溫教授的技術要求后，基于鎂合金活性高、沸點低、造渣嚴重，對設備的安全性、工藝的穩(wěn)定性、參數的匹配度要求極高等特點，鉑力特成立跨部門的技術專項團隊，進行攻堅。經過大量實驗實證，僅40天，鉑力特專項團隊就打印出滿足技術要求的鎂合金驗證 件，并開發(fā)出鎂合金成形的定制化參數。溫教授說：“親自去了鉑力特兩趟，看到幾批試驗件的效果都很好”。課題組最終選擇鉑力特作為戰(zhàn)略合作伙伴，并采用基于BLT-S210的鎂合金成形參數。
以專業(yè)與服務鑄就信賴
2020年疫情大規(guī)模爆發(fā)，課題組也從驗證 件階段進入正式生產階段。受到當時北京疫情的影響，場地的選擇、設備的安裝與調試等都面臨巨大挑戰(zhàn)。了解情況后，鉑力特秉承“以用戶為中心”的理念，與課題組積極溝通，選擇先在鉑力特現(xiàn)場打印、課題組派專人駐場的方式，滿足階段性生產要求，保證項目進度。“鉑力特服務專業(yè)，交流高效，反饋迅速。
展開 南京工大《Nature》子刊：超細孿晶，讓鎂合金兼具高強度和耐蝕性！
此外，析出硬化鎂合金中的二次相常作為負極，產生深度電偶腐蝕，特別是析出相分布不均勻，往往導致嚴重的局部腐蝕和機械完整性的迅速喪失。
變形孿晶，也用于細化晶粒和增強鎂合金。然而，由于孿晶界在應變作用下的高遷移率，往往導致同一孿晶變異體的孿晶增厚和聚并，因此，在鎂合金中制備高密度的超細孿晶是相當困難的，孿晶的強化效果也很有限。
在此，研究者報道一種通過精心設計的多向壓縮法，制備由密集的超細孿晶組成的超細晶鎂合金AZ80(晶粒尺寸~300 nm)的策略。與非平衡晶界相比，孿晶界的低能量，有效地規(guī)避了非平衡晶界對耐腐蝕性能的不利影響。除了高達469 MPa的高強度，這種超細孿晶(UFT)結構降低了一個數量級的腐蝕速率，并完全抑制了嚴重的局部腐蝕。這里提出的大規(guī)模生產可行工藝，使鎂合金的生產具有高強度和高耐腐蝕性。
圖1 高密度孿晶的微觀結構。
圖2 180°C時效24 h后的顯微組織。
圖3 在3 wt.% NaCl溶液中的腐蝕速率。
圖4 3 wt.% NaCl溶液后的腐蝕形貌。
圖5 室溫拉伸力學性能。
圖6 電化學腐蝕特性及腐蝕機理。
在此，研究者已經成功地解決了在Mg AZ80中使用量產工藝制造高密度超細孿晶的挑戰(zhàn)性問題。這種超細晶孿晶結構，有效地避免了超細晶鎂合金的強度-腐蝕權衡。該方法也有應用于其它鎂合金的潛力。該研究結果表明，制備超高強度和高耐腐蝕鎂合金的工業(yè)應用是可行的。（文：水生）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。
展開 貴州大學謝蘭教授團隊：高導熱的高性能電磁屏蔽材料
圖片來源詳見論文（A部分：Chemical Engineering Journal, 2020, 383, 123072（高被引論文）; B部分: ACS Sustainable Chemistry &Engineering, 2020, 8, 4427; C部分：Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 14506.）
為了提高聚合物導熱性能，謝蘭教授團隊前期利用強剪切流動場與層層自組裝技術，從多維填料協(xié)同、多元異質結構設計（圖1B/C）及填料多尺度構建（圖1C）等方面搭建有序層狀網絡結構，研究了生物質基復合材料“結構-界面熱阻-導熱性能”的關系（圖1），最終實現(xiàn)生物質基復合材料的強韌性及其高導熱性能。
圖2. 高導熱的NFC/Fe3O4＆CNT/PEO薄膜的電磁屏蔽效果展示及其機理示意圖。
基于前期研究工作，謝蘭教授團隊進一步采用“交替多層”設計思路構建了包含納米纖維素/四氧化三鐵（NFC/Fe3O4）層和碳納米管/聚環(huán)氧乙烷（CNT/PEO）層的交替多層薄膜。其復合膜展現(xiàn)了優(yōu)異的電導率、導熱系數以及出色的電磁屏蔽效能（EMI SE）。NFC/Fe3O4＆CNT/PEO柔性薄膜同時具有出色的EMI SE和導熱系數，在通信行業(yè)，便攜式電子設備和機器人關節(jié)中具有潛在的應用前景。
圖3.復合材料的導熱與電磁屏蔽性能。
本研究成果第一作者為貴州大學材料與冶金學院2018級碩士研究生李毅，通訊作者是薛白博士和謝蘭教授。
展開 技術研究 | 液體高分子材料導熱系數測試技巧
圖7 測試的溫升擬合曲線
表3 不同三層模型擬合液體熱擴散系數結果
實驗結果表明：
1） 液體的熱擴散系數測試結果標準偏差為4.3%，而激光閃射儀測量擬合誤差為±5%，在誤差范圍內，說明利用激光閃射法測試液體的導熱系數結果是可取的。
2） 選用三層的擬合模型需要考慮正面和背面的熱損失，采用“三層+脈沖修正”模型擬合熱擴散系數的不確定度低，質量越高，水平越高，其結果可信度比三層絕熱模型擬合的高。此外，通過R2擬合結果說明其計算范圍越寬，擬合模型對于測量總體變差的解釋程度就越高。因此，需要在測試液體熱擴散系數時選用“三層+脈沖修正”模型。
案例分析
從測試結果和擬合數據可以看出，儀器本身自帶的樣品框和測試結果分析軟件可以滿足對液體導熱系數測試的需求，保證了測試結果的穩(wěn)定性，而且激光閃射導熱儀的測試溫域寬、周期短等特點可有效地提高測試效率。
經驗與建議
對于激光閃射法導熱系數的測試，需要充分利用儀器測試材料適應性廣的特點，從自帶軟件中選用合適的計算模型，進行測試方法開發(fā)來滿足業(yè)務需求。
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技術咨詢：13798034445王工
展開 自組裝法制備高導熱氮化硼復合材料
來源 | Polymer
01
背景介紹
隨著集成電路芯片和電子設備小型化的快速發(fā)展，為防止芯片的熱失控，對熱管理材料提出了更嚴格的要求。此外，電子封裝材料經常會遇到應力破壞和漏電等嚴重問題。因此同時具有出色的電絕緣性和導熱性的熱界面材料成為了重點的研究方向。
然而，導熱系數的提高受到填料的含量和結構的限制。此外，當填充量高時，由于界面相互作用弱和應力集中，復合材料的力學性能往往不理想。高填充量與高強度往往是相互矛盾的，這是復合材料機械加固的經典問題。
為了解決這個問題，研究人員采用不同的方法，如逐層組裝、模板定向組裝、機械輔助壓制和磁場輔助等廣泛發(fā)展用于制備納米復合材料。但由于效率低和路線復雜，這些策略無法實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)制備，這在實際應用中是非常不可取的。
二維BN具有較高的理論導熱系數和優(yōu)異的絕緣性能，是開發(fā)高導熱擬納米復合材料的合適候選填料。但是，由于高慣性和相對較大的厚度，h-BN在溶液中直接自組裝的報道很少。因此，研究h-BN的誘導取向對于實現(xiàn)功能復合材料的規(guī)模化制備具有重要意義。
02
成果掠影
近期，華東理工大學材料科學與工程學院的張玲教授在開發(fā)一種適合規(guī)模化熱界面材料制備技術方向取得新的進展。該團隊受天然珍珠特殊結構和功能的啟發(fā)，通過綠色、簡單的蒸發(fā)誘導組裝技術，可以大規(guī)模制備具有優(yōu)異導熱系數、高絕緣性和堅固力學性能的納米級CS/BNNS薄膜。
值得注意的是，CS/BNNS薄膜在70 wt%時的拉伸強度高達104.5 MPa, 導熱系數為26.3 W/(m·K)，這是由于其取向良好的結構和強的界面相互作用。
展開 
氧化鋁在導熱絕緣高分子復合材料中的應用
為保證電子元器件在使用環(huán)境溫度下仍能高可靠性地正常工作。需要開發(fā)導熱絕緣高分子復合材料替代傳統(tǒng)高分子材料，作為熱界面和封裝材料，迅速將發(fā)熱元件熱量傳遞給散熱設備，保障電子設備正常運行。
1.填料的導熱機理
高分子材料本身的熱傳導系數比較小 ，所以填充型高分子復合材料導熱性能主要依賴于填充物的導熱系數，填充物在基體中的分布以及與基體的相互作用。填料用量較小時，填料雖均勻分散于樹脂中，但彼此間未能形成相互接觸和相互作用，導熱性提高不大；填料用量提高到某一臨界值時，填料間形成接觸和相互作用，體系內形成了類似網狀或鏈狀結構形態(tài)，即形成導熱網鏈。當導熱網鏈的取向與熱流方向一致時，材料導熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導熱網鏈時，會造成熱流方向上熱阻很大，導致材料導熱性能很差。
制造具有優(yōu)良綜合性能的導熱材料一般有兩種途徑：一種是合成具有高熱導率的結構聚合物；另一種是在聚合物中填充高導熱性的填料。后者比較常見。一般都是用高導熱性的金屬或無機填料對高分子材料進行填充。氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）通常作
為填料應用于絕緣導熱高分子復合材料。
2 氧化鋁的形態(tài)及表面處理
2.1 氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）作為導熱絕緣材料的特點
具有導熱電絕緣性能的填料很少。常見的幾種及其熱導率分別見表1。實驗研究證明，當填料與基體熱導率之比大于100時。提高填料導熱系數已意義不大。這 就意味著應用電絕緣填料如Al2O3，MgO、BeO、AlN等可制備具有較高導熱性能的電絕緣復合材料.與其他填料相比Al2O3（VK-L04R,VK-L600D）的導熱率不高，但是其價格較低，來源較廣，填充量較大，常用作絕緣導熱聚合物的填料。Al2O3通常單獨使用或與其他填料混合使用。
展開 具有優(yōu)異的電絕緣、高導熱性能的聚合物復合材料
來源 | Composites Science and Technology
01
背景介紹
熱管理在現(xiàn)代工業(yè)和技術中發(fā)揮著越來越重要的作用，導熱材料已成為眾多電子產品和大型設備(包括能源設備、航天飛行器等)不可或缺的一部分。大多數金屬和陶瓷一般都是理想的導熱體，這可以分別歸因于電子熱傳導和相對完美的晶格振動。聚合物良好的可加工性和電絕緣性能使其在熱管理中不可或缺，但其隨機盤繞的共價分子鏈會產生強烈的聲子散射，由此產生的低導熱系數極大地限制了其在散熱中的應用。
通過提高分子鏈的結晶度和有序度，聚乙烯纖維、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纖維和聚苯并二惡唑纖維獲得了優(yōu)異的導熱系數。這為輕質、可加工和絕緣導熱材料開辟了兩個新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優(yōu)異的力學性能、低密度、良好的耐化學性、高耐磨性等特點而備受關注。最近的研究已經擴大了在熱管理中使用聚乙烯的可能性。
超高分子量聚乙烯纖維具有較高的導熱系數和優(yōu)良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領域發(fā)展為導熱材料。目前，絕緣導熱材料主要是填充導熱填料，然而在高填充量下面臨導熱系數惡化、密度高、可加工性差等棘手問題。利用超高分子量聚乙烯纖維開發(fā)全聚合物復合材料有望解決上述問題。但目前很少有研究對超高分子量聚乙烯纖維復合材料的導熱系數進行研究，導熱系數大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復合材料更是罕見。
02
成果掠影
近期，北京大學白樹林教授在開發(fā)具有高導熱和電絕緣性能的聚合物復合材料取得新成果。
針對開發(fā)具有優(yōu)異機械性能、電絕緣、高導熱的全聚合物復合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結構的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環(huán)氧樹脂復合材料。
展開 用于電池熱管理的高導熱柔性復合相變材料
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
隨著電動汽車（EV）和混合動力電動汽車（HEV）的發(fā)展，鋰離子電池因其高容量、高電壓、高能量密度和低自放電率而受到廣泛關注。然而，動力鋰電池組在行駛過程中總會產生不同程度的熱量。如果鋰離子電池產生的熱量沒有及時散發(fā)，電池的電化學性能會隨著熱量積累而下降。當這種積熱達到一定程度時，就會導致熱失控，甚至起火爆炸。因此，有必要對電池模塊提出有效的電池熱管理方法，以確保電池在正常的安全溫度范圍內運行。
根據傳輸介質的不同，目前已深入研究了空氣冷卻、液體冷卻和相變材料（PCM）冷卻三種冷卻方法。在這些方法中，空氣和液體冷卻作為主動冷卻方法通常需要額外的設備、大空間、高消耗并且增加電動汽車的重量。相比之下，PCM作為被動冷卻方法，具有潛熱高、無需額外動力設備、成本低等優(yōu)點，近年來備受關注。復合相變材料（CPCM）作為被動電池熱管理系統(tǒng)（BTMS）仍然面臨著易泄漏、高剛性和低導熱率等諸多挑戰(zhàn)。
02
成果掠影
近期，廣東工業(yè)大學材料與能源學院李新喜老師團隊提出了一種具有高抗?jié)B漏和導熱性能的多功能柔性CPCM，利用聚乙二醇和六亞甲基二異氰酸酯的聚合和交聯(lián)反應從本質上解決了CPCM的滲漏問題。結果表明，CPCM表現(xiàn)出優(yōu)異的抗?jié)B漏和彈性性能。
特別是在3wt%氮化鋁和 2 wt% 碳納米管的協(xié)同作用下，CPCM的導熱系數明顯提高了2.8倍。此外，采用多功能柔性CPCM的電池模塊即使在1.5C放電倍率下最高溫度也能控制在45℃以下，相應溫差保持在4.3℃以內。
展開 一種新型高導熱系數的BN/硅橡膠復合薄膜材料
來源 | Chemical Engineering Journal
01
背景介紹
微納電子器件的爆炸式增長刺激了對高性能熱界面材料(TIM)的需求，以解決其過熱問題。考慮到電絕緣性和柔韌性，采用高導熱填料的聚合物基復合材料(包括金屬、碳和陶瓷材料)受到了廣泛的關注。然而，金屬或碳填充復合材料的導電性不可避免的限制了其在電子器件中的應用。因此，氮化硼、氧化鋁或氧化鎂等具有高導熱性和電子絕緣性的陶瓷填料是高性能TIM的候選填料。
其中，六方氮化硼(h-BN)由于其高平面內導熱系數(理論上高達2000 W/(mK))和優(yōu)異的電子絕緣而引起了特別的關注。為了有效地將熱源產生的多余熱量傳遞到散熱器，理想的TIM最好具有高的垂直導熱系數。到目前為止，聚合物/BN復合膜即使在高填料含量(~60 wt%)下的導熱系數一般小于10 W/(mK)。然而，這種聚合物膠合填料骨架，由于簡單的物理接觸，相鄰填料之間的界面相互作用相對較弱，這在結處造成強烈的聲子散射，極大地限制了所得復合材料的導熱性增強。
聚合物-六方氮化硼(BN)復合材料因其高導熱性和優(yōu)異的電子絕緣性而成為電子器件理想的熱界面材料(TIM)。然而，由于BN填料的二維形狀和化學惰性，BN的垂直排列和巨大的熱阻是當前面臨的挑戰(zhàn)，阻礙了聚合物/BN復合材料的高效傳熱。因此開發(fā)新型的材料制備策略調控填料的排列方式是非常重要的研究方向之一。
02成果掠影
近期，復旦大學陳敏教授團隊在開發(fā)高導熱系數的硅基橡膠復合材料取得新的進展。該團隊提出通過結合一種新型的非溶劑誘導相分離工藝“原位焊接”策略。
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