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登錄導熱高分子材料
關注創建者:熱管理博覽會 創建時間:2023-08-24

導熱高分子材料的實例教程
高分子材料由于輕質、高比強度/比模量、易成型加工、優良的化學穩定性和低成本等,常被用于能源、電氣/電器和電子領域中。但其本體導熱系數低(λ在0.18~0.44 W/mK之間),無法適應有機太陽能電池、儲能材料、特高壓輸電設備和大功率LEDs等電子、電氣設備及元器件高效快速的導/散熱要求。
西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”(SFPC)課題組長期聚焦本征高導熱高分子的設計合成以及導熱高分子復合材料的可控制備及內稟機理研究。近5年來,在**重點項目、國家自然科學基金、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目和廣東省基礎與應用基礎研究基金重點項目等的資助下,SFPC課題組系統開展了本征高導熱高分子的設計合成、新型異質結構填料的優化制備、導熱填料的表面功能化改性,以及導熱高分子復合材料的制備調控、導熱模型構建和導熱機理研究,并基于本征導熱、共混復合和外場誘導成型加工,“基體-界面-填料”的熱傳輸性質以及“分子鏈-導熱通路-導熱性能”本構關系研究,制備出多種導熱高分子復合材料及制品,完善和發展了其導熱機理。
展開 為保證電子元器件在使用環境溫度下仍能高可靠性地正常工作。需要開發導熱絕緣高分子復合材料替代傳統高分子材料,作為熱界面和封裝材料,迅速將發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,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 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,進行測試方法開發來滿足業務需求。
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展開 現就職于西北工業大學化學與化工學院,任西北工業大學倫敦瑪麗女王大學工程學院高分子材料與工程系主任、化學與化工學院化學與化工實驗中心副主任。主持完成國家自然科學基金、陜西省自然科學基金、航天科學技術基金等多項國家級/省部級課題。近年來以第一作者或通訊作者在Biomacromolecules, Compos Part A-Appl S, Chem Eng J等期刊發表SCI論文30余篇(3篇論文入選ESI高被引論文)。
張睿涵,中共黨員,陜西西安人,2018級碩士研究生(推薦免試)。2018年在廣西大學獲學士學位,同年加入顧軍渭教授SFPC課題組攻讀碩士學位。主要從事玻璃纖維的表面功能化改性及其玻璃纖維/環氧樹脂導熱復合材料的制備和內稟機制研究。獲第五屆“光威杯”中國復合材料學會大學生科技創新競賽全國特等獎(全國唯一);2019~2020學年“柯盛新材”(碩新)專項獎學金。參與國家自然科學基金1項、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目1項。以第一作者在J Mater Sci Technol和Chinese J Polym Sci上發表學術論文2篇;參與國內會議2次;公開國家發明專利1件。
顧軍渭,教授/博導、陜西省杰出青年科學基金獲得者、高分子電磁功能材料陜西省“三秦學者”創新團隊核心人員(排名第2)。現任化學與化工學院副院長、陜西省高分子科學與技術重點實驗室副主任、無人系統技術研究院智能材料與結構研究所所長;兼任中國復合材料學會導熱復合材料專業委員會常務副主任、中國化學會高級會員、英國皇家化學會會員等。主要從事功能高分子復合材料(導熱、電磁屏蔽、吸聲等)和纖維增強樹脂基復合材料(透波、耐燒蝕等)的結構/功能一體化設計制備及加工研究工作。
展開 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/聚環氧乙烷(CNT/PEO)層的交替多層薄膜。其復合膜展現了優異的電導率、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,便攜式電子設備和機器人關節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。
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導熱高分子材料的最新內容
高分子材料問世至今僅有一百多年的歷史,但其發展速度之快及應用范圍之廣,使它和鋼鐵、木材、水泥一起構成現代社會的四大基礎材料。與其它材料相比,高分子材料具有非常優良的成型加工性能和機械強度,這與其特殊的結構、分子量大小和分子量的差異程度(分子量分布)有著非常密切的關系。
因此,掌握平均分子量和分子量分布等信息,對于高分子材料的研究、開發、制備以及生產工藝管理和品質把控等方面至關重要。
<p>透射電子顯微鏡(縮寫TEM),簡稱透射電鏡,是把經加速和聚集的電子東投射到非常薄的樣品上,電子與樣品中的原子碰撞而改變方向,從而產生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關,因此可以形成明暗不同的影像,影像將在放大、聚焦后在成像器件(如熒光屏、膠片、以及感光耦合組件)上顯示出來。由于電子的德布羅意波長非常短,透射電子顯微鏡的分辨率比光學顯微鏡高的很多,可以達到0.1~0.2nm,放大倍數為幾萬
在高分子材料的廣闊領域中,PVT 曲線作為一種關鍵的研究工具,正逐漸展現出其不可忽視的重要性。PVT 曲線,即聚合物材料的壓力(Pressure)、體積(Volume)和溫度(Temperature)之間的關系曲線,它如同一個微觀世界的解碼器,為我們揭示了高分子材料在不同條件下的物理行為奧秘,對高分子材料的研發、加工以及產品質量控制都起著舉足輕重的作用。
一
高分子材料的獨特 “指紋
設備簡介
設備名稱:激光共聚焦顯微拉曼光譜儀
設備型號:DXR 3xi
在樣品分子結構和空間分布分析時,通常會遇到很多具有一定透明度的樣品如超薄多層聚合物、半導體多層膜、鍍層、多層纖維、生物細胞等,不僅需要實現表層信息的分析,同時需要探測內部成分和空間分布信息,而這些樣品大多數不能或不易切片,需要尋求具有無損探測樣品內部信息的分析手段
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企業展品布局
熱管理材料主題展示區
原材料:導熱填料、聚合物基底材料、封裝材料等
導/散熱材料:熱界面材料、導熱高分子材料、碳材料、陶瓷基板、熱沉材料、相變材料(儲熱)等
隔熱材料:氣凝膠、泡沫隔熱材料、真空板、碳氈、復合保溫隔熱材料等
輔助材料與配件:離型膜、雙面膠等
液冷主題展示區
原材料:冷卻液、金屬材料等
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企業展品布局
熱管理材料主題展示區
原材料:導熱填料、聚合物基底材料、封裝材料等
導/散熱材料:熱界面材料、導熱高分子材料、碳材料、陶瓷基板、熱沉材料、相變材料(儲熱)等
隔熱材料:氣凝膠、泡沫隔熱材料、真空板、碳氈、復合保溫隔熱材料等
輔助材料與配件:離型膜、雙面膠等
液冷主題展示區
原材料:冷卻液、金屬材料等
來源 | Nano-Micro Letters
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背景介紹
導熱聚合物基復合紙由于具有高強度、高導熱性和優異的可設計性等優點,在鋰電池、電容器、集成電路等領域受到了廣泛關注。隨著小型化和集成化的快速發展,以及功率密度的不斷提高,電子器件和電氣設備內部的熱量積聚問題日益嚴重,這就對導熱聚合物基復合紙的導熱性和耐熱性提出了更高的要求。此外,為了避免微電子元件之間形成短路電流和信號相互干擾
目前工程材料的工作環境往往涉及到爆炸、高速沖擊、切削、高溫、高應變率等極端條件,此時材料的動態力學性能是人們非常關心的一個重要問題。這類載荷作用時間一般較短(微秒乃至納秒)、沖擊強度高,足以引起大變形乃至破壞,所以研究材料在沖擊載荷作用下的力學性能具有重要的工程意義。
一般情況下材料的準靜態的應變率在10-5~10-2 s-1之間,其動態沖擊的高應變率往往在102 ~104 s-1之間
企業展品布局
1.材料主題展示區
原材料:導熱填料、聚合物基底材料、封裝材料等
導/散熱材料:熱界面材料、導熱高分子材料、碳材料、陶瓷基板、熱沉材料、相變材料〔儲熱)等
隔熱材料:氣凝膠、泡沫隔熱材料、真空板、碳氈、復合保溫隔熱材料等
輔助材料與配件:離型膜、雙面膠等
⒉液冷主題展示區
原材料:冷卻液,金屬材料等
零部件:快接頭,管路,膨脹閥,節流閥,
相比導熱高分子復合材料,本征結構的導熱高分子材料因同步的高導熱及高絕緣強度、優異柔韌性、輕質高強等優異的綜合性能及優勢受到了國內外學者的廣泛研究和關注。本文首先討論了聚合物的本征導熱機理,系統深入地分析和評述了單體及分子鏈結構、結晶、取向、分子鏈間作用、交聯、缺陷等結構因素,以及溫度、壓力、環境等因素對聲子熱傳遞及聚合物導熱的影響機理,進一步歸納了本征導熱聚合物的制備策略和途徑。