導(dǎo)熱復(fù)合材料制備技術(shù)的案例
自組裝法制備高導(dǎo)熱氮化硼復(fù)合材料
來(lái)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(duì)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(huì)遇到應(yīng)力破壞和漏電等嚴(yán)重問(wèn)題。因此同時(shí)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(shí)，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(wèn)題。
為了解決這個(gè)問(wèn)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(chǎng)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(xiàn)復(fù)雜，這些策略無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)制備，這在實(shí)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(kāi)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(duì)較大的厚度，h-BN在溶液中直接自組裝的報(bào)道很少。因此，研究h-BN的誘導(dǎo)取向?qū)τ趯?shí)現(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(kāi)發(fā)一種適合規(guī)模化熱界面材料制備技術(shù)方向取得新的進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)受天然珍珠特殊結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，通過(guò)綠色、簡(jiǎn)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(jiān)固力學(xué)性能的納米級(jí)CS/BNNS薄膜。
值得注意的是，CS/BNNS薄膜在70 wt%時(shí)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(kāi) 3D打印/FDM工藝制備導(dǎo)熱MWCNT/PLA納米復(fù)合材料
來(lái)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(jì)算和電子設(shè)備的發(fā)展瓶頸。因此，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的高導(dǎo)熱材料來(lái)解決這一問(wèn)題具有重要意義，常見(jiàn)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(duì)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(mǎn)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(duì)熱傳導(dǎo)或傳熱能力的增強(qiáng)作用有限。因此，開(kāi)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(duì)于實(shí)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(chēng)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(lái)制造物體的過(guò)程。其中直接墨水直寫(xiě)(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(jiǎn)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(chǔ)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(wú)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(kāi) 受“炸牛奶”啟發(fā)制備了高導(dǎo)熱LM@BN/PDMS復(fù)合材料
(a)六方氮化硼(h-BN)制備的巰基氮化硼(BN-S)結(jié)構(gòu)示意圖;(b) LM@BN核殼微粒和LM@BN/PDMS復(fù)合材料的制備示意圖。
圖2. (a) BN和BN- s的SEM圖像;(b) BN和BN- s的FT-IR光譜;(c) BN和BN- s的TGA曲線(xiàn);(d) BN和BN- s的B原子X(jué)PS譜。
圖3.(a) LM@BN結(jié)構(gòu)示意圖;(b) BN-S和LM@BN中N原子的XPS光譜;(c) BN-S和LM@BN的S原子X(jué)PS光譜;(d) (i-ii) LMMP和LM@BN的光學(xué)顯微鏡照片;(iii-iv) LM@BN核殼微粒的掃描電鏡照片，(v-vi) Ga和N元素的EDS掃描圖。
圖4.(a) LM@BN拉伸過(guò)程中復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)重排;(b)復(fù)合材料原始狀態(tài)和編程后的顯微組織(i-ii)光學(xué)顯微鏡，(i-ii)掃描電鏡;(c)編程后復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)；(d)導(dǎo)熱系數(shù)與體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。
圖5
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復(fù)合材料的力學(xué)性能及其在熱管理中的應(yīng)用實(shí)例
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圖6
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復(fù)合材料的介電性能
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圖7
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展開(kāi) 北京化工大學(xué)盧詠來(lái)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(duì)高導(dǎo)熱界面材料的要求越來(lái)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(lái)教授課題組采用發(fā)泡法，通過(guò)對(duì)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(lái)。圖1顯示了制備的過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)無(wú)規(guī)共混法制備的復(fù)合材料它們的熱導(dǎo)率對(duì)氧化鋁負(fù)載量的依賴(lài)性。通過(guò)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(guò)基體和填料的方式，逐漸轉(zhuǎn)向更多地在連接起來(lái)的填料網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)。
展開(kāi) 
研究 \\ 冷凍鑄造技術(shù)定向制備氮化硼復(fù)合隔熱氣凝膠材料
為了緩解這種情況，有必要開(kāi)發(fā)利用零能耗的隔熱材料。
目前，室內(nèi)熱舒適主要通過(guò)建造具有保溫性能的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些隔熱結(jié)構(gòu)通常采用低導(dǎo)熱系數(shù)的材料，可以減少建筑物外部和內(nèi)部之間的熱交換，或者采用高反射涂層，可以最大限度地減少?gòu)年?yáng)光中吸收的熱量進(jìn)入建筑物。礦棉、木纖維、玻璃纖維、多孔芳綸纖維和市售的膨脹隔熱泡沫等聚苯乙烯(EPS)和聚氨酯(PU)泡沫是用于保溫的常規(guī)材料。然而，它們的導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣，從而限制了它們的應(yīng)用。
三維(3D)多孔氣凝膠由于其低密度和高孔隙率而被設(shè)想為潛在的絕緣材料。其中常用的是陶瓷基氣凝膠和聚合物基氣凝膠。另一方面，聚合物氣凝膠比硅基氣凝膠具有更高的延展性，但其導(dǎo)熱系數(shù)通常高于空氣。目前隔熱材料通常用于降低建筑物的能源消耗。大多數(shù)商用產(chǎn)品在白天的熱導(dǎo)率低，絕緣性能差，太陽(yáng)光反射率和熱發(fā)射率小。在同一種材料中實(shí)現(xiàn)所有特性是非常具有挑戰(zhàn)性的。
02
成果掠影
近期，香港科技大學(xué)Jang-Kyo Kim聯(lián)合香港理工大學(xué)沈曦教授在隔熱氣凝膠材料方面的研究取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)采用單向冷凍鑄造技術(shù)制備了各向異性氮化硼納米片(BNNs)/聚乙烯醇復(fù)合氣凝膠。與傳統(tǒng)SiO2或Al2O3基氣凝膠中相互連接的各向同性納米顆粒形成的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)不同，二維BNNS可以將氣凝膠分隔成獨(dú)立的細(xì)胞，有效減少空氣傳導(dǎo)和對(duì)流，從而實(shí)現(xiàn)超低導(dǎo)熱。得益于BNNs排列的多孔結(jié)構(gòu)，具有最佳BNNS含量的復(fù)合氣凝膠在具有20.3 W/mK的超低導(dǎo)熱系數(shù)。此外，BNNS還具有高的折射率，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的SiO2(~1.47)和Al2O3(~1.77)納米粒子。
展開(kāi) 一種用于定向垂直碳纖維基復(fù)合熱界面材料的制備技術(shù)
具有優(yōu)異的柔性和延展性的熱界面材料(TIM)通常用于連接電子元件和散熱器之間的間隙，以最小化電子元件與散熱器之間的接觸熱阻，并提高導(dǎo)熱性。但是，聚合物的固有導(dǎo)熱系數(shù)(Tc)非常低，這意味著聚合物不能滿(mǎn)足大功率電子元件散熱的高導(dǎo)熱要求。
為了提高材料的熱導(dǎo)率，通常在基體中引入具有高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱填料。碳纖維(CF)擁有沿一維(1D)方向的高導(dǎo)熱系數(shù)為1100 W/(mK)，被認(rèn)為是制造高性能TIM的有前途的填料。然而，CF的導(dǎo)熱性是各向異性的，并且有報(bào)道稱(chēng)，瀝青基的CF沿軸向的導(dǎo)熱系數(shù)大于1100 W/(mK)但沿徑向小于10 W/(mK)。隨機(jī)填充CFs制備的TIM沒(méi)有很好的導(dǎo)熱表現(xiàn)。
考慮各向異性CF的導(dǎo)熱性，取向是一種有效的策略要獲得高導(dǎo)熱性，目前定向的技術(shù)包括化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)，磁場(chǎng)，三維(3D)打印，冷凍干燥，靜電紡絲和應(yīng)力誘導(dǎo)等已經(jīng)發(fā)展起來(lái)。然而，甚至在定向之后導(dǎo)熱系數(shù)仍然不理想，這可能是由于使用CF作為單獨(dú)的填料未能形成有效的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步添加額外的填充物是一種有效的策略。然而，大多數(shù)定向技術(shù)高度依賴(lài)于特定的儀器，難以大規(guī)模制備。因此開(kāi)發(fā)出適合大規(guī)模生產(chǎn)的定向技術(shù)是非常重要的。
02
成果掠影
近期，河北工業(yè)大學(xué)鄧齊波教授，天津理工大學(xué)趙云峰教授和蘇州泰吉諾新材料有限公司李兆強(qiáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在制備具有高導(dǎo)熱率的復(fù)合材料取得新進(jìn)展。
文中提出了一種用各種定向CF制備TIM的簡(jiǎn)便方法，這種方法的靈感來(lái)自于一個(gè)簡(jiǎn)單的“搟餅”過(guò)程。本研究首次制備了聚二甲基硅氧烷(PDMS)/短碳纖維(SCFs)/Al球形顆粒(PDMS/SCFs/Al)復(fù)合材料。
展開(kāi) 華中科技大學(xué)柳林組JMCA: 新型熱噴涂3D打印技術(shù)制備大尺寸高韌性Fe基非晶合金及其復(fù)合材料
研究發(fā)現(xiàn)，該非晶合金及復(fù)合材料具有優(yōu)異斷裂韌性主要?dú)w因于熱噴涂產(chǎn)生的扁平狀層間結(jié)構(gòu)，阻礙裂紋貫穿性擴(kuò)展，從而提高材料的斷裂韌性。在此基礎(chǔ)上，輔以預(yù)制模板，就可以打印出形狀較為復(fù)雜的三維非晶零件。相比于傳統(tǒng)激光3D打印技術(shù)，TS3DP技術(shù)具有更高的3D打印效率（是激光3D打印的4-10倍）。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復(fù)合材料的新方法，也為促進(jìn)高性能非晶合金及復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1. 熱噴涂3D打印技術(shù)原理示意圖以及大尺寸Fe基非晶合金及復(fù)合材料樣件
圖2. 熱噴涂3D打印成形非晶合金及復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)表征（SEM、TEM）
圖3. 熱噴涂3D打印非晶合金及復(fù)合材料的壓縮性能與斷裂韌性
圖4. 熱噴涂3D打印非晶合金及復(fù)合材料的斷裂與增韌機(jī)理分析
圖5. 采用模板輔助熱噴涂3D打印技術(shù)制備的形狀復(fù)雜的非晶合金及復(fù)合材料構(gòu)件
【小結(jié)】
在這個(gè)工作中，研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型熱噴涂3D打印技術(shù)，成功制備出大尺寸Fe基非晶合金及其復(fù)合材料，該材料具有高強(qiáng)度（>1.8 GPa）及良好的斷裂韌性（13-21 MPa 1/2）。
在此基礎(chǔ)上，輔以預(yù)制模板，打印出形狀較為復(fù)雜的三維非晶零件。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸、高韌性非晶合金及復(fù)合材料的新方法，也為促進(jìn)高性能非晶合金及復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51531003；51471074）以及科技部973項(xiàng)目（2015C856801）等資助。
展開(kāi) 用于熱管理的分層導(dǎo)熱聚合物納米復(fù)合材料
來(lái)源 | Applied Materials Today
01
背景介紹
由于固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)與電氣系統(tǒng)的溫度變化成反比，這就要求導(dǎo)熱材料表現(xiàn)出與溫度相適應(yīng)的熱傳輸能力，并集成到動(dòng)態(tài)負(fù)載條件的電氣系統(tǒng)的熱管理中。管理電導(dǎo)體中的熱量是滿(mǎn)足能源可持續(xù)使用和電力可靠性需求的一個(gè)主要挑戰(zhàn)，尤其是在電力電子設(shè)備和能源關(guān)鍵型電機(jī)中更為重要。要實(shí)現(xiàn)這些不同的功能，如熱可靠性和電可靠性，就需要合理地設(shè)計(jì)導(dǎo)熱材料的結(jié)構(gòu)。
02
成果掠影
近期，布法羅大學(xué)Shenqiang Ren研究團(tuán)隊(duì)提出了分層導(dǎo)熱納米復(fù)合材料，由納米結(jié)構(gòu)陶瓷共形涂層和混合排列的超高分子量聚乙烯纖維組成，可定制電導(dǎo)體的散熱。混合排列的熱界面具有非常理想的各向異性高導(dǎo)熱系數(shù)，可達(dá)0.98W/mK，介電強(qiáng)度為3.4。此外，電隔熱界面在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下表現(xiàn)出高性能和可靠的電氣系統(tǒng)。在相同的電負(fù)載下，非均勻陶瓷-聚合物封裝導(dǎo)體的表面溫度比聚合物封裝導(dǎo)體低17.8℃。研究成果以“Hierarchical thermal-conductive polymer nanocomposites for thermal management”為題發(fā)表于《Applied Materials Today》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1 a. 由超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和陶瓷涂層組成的導(dǎo)熱材料示意圖。(I)排列UHMWPE纖維。（II）陶瓷涂層UHMWPE纖維。（III）異質(zhì)陶瓷UHMWPE薄膜。（IV）異質(zhì)薄膜涂層銅線(xiàn)。
展開(kāi) 一種新型高導(dǎo)熱系數(shù)的BN/硅橡膠復(fù)合薄膜材料
來(lái)源 | Chemical Engineering Journal
01
背景介紹
微納電子器件的爆炸式增長(zhǎng)刺激了對(duì)高性能熱界面材料(TIM)的需求，以解決其過(guò)熱問(wèn)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(jiǎn)單的物理接觸，相鄰填料之間的界面相互作用相對(duì)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(kāi)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(duì)在開(kāi)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(duì)提出通過(guò)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(kāi) 一種具有高導(dǎo)熱和絕緣性的PBO納米復(fù)合材料
來(lái)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(jì)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(wèn)題日益嚴(yán)重，這就對(duì)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(hào)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(mǎn)足實(shí)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(jiǎn)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。或者低導(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(jí)纖維。最近的研究表明，通過(guò)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(duì)通過(guò)“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(duì)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(kāi) 氧化鋁在導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料中的應(yīng)用
唐明明發(fā)現(xiàn)在相同填充量下，采用納米Al2O3，填充比用微米Al2O3，填充的導(dǎo)熱橡膠具有更好導(dǎo)熱性能和物理力學(xué)性能。隨著納米復(fù)合技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)納米Al2O3的研究、納米 Al203與聚合物基體復(fù)合新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等將成為今后的研究方向。
一種具有取向的BN/UHMWPE導(dǎo)熱復(fù)合材料
然而，5G技術(shù)的嵌入導(dǎo)致智能設(shè)備的功率密度爆炸式增長(zhǎng)，過(guò)多的熱量積累會(huì)降低芯片的工作效率，甚至加速老化。通過(guò)熱界面材料(TIMs)對(duì)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(dòng)。即使在芯片過(guò)熱的極端情況下，基于UHMWPE的TIMs也不會(huì)因?yàn)槿垠w流動(dòng)而對(duì)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(xiàn)、銅納米線(xiàn)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(shì)。
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(chǎng)或電場(chǎng)、冷凍鑄造和真空過(guò)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(lái)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(chē)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。
展開(kāi) 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(lái)源 | 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)
作者 | 陳強(qiáng)，白書(shū)欣，葉益聰
單位 | 國(guó)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(dòng)、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(guò)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(jì)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(kāi) 一種用于可穿戴熱管理的導(dǎo)熱柔性復(fù)合材料
EGaIn納米顆粒裝飾銀片/PVB柔性熱管理復(fù)合材料的制備工藝示意圖。
圖2. 復(fù)合材料的EDS以及結(jié)構(gòu)分析。
圖3. 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。
圖4.復(fù)合材料的歸一化的導(dǎo)熱和電阻循環(huán)測(cè)試。
圖5.復(fù)合材料與商用導(dǎo)熱膏的熱管理性能對(duì)比。
圖5.復(fù)合材料的在LED中的應(yīng)用示意圖。
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展開(kāi) 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(lái)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(lái)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(duì)完美的晶格振動(dòng)。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(pán)繞的共價(jià)分子鏈會(huì)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(guò)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(kāi)辟了兩個(gè)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(wèn)題。利用超高分子量聚乙烯纖維開(kāi)發(fā)全聚合物復(fù)合材料有望解決上述問(wèn)題。但目前很少有研究對(duì)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(jiàn)。
02
成果掠影
近期，北京大學(xué)白樹(shù)林教授在開(kāi)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(duì)開(kāi)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(guò)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(shù)脂復(fù)合材料。
展開(kāi) 