高導(dǎo)熱復(fù)合材料制備的案例
自組裝法制備高導(dǎo)熱氮化硼復(fù)合材料
來源 | Polymer
01
背景介紹
隨著集成電路芯片和電子設(shè)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(yán)格的要求。此外，電子封裝材料經(jīng)常會遇到應(yīng)力破壞和漏電等嚴(yán)重問題。因此同時具有出色的電絕緣性和導(dǎo)熱性的熱界面材料成為了重點(diǎn)的研究方向。
然而，導(dǎo)熱系數(shù)的提高受到填料的含量和結(jié)構(gòu)的限制。此外，當(dāng)填充量高時，由于界面相互作用弱和應(yīng)力集中，復(fù)合材料的力學(xué)性能往往不理想。高填充量與高強(qiáng)度往往是相互矛盾的，這是復(fù)合材料機(jī)械加固的經(jīng)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(jī)械輔助壓制和磁場輔助等廣泛發(fā)展用于制備納米復(fù)合材料。但由于效率低和路線復(fù)雜，這些策略無法實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)制備，這在實際應(yīng)用中是非常不可取的。
二維BN具有較高的理論導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)異的絕緣性能，是開發(fā)高導(dǎo)熱擬納米復(fù)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(dǎo)取向?qū)τ趯崿F(xiàn)功能復(fù)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的張玲教授在開發(fā)一種適合規(guī)?；療峤缑?em>材料制備技術(shù)方向取得新的進(jìn)展。該團(tuán)隊受天然珍珠特殊結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，通過綠色、簡單的蒸發(fā)誘導(dǎo)組裝技術(shù)，可以大規(guī)模制備具有優(yōu)異導(dǎo)熱系數(shù)、高絕緣性和堅固力學(xué)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(qiáng)度高達(dá)104.5 MPa, 導(dǎo)熱系數(shù)為26.3 W/(m·K)，這是由于其取向良好的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)的界面相互作用。
展開 受“炸牛奶”啟發(fā)制備了高導(dǎo)熱LM@BN/PDMS復(fù)合材料
共晶鎵銦合金(EGaIn)和鎵銦錫合金(Galinstan)是兩種重要的鎵基液態(tài)金屬(LM)合金，具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性和低毒性，是下一代軟功能材料和可拉伸電子產(chǎn)品中最有前途的兩種候選材料。
LM-彈性體復(fù)合材料的形成可以通過建立微通道或骨架結(jié)構(gòu)來將LM連續(xù)相填充到聚合物中，也可以通過將LM顆粒填充到彈性體中來獲得LM嵌入彈性體(LMEE)。然而，在實際應(yīng)用中，這些材料仍然需要用外部聚合物封裝，以防止LM泄漏。與具有連續(xù)相結(jié)構(gòu)的LM復(fù)合材料相比，LMEE中的LM顆?？梢耘c基體同步變形，因此同時具有柔韌性和可拉伸性的導(dǎo)熱性，從而適用于高柔韌性和可拉伸性的體系。
LMEEs的粒徑和負(fù)載性是影響其性能的重要因素。粒度方面，可分為LM微米尺度顆粒(LMMPs)和LM納米尺度顆粒(LMNPs)。由于LMNP的高比表面積，當(dāng)與彈性體混合時，LM -彈性體復(fù)合材料的粘度會顯著增加，導(dǎo)致LMNP基LMEE的填充含量一般限制在20 vol%。這一限制不會影響其在柔性傳感器和電線制備中的應(yīng)用，但會對材料的導(dǎo)熱性施加限制。基于LMMP的LMEE可以實現(xiàn)更高的填充含量，但同時也會造成材料的不穩(wěn)定性。
而無機(jī)材料與LMs的結(jié)合可以改變LMs的流變性能，從而得到性能穩(wěn)定的雜化填料。但對于比表面積較大的二維材料，如BNNSs(氮化硼納米片)，容易形成不穩(wěn)定的粉-液共存結(jié)構(gòu)，這種方法存在局限性。硫醇可以與金屬形成配位鍵，在LMMPs表面形成自組裝單分子(SAM)層，可以有效提高LM顆粒的分散性能和穩(wěn)定性。但僅適用于LM含量低的導(dǎo)電LMEE材料。對于LM含量高的導(dǎo)熱LMEE，目前還沒有有效的LM泄漏解決方案。
展開 西工大顧軍渭教授《Research》：導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料界面熱障重要研究成果
高分子材料由于輕質(zhì)、高比強(qiáng)度/比模量、易成型加工、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和低成本等，常被用于能源、電氣/電器和電子領(lǐng)域中。但其本體導(dǎo)熱系數(shù)低（λ在0.18～0.44 W/mK之間），無法適應(yīng)有機(jī)太陽能電池、儲能材料、特高壓輸電設(shè)備和大功率LEDs等電子、電氣設(shè)備及元器件高效快速的導(dǎo)/散熱要求。
西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院顧軍渭教授“結(jié)構(gòu)/功能高分子復(fù)合材料”（SFPC）課題組長期聚焦本征高導(dǎo)熱高分子的設(shè)計合成以及導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的可控制備及內(nèi)稟機(jī)理研究。近5年來，在**重點(diǎn)項目、國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)計劃杰出青年基金項目和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金重點(diǎn)項目等的資助下，SFPC課題組系統(tǒng)開展了本征高導(dǎo)熱高分子的設(shè)計合成、新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料的優(yōu)化制備、導(dǎo)熱填料的表面功能化改性，以及導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的制備調(diào)控、導(dǎo)熱模型構(gòu)建和導(dǎo)熱機(jī)理研究，并基于本征導(dǎo)熱、共混復(fù)合和外場誘導(dǎo)成型加工，“基體-界面-填料”的熱傳輸性質(zhì)以及“分子鏈-導(dǎo)熱通路-導(dǎo)熱性能”本構(gòu)關(guān)系研究，制備出多種導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料及制品，完善和發(fā)展了其導(dǎo)熱機(jī)理。
展開 一種具有取向的BN/UHMWPE導(dǎo)熱復(fù)合材料
通過熱界面材料(TIMs)對芯片進(jìn)行有效的熱管理是改善散熱的有效措施。
聚合物基TIM因其優(yōu)異的電絕緣性能、輕量化和高穩(wěn)定性而受到廣泛關(guān)注。與普通熱塑性材料相比，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)由于分子量和纏結(jié)大，不存在粘性流動。即使在芯片過熱的極端情況下，基于UHMWPE的TIMs也不會因為熔體流動而對電子元件造成不可逆的損壞，但是其粘度阻礙了基于UHMWPE的復(fù)合材料的制造。
雖然石墨、石墨烯、碳納米管(CNTs)、碳纖維、銀顆粒、銀納米線、銅納米線具有較高的導(dǎo)熱性，但其較差的絕緣特性阻礙了TIMs在芯片封裝領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。氮化硼(BN)在陶瓷填料中導(dǎo)熱系數(shù)最高(>250 W/mK)，具有良好的電絕緣性和較低的成本。因此具有制備各向異性復(fù)合材料的優(yōu)勢。
制備取向復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法，如化學(xué)氣相沉積、磁場或電場、冷凍鑄造和真空過濾等，通常效率低下。此外，填料互連性低和三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)缺陷嚴(yán)重限制了復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提高。因此，有必要探索高效的成型方法來制備具有高導(dǎo)熱性的BN/UHMWPE復(fù)合材料。
02
成果掠影
近期，華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院高分子材料先進(jìn)制造技術(shù)與裝備研究所馮彥洪教授在制備具有取向性的導(dǎo)熱材料取得新進(jìn)展。本研究采用偏心轉(zhuǎn)子固體擠出機(jī)，在低于UHMWPE基體熔化溫度125℃的溫度下，建立定向偏析三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，制備了BN/UHMWPE取向高導(dǎo)熱復(fù)合材料。制備的復(fù)合材料具有高取向性(取向因子0.826)、高導(dǎo)熱性(6.25 W/mK)、優(yōu)異的電絕緣性和熱穩(wěn)定性，以及在29.2 vol% BN負(fù)載下的優(yōu)異成本效益，對電子封裝應(yīng)用具有吸引力。此外，我們提出了蜂窩導(dǎo)熱模型，可以精確計算取向偏析復(fù)合材料的理論導(dǎo)熱系數(shù)。
展開 
3D打印/FDM工藝制備導(dǎo)熱MWCNT/PLA納米復(fù)合材料
來源 | ACS Applied Nano Materials
01
背景介紹
由于高密度功率傳輸、架構(gòu)復(fù)雜性、小型化、功能化和新技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，散熱成為了高性能計算和電子設(shè)備的發(fā)展瓶頸。因此，開發(fā)創(chuàng)新的高導(dǎo)熱材料來解決這一問題具有重要意義，常見的導(dǎo)熱填料如氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氮化硅、金剛石、石墨、金屬顆粒、碳納米管(CNTs)、石墨烯等，已被廣泛用于制備聚合物復(fù)合材料，以達(dá)到期望的性能。
其中，碳納米管相對于金屬納米填料具有更大的縱橫比和靈活性，可以更好地融入聚合物基體中，以滿足熱管理要求。多壁碳納米管(MWCNT)的導(dǎo)熱系數(shù)為2586 ~ 3075 W/(mK) 。然而，在先前的研究中，在聚合物復(fù)合材料中加入碳納米管對熱傳導(dǎo)或傳熱能力的增強(qiáng)作用有限。因此，開發(fā)一種能夠使得碳納米管在聲子傳輸?shù)臐撏ǖ赖氖走x方向上有序排列，以及調(diào)整在復(fù)合材料中所需的填充位置，這對于實現(xiàn)快速熱傳導(dǎo)的迫切需求是必不可少的。
3D打印，也被稱為增材制造，是一種從3D模型數(shù)據(jù)一層一層地將材料連接起來制造物體的過程。其中直接墨水直寫(DIW)和熔融層積成型(FDM)正在成為制造聚合物納米復(fù)合材料最成功和最廣泛使用的工藝。其中FDM方法是一種簡單的方法，可以制造幾何復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，并可編程宏觀和微觀結(jié)構(gòu)。3D打印的高縱橫比材料可以賦予打印結(jié)構(gòu)特殊的多功能，包括在電氣和熱管理、能量收集、能量存儲和傳感等應(yīng)用中所需要的功能。
3D打印和碳納米管的結(jié)合可以為分層排列的結(jié)構(gòu)編程提供無限的可能性。為了獲得高導(dǎo)熱性的聚合物納米復(fù)合材料，最需要的是在聚合物基體中加入大量的填料，并控制填料的取向和位置。
展開 熱管理用高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料研究進(jìn)展
來源 | 無機(jī)材料學(xué)報
作者 | 陳強(qiáng)，白書欣，葉益聰
單位 | 國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，材料科學(xué)與工程系
原位 | DOI：10.15541/jim20220640
摘要：碳化硅陶瓷基復(fù)合材料以其高比強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱、良好的耐燒蝕性能、高溫抗氧化性、抗熱震性能等特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、摩擦制動、核聚變等領(lǐng)域，成為先進(jìn)的高溫結(jié)構(gòu)及功能材料。本文綜述了高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料制備及性能等方面的最新研究進(jìn)展。研究通過引入高導(dǎo)熱相，如金剛石粉、中間相瀝青基碳纖維等用以增強(qiáng)熱輸運(yùn)能力；優(yōu)化熱解碳與碳化硅基體界面用以降低界面熱阻；熱處理用以獲得結(jié)晶度更高、導(dǎo)熱性能更好的碳化硅基體；設(shè)計預(yù)制體結(jié)構(gòu)用以建立連續(xù)導(dǎo)熱通路等方法，提高碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。此外，本文展望了高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料后續(xù)研究方向，即綜合考慮影響碳化硅陶瓷基復(fù)合材料性能要素，優(yōu)化探索高效、低成本的制備工藝；深入分析高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)理，靈活運(yùn)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的構(gòu)效關(guān)系，以期制備尺寸穩(wěn)定、具有優(yōu)異熱物理性能的各向同性高導(dǎo)熱碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。
展開 北京化工大學(xué)盧詠來教授課題組：基于凝膠多糖及泡沫模板的三維氧化鋁導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備
現(xiàn)代電子設(shè)備對高導(dǎo)熱界面材料的要求越來越高。獲得高熱導(dǎo)率的關(guān)鍵是在基體中建立起完整的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。
基與上述背景，北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院盧詠來教授課題組采用發(fā)泡法，通過對氧化鋁以及凝膠多糖懸浮液進(jìn)行發(fā)泡，利用泡沫將氧化鋁及凝膠多糖排斥到泡孔之間，然后在一定溫度下加熱，發(fā)揮凝膠多糖的快速凝膠特性，將導(dǎo)熱通路固定下來。圖1顯示了制備的過程。圖2顯示了形成的導(dǎo)熱通路的結(jié)構(gòu)。
圖1
3D-Al2O3-PDMS
復(fù)合材料的制備流程示意圖
.
圖
2
氧化鋁骨架材料的
SEM
圖像：
(a-d)
不同氧化鋁含量的氧化鋁骨架材料；
(e-f)骨架材料上的開孔；
(g-i)在氮?dú)庵杏?00 ℃加熱的氧化鋁骨架材料.
得到導(dǎo)熱骨架材料后，他們通過真空浸漬的方法將PDMS注入到骨架材料的泡孔中，PDMS固化后制得復(fù)合材料。圖3是制備的復(fù)合材料截面的SEM圖以及EDS圖，它們展示了復(fù)合材料中氧化鋁和PDMS的存在狀態(tài)。
圖3 3D-Al2O3-PDMS的微觀結(jié)構(gòu): (a-c) SEM圖片；(d) 3D-Al2O3-PDMS的SEM圖像以及Si、Al和O元素的EDS圖像.
圖4(a)顯示了氧化鋁凝膠復(fù)合材料和通過無規(guī)共混法制備的復(fù)合材料它們的熱導(dǎo)率對氧化鋁負(fù)載量的依賴性。通過兩種方法制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率都隨著氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而逐漸增大。當(dāng)填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，填料逐漸在基體中構(gòu)建起導(dǎo)熱通路，使得聲子由交替通過基體和填料的方式，逐漸轉(zhuǎn)向更多地在連接起來的填料網(wǎng)絡(luò)中通過。
展開 氧化鋁在導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料中的應(yīng)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(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)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(shè)備，保障電子設(shè)備正常運(yùn)行。
1.填料的導(dǎo)熱機(jī)理
高分子材料本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)比較小 ，所以填充型高分子復(fù)合材料導(dǎo)熱性能主要依賴于填充物的導(dǎo)熱系數(shù)，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(dǎo)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(nèi)形成了類似網(wǎng)狀或鏈狀結(jié)構(gòu)形態(tài)，即形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。當(dāng)導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的取向與熱流方向一致時，材料導(dǎo)熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈時，會造成熱流方向上熱阻很大，導(dǎo)致材料導(dǎo)熱性能很差。
制造具有優(yōu)良綜合性能的導(dǎo)熱材料一般有兩種途徑：一種是合成具有高熱導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)聚合物；另一種是在聚合物中填充高導(dǎo)熱性的填料。后者比較常見。一般都是用高導(dǎo)熱性的金屬或無機(jī)填料對高分子材料進(jìn)行填充。氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）通常作
為填料應(yīng)用于絕緣導(dǎo)熱高分子復(fù)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(dǎo)熱絕緣材料的特點(diǎn)
具有導(dǎo)熱電絕緣性能的填料很少。常見的幾種及其熱導(dǎo)率分別見表1。實驗研究證明，當(dāng)填料與基體熱導(dǎo)率之比大于100時。提高填料導(dǎo)熱系數(shù)已意義不大。這 就意味著應(yīng)用電絕緣填料如Al2O3，MgO、BeO、AlN等可制備具有較高導(dǎo)熱性能的電絕緣復(fù)合材料.與其他填料相比Al2O3（VK-L04R,VK-L600D）的導(dǎo)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(dǎo)熱聚合物的填料。Al2O3通常單獨(dú)使用或與其他填料混合使用。
展開 一種新型高導(dǎo)熱系數(shù)的BN/硅橡膠復(fù)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(dǎo)熱填料的聚合物基復(fù)合材料(包括金屬、碳和陶瓷材料)受到了廣泛的關(guān)注。然而，金屬或碳填充復(fù)合材料的導(dǎo)電性不可避免的限制了其在電子器件中的應(yīng)用。因此，氮化硼、氧化鋁或氧化鎂等具有高導(dǎo)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(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)(理論上高達(dá)2000 W/(mK))和優(yōu)異的電子絕緣而引起了特別的關(guān)注。為了有效地將熱源產(chǎn)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(dǎo)熱系數(shù)。到目前為止，聚合物/BN復(fù)合膜即使在高填料含量(~60 wt%)下的導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)處造成強(qiáng)烈的聲子散射，極大地限制了所得復(fù)合材料的導(dǎo)熱性增強(qiáng)。
聚合物-六方氮化硼(BN)復(fù)合材料因其高導(dǎo)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(xué)惰性，BN的垂直排列和巨大的熱阻是當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，阻礙了聚合物/BN復(fù)合材料的高效傳熱。因此開發(fā)新型的材料制備策略調(diào)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(fù)旦大學(xué)陳敏教授團(tuán)隊在開發(fā)高導(dǎo)熱系數(shù)的硅基橡膠復(fù)合材料取得新的進(jìn)展。該團(tuán)隊提出通過結(jié)合一種新型的非溶劑誘導(dǎo)相分離工藝“原位焊接”策略。
展開 一種具有高導(dǎo)熱和絕緣性的PBO納米復(fù)合材料
來源 | Nano-Micro Letters
00
背景介紹
導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合紙由于具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的可設(shè)計性等優(yōu)點(diǎn)，在鋰電池、電容器、集成電路等領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。隨著小型化和集成化的快速發(fā)展，以及功率密度的不斷提高，電子器件和電氣設(shè)備內(nèi)部的熱量積聚問題日益嚴(yán)重，這就對導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合紙的導(dǎo)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，聚合物基復(fù)合紙應(yīng)具有優(yōu)異的電絕緣性，以滿足實際電子工程中的應(yīng)用。雖然導(dǎo)熱聚合物基體(聚四氟乙烯、聚酰亞胺、芳綸和纖維素納米纖維等)復(fù)合紙由于其成本低、加工工藝簡單，但其本身耐熱性差或機(jī)械性能差，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用?；蛘叩?em>導(dǎo)熱率限制了它們的應(yīng)用，不再保證高端電子電器熱管理領(lǐng)域的穩(wěn)定性和可靠性。
在已知的有機(jī)纖維中，PBO纖維具有最高的熱分解溫度(650℃)、最佳的拉伸強(qiáng)度(5.8 GPa)和拉伸模量(280 GPa)，被譽(yù)為21世紀(jì)的超級纖維。最近的研究表明，通過有機(jī)酸剝離得到的PBO納米纖維(PNF)可以保留PBO纖維優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性。此外，它們的內(nèi)部含有高度定向的分子鏈和原始結(jié)晶度，具有比普通聚合物基體更好的導(dǎo)熱性，在導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合紙領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景
02
成果掠影
近期，西北工業(yè)大學(xué)顧軍渭/重慶師范大學(xué)Tang Yusheng團(tuán)隊通過“溶膠-凝膠”薄膜轉(zhuǎn)化工藝將表面功能化的氮化硼(m-BN)與聚對苯撐苯并二噁唑納米纖維(PNF)均勻復(fù)合，制備出仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)的m-BN/PNF納米復(fù)合紙。本文采用“高溫固相&重氮鹽分解”法制備了聯(lián)苯胺功能化氮化硼(m-BN)。
展開 具有優(yōu)異的電絕緣、高導(dǎo)熱性能的聚合物復(fù)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(shù)中發(fā)揮著越來越重要的作用，導(dǎo)熱材料已成為眾多電子產(chǎn)品和大型設(shè)備(包括能源設(shè)備、航天飛行器等)不可或缺的一部分。大多數(shù)金屬和陶瓷一般都是理想的導(dǎo)熱體，這可以分別歸因于電子熱傳導(dǎo)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(jī)盤繞的共價分子鏈會產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲子散射，由此產(chǎn)生的低導(dǎo)熱系數(shù)極大地限制了其在散熱中的應(yīng)用。
通過提高分子鏈的結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)。這為輕質(zhì)、可加工和絕緣導(dǎo)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(xué)性能、低密度、良好的耐化學(xué)性、高耐磨性等特點(diǎn)而備受關(guān)注。最近的研究已經(jīng)擴(kuò)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(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領(lǐng)域發(fā)展為導(dǎo)熱材料。目前，絕緣導(dǎo)熱材料主要是填充導(dǎo)熱填料，然而在高填充量下面臨導(dǎo)熱系數(shù)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(fù)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(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，導(dǎo)熱系數(shù)大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料更是罕見。
02
成果掠影
近期，北京大學(xué)白樹林教授在開發(fā)具有高導(dǎo)熱和電絕緣性能的聚合物復(fù)合材料取得新成果。
針對開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械性能、電絕緣、高導(dǎo)熱的全聚合物復(fù)合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。
展開 
用于電池?zé)峁芾淼?em>高導(dǎo)熱柔性復(fù)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(guān)注。然而，動力鋰電池組在行駛過程中總會產(chǎn)生不同程度的熱量。如果鋰離子電池產(chǎn)生的熱量沒有及時散發(fā)，電池的電化學(xué)性能會隨著熱量積累而下降。當(dāng)這種積熱達(dá)到一定程度時，就會導(dǎo)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?zé)峁芾矸椒?，以確保電池在正常的安全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。
根據(jù)傳輸介質(zhì)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(shè)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(shè)備、成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來備受關(guān)注。復(fù)合相變材料（CPCM）作為被動電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）仍然面臨著易泄漏、高剛性和低導(dǎo)熱率等諸多挑戰(zhàn)。
02
成果掠影
近期，廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院李新喜老師團(tuán)隊提出了一種具有高抗?jié)B漏和導(dǎo)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(yīng)從本質(zhì)上解決了CPCM的滲漏問題。結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)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(yīng)溫差保持在4.3℃以內(nèi)。
展開 可制備三維高分子納米復(fù)合材料的新方法
可制備三維高分子納米復(fù)合材料的新方法。碳納米管（CNTs）和石墨烯作為一種新型的碳納米材料，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，在聚合物納米復(fù)合材料領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。
近年來，中國科學(xué)院新疆理工研究所研究員馬鵬程領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在碳納米管泡沫材料的制備和應(yīng)用方面取得了一系列進(jìn)展，部分研究成果已應(yīng)用于國家重點(diǎn)實驗室。授權(quán)和授權(quán)。柔性傳感裝置中的三維聚合物納米復(fù)合材料的研究成果發(fā)表在《復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)》上，該研究得到了國家計劃、自然科學(xué)基金和精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)化聯(lián)盟的支持。中國科學(xué)院研究生院。
研究人員使用廉價的商業(yè)化聚合物泡沫作為模板。通過控制實驗條件，制備原位催化劑，部分熱解聚合物模板，以及納米材料的生長，實現(xiàn)了CNT泡沫的高效可控生長。馬鵬程說，我們獲得的納米材料具有優(yōu)異的St。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、疏水性和吸附性均能吸附30～80倍的有機(jī)溶劑和未聚合的液體聚合物樹脂，可制備任意形狀的碳納米管泡沫，為C的制備提供了極大的便利。聚合物納米復(fù)合材料。
同時，研究人員充分利用了CNT泡沫的孔結(jié)構(gòu)和吸附性能，并以聚甲基硅氧烷為基質(zhì)，采用樹脂自滲透法制備了三維聚合物納米復(fù)合材料。研究了該材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，該材料具有獨(dú)特的壓阻效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，研制了一種基于三維聚合物納米復(fù)合材料的柔性應(yīng)變傳感器。
研究人員利用自行研制的掃描電鏡（SEM）原位微機(jī)械測試裝置研究了應(yīng)力條件下器件的微觀斷裂行為。結(jié)果表明，器件的電阻行為與CNT泡沫骨架的變化、內(nèi)部裂紋的形成和擴(kuò)展以及微觀結(jié)構(gòu)和結(jié)有關(guān)，從結(jié)構(gòu)變化的角度解釋了傳感材料的力電耦合行為。
柔性應(yīng)變傳感器可以以多種方式結(jié)合到實際應(yīng)用中，如電子皮膚顯示材料的應(yīng)力分布、指示材料的存取電路的應(yīng)變狀態(tài)等。它在可穿戴設(shè)備、柔性電子顯示、儲能等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
展開 一種用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的高導(dǎo)熱防漏復(fù)合相變材料
其中鋰離子電池以其能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)作為電動汽車的主要能源。電池系統(tǒng)的性能和壽命受到工作溫度的限制。隨著能量密度的增加，電池在運(yùn)行過程中必須產(chǎn)生大量的熱量。如果電池產(chǎn)生的熱量沒有及時散發(fā)出去，就會損害電池的工作性能、使用壽命。它很容易發(fā)生熱失控導(dǎo)致大規(guī)模的火災(zāi)事故。
近年來，各種電池模塊的冷卻方法得到了廣泛的研究。包括風(fēng)冷和液冷在內(nèi)的主動冷卻方式一般需要額外的輔助消耗設(shè)備和空間，這將相應(yīng)地提高成本和重量。相比之下，基于相變材料PCM的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)因其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、冷卻效率高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。聚乙二醇(PEG)作為一種節(jié)能環(huán)保的儲能材料材料引起了人們的廣泛關(guān)注，它被認(rèn)為是一種相變材料是一種很有前途的儲熱材料熔點(diǎn)熱大，熔點(diǎn)均勻，無腐蝕性，熔點(diǎn)范圍寬。
然而，聚乙二醇是一種經(jīng)典的固-液相變物質(zhì)，必須包裝在其中特殊密封容器。為了解決這一典型的泄漏問題，采用熔融浸漬法制備了形狀穩(wěn)定的PEG基CPCM。為提高了相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)進(jìn)一步提高冷卻效果，一般來說導(dǎo)熱性能通過加入高導(dǎo)電性熱添加劑，如金屬粉末、碳納米管(CN)、石墨烯、氮化鋁(AlN)和膨脹石墨(EG)來優(yōu)化。但是當(dāng)導(dǎo)熱填料粉末作為導(dǎo)熱促進(jìn)劑添加到PCM中，這些小顆粒會聚集在一起形成更大的團(tuán)簇，這對形成連續(xù)換熱網(wǎng)絡(luò)有負(fù)面影響將限制優(yōu)化熱導(dǎo)率。
復(fù)合相變材料（CPCMs）作為被動冷卻系統(tǒng)在電池組中具有很大的應(yīng)用潛力。但其固有的漏電性和較低的導(dǎo)熱系數(shù)限制了其在實際應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用。因此，探索一種有效、優(yōu)越的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTM)，確保電池在合適的溫度范圍內(nèi)工作，抑制鋰電池的熱傳播，將極大地提高電動汽車的安全性，降低事故風(fēng)險。
展開 研究 \\ 氮化硼高度垂直排列取向的橡膠基高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料
由于動態(tài)交聯(lián)BR的重排機(jī)制及其優(yōu)異的可再加工性，成功完成了后續(xù)的焊接工藝，制備出高垂直排列的BN/BR復(fù)合材料（VAC）。實驗結(jié)果表明通過掃描電鏡和小角度X射線驗證了所設(shè)計的VAC具有強(qiáng)取向的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果，當(dāng)BN含量為52 vol %時，VAC達(dá)到了前所未有的面外導(dǎo)熱系數(shù)(14.1 W/mK)，并且與商業(yè)TIM相比，芯片運(yùn)行溫度大大降低。除了優(yōu)異的導(dǎo)熱性外，BN/BR復(fù)合材料還具有優(yōu)異的電絕緣性和阻燃性。該仿生復(fù)合材料的簡單制備和可擴(kuò)展性為高性能復(fù)合材料的設(shè)計和制備開辟了新的道路。研究成果以“Vitrimer-Assisted Construction of Boron Nitride Vertically Aligned Nacre-mimetic Composites for Highly Thermally Conductive Thermal Interface Materials ”為題發(fā)表于《Chemistry of Materials》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1.(a)天然貝殼珠層的微觀結(jié)構(gòu)，(b)模擬珍珠微結(jié)構(gòu)VAC的制造示意圖。
圖2.VAC的微觀結(jié)構(gòu)及內(nèi)部的BN取向度測試。
圖3.VAC材料的XRD結(jié)構(gòu)示意圖以及不同含量下取向的情況和實物形變照片。
圖4.復(fù)合材料的焊接示意圖以及焊縫照片和取向因子的計算。
圖5.VAC的導(dǎo)熱性能測試。
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