導(dǎo)熱復(fù)合材料的案例
.》： 復(fù)合材料導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)研究取得新進(jìn)展
導(dǎo)熱填料形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)對(duì)提升其復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能至關(guān)重要。一般認(rèn)為，導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)（λ）隨導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的完善而逐漸提高。目前，關(guān)于復(fù)合材料導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在三個(gè)方面：導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)何時(shí)形成、如何形成，以及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)對(duì)導(dǎo)熱性能的提升機(jī)理。導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)何時(shí)形成主要涉及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成時(shí)的臨界體積計(jì)算，主要與導(dǎo)熱填料的幾何形狀和尺寸有關(guān)，一般隨其長(zhǎng)徑比的增加而減小。如何形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)主要涉及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)構(gòu)筑，包括設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱填料以促進(jìn)填料的彼此搭接，預(yù)制導(dǎo)熱填料連續(xù)搭接骨架形成多維導(dǎo)熱通路，以及加工驅(qū)動(dòng)導(dǎo)熱填料的取向排列等。在導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)導(dǎo)熱性能提升機(jī)理方面，一般認(rèn)為導(dǎo)熱填料形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)降低了導(dǎo)熱填料間的界面熱阻，增加了聲子傳輸?shù)耐ǖ溃瑫r(shí)減少了因填料-基體界面不匹配造成的聲子散射。
但目前鮮有報(bào)道導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)熱填料通路的數(shù)量、長(zhǎng)短、貫穿方式及其分布等對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響的研究，以及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成后，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨導(dǎo)熱填料用量的繼續(xù)增加又會(huì)呈現(xiàn)什么樣的變化等問題也有待進(jìn)一步明晰。因此，設(shè)計(jì)構(gòu)筑結(jié)構(gòu)、密度、分布可控的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從多角度研究其對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，對(duì)豐富完善導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱機(jī)理并指導(dǎo)其實(shí)際生產(chǎn)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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）課題組以液氮瞬冷造粒技術(shù)制備出不同粒徑的石蠟球，采用微融覆法在石蠟球表面包覆石墨（旨在石蠟相界面間構(gòu)筑可控的石墨導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)），進(jìn)而結(jié)合熱壓工藝制備石墨/石蠟導(dǎo)熱復(fù)合材料。
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(yáng)能電池、儲(chǔ)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(zhǎng)期聚焦本征高導(dǎo)熱高分子的設(shè)計(jì)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(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)計(jì)劃杰出青年基金項(xiàng)目和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)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(jì)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(chǎng)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 西工大史學(xué)濤副教授/顧軍渭教授《J Mater Sci Technol》：導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料研究成果
圖1 BNN-30@BNNS/Si-GFs/E-44層壓導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的制備流程示意圖
圖2 環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱復(fù)合材料的λ（a）和15 wt%導(dǎo)熱填料用量的環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱復(fù)合材料紅外熱成像圖（b）、BNN-30/E-44（c）和BNN-30@BNNS-Ⅲ/E-44導(dǎo)熱復(fù)合材料（d）的斷面SEM圖及導(dǎo)熱機(jī)理示意圖（c’、d’）
圖3 BNN-30@BNNS-Ⅲ/Si-GFs/E-44層壓導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料面內(nèi)熱導(dǎo)率λ//（a）和面間熱導(dǎo)率λ┴（a’）；加熱時(shí)間和溫度影響曲線（b、c）和紅外熱成像圖片（b’、c’）
圖4 COMSOL軟件仿真的點(diǎn)熱源情況下層壓復(fù)合材料面內(nèi)（a）和面間（b）傳熱過程熱成像圖、面內(nèi)（c）和面間（d）溫度變化黑色標(biāo)記點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線
該研究成果以“Improvement of thermal conductivities and simulation model for glass fabrics reinforced epoxy laminated composites via introducing hetero-structured BNN-30@BNNS fillers”為題近日發(fā)表于Journal of Materials Science & Technology上。第一作者為西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院史學(xué)濤副教授和2018級(jí)碩士研究生張睿涵，通訊作者是西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院顧軍渭教授。
展開 基于超彈性雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)靈活調(diào)控復(fù)合材料導(dǎo)熱性能
導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料因其良好的綜合特性，而在能源化工、通訊衛(wèi)星、高速飛行器及人工智能等領(lǐng)域的熱控系統(tǒng)發(fā)揮重要作用。近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員通過模板法、自組裝法、化學(xué)氣相沉積等方法預(yù)制三維連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合高分子基體的浸漬和固化制備了一系列高導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。這些研究豐富了三維連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，推動(dòng)了導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的快速發(fā)展。
研究表明，一方面，導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建能夠促進(jìn)聲子在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的高效傳遞、提升復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能；另一方面，聲子作為熱流的載體，其傳遞路徑的密度和分布也是決定導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)熱流傳輸能力的關(guān)鍵，進(jìn)而深刻影響復(fù)合材料的三維導(dǎo)熱性能。因此，發(fā)展新型高導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料，不僅需要搭建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，更重要的是要研究和實(shí)現(xiàn)對(duì)三維連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)、可控調(diào)節(jié)，進(jìn)而可控調(diào)節(jié)和改善復(fù)合材料的三維導(dǎo)熱性能。
近日，天津理工大學(xué)陳莉教授團(tuán)隊(duì)與天津大學(xué)封偉教授團(tuán)隊(duì)合作，通過石墨烯在密胺網(wǎng)絡(luò)的組裝構(gòu)建了超彈性石墨烯@密胺雙連續(xù)三維網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合高分子基體的浸漬與固化制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料。在固化過程中，借助三維壓縮模具，通過控制雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的壓縮率和壓縮維度對(duì)石墨烯導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的取向度和質(zhì)量含量進(jìn)行精準(zhǔn)控制。對(duì)于單向壓縮復(fù)合材料，當(dāng)壓縮率大于70%時(shí)，復(fù)合材料的水平導(dǎo)熱系數(shù)迅速提高，當(dāng)壓縮率為95%時(shí)，復(fù)合材料中石墨烯的含量達(dá)到2.6 wt%，復(fù)合材料的水平導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.68 W/mK，是未壓縮樣品導(dǎo)熱系數(shù)（0.175 W/mK）的近10倍。對(duì)于三向壓縮復(fù)合材料，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)各向同性，當(dāng)三向壓縮率為70%時(shí)，復(fù)合材料中石墨烯的含量為4.82 wt%，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2.19 W/mK。
展開 
導(dǎo)熱吸波材料研究進(jìn)展
另外，現(xiàn)階段制備此類三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料所用工藝都較為復(fù)雜，且產(chǎn)量低，例如 3D 打印、冰模板法、CVD氣相沉積法等，與傳統(tǒng)雙功能填料導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料一些制備方法相比，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，離工業(yè)化或者商業(yè)化應(yīng)用還有一段距離，未來對(duì)其制備技術(shù)也需加強(qiáng)研究，突破技術(shù)瓶頸限制，真正實(shí)現(xiàn)高效的導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料的應(yīng)用化。
4.3 加強(qiáng)導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料綜合性能的研究
導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料在設(shè)計(jì)制備過程中，不僅對(duì)材料主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)(導(dǎo)熱系數(shù)、電磁波衰減系數(shù)、密度等)要進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)也需要考慮具體使用環(huán)境的相關(guān)要求(如耐高溫性能、機(jī)械性能、絕緣性等)，例如在電子設(shè)備中，除了需要導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料同時(shí)具備高導(dǎo)熱及強(qiáng)吸波性外，另外還需要高的電絕緣性，防止導(dǎo)熱吸波材料在使用過程中因絕緣性不佳導(dǎo)致電子設(shè)備短路損毀；此外，還需復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能和一定的耐溫性能，能夠在其應(yīng)用環(huán)境中穩(wěn)定使用，且具有一定柔性，使材料與電子設(shè)備之間貼合緊密，充分發(fā)揮出材料的導(dǎo)熱與吸波性。
但現(xiàn)有關(guān)于導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料的研究報(bào)道，對(duì)于復(fù)合材料的應(yīng)用性能缺乏關(guān)注，大多數(shù)只研究了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性以及吸波性，缺乏對(duì)復(fù)合材料綜合穩(wěn)定性的一個(gè)研究，未來應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)此方面的研究，提高導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料的應(yīng)用性。
05
結(jié)論
1）國(guó)內(nèi)外在導(dǎo)熱吸波材料的研制方面已經(jīng)開展了一些研究，并取得了一定的成果，但是無論從研究的廣度、深度還是材料性能，都仍然遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需求。
展開 一種基于高導(dǎo)熱/高強(qiáng)度的石墨烯基復(fù)合膜
來源 | Nano-Micro Letters
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背景介紹
高導(dǎo)熱、高強(qiáng)度的柔性導(dǎo)熱復(fù)合材料已經(jīng)成為解決高功率密度柔性電子器件散熱問題的關(guān)鍵材料。石墨烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料因石墨烯本征熱導(dǎo)率高和獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，賦予其較好的導(dǎo)熱性能。然而復(fù)合材料中石墨烯納米片在干燥時(shí)會(huì)收縮引入褶皺，大大降低了復(fù)合材料導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能的進(jìn)一步提高。本文基于面內(nèi)拉伸策略和溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)換法制備了消除石墨烯納米片褶皺的復(fù)合膜，提高了了石墨烯納米片沿面內(nèi)方向的取向度，并進(jìn)一步增強(qiáng)了石墨烯納米片與基體之間的界面相互作用。制備的復(fù)合膜具有高熱導(dǎo)率(146 W/mK)、高拉伸強(qiáng)度(207 MPa)和高熱穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，使其能夠作為熱管理材料有效冷卻柔性電子設(shè)備。石墨烯基導(dǎo)熱復(fù)合材料可作為高效熱管理材料用于冷卻高功率電子器件。然而，將柔性石墨烯納米片組裝成宏觀導(dǎo)熱復(fù)合材料時(shí)，在基于溶液的自發(fā)干燥過程中，毛細(xì)管力誘導(dǎo)石墨烯納米片向內(nèi)收縮形成褶皺，從而大大降低了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
02
成果掠影
近日，南京大學(xué)姚亞剛團(tuán)隊(duì)針對(duì)高功率器件的散熱所使用的導(dǎo)熱復(fù)合材料取得最新進(jìn)展。通過對(duì)具有氫鍵和π-π相互作用的石墨烯納米片/芳綸納米纖維(GNS/ANF)復(fù)合水凝膠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行平面內(nèi)拉伸，抑制了石墨烯納米片在干燥過程中由于毛細(xì)作用力導(dǎo)致的向內(nèi)收縮，消除了石墨烯納米片的褶皺并使之在平面內(nèi)高度取向排列，從而產(chǎn)生了快速的面內(nèi)熱傳遞通道。消除了石墨烯納米片褶皺的復(fù)合膜(GNS/ANF-60 wt%)具有高熱導(dǎo)率(146 W/mK)和高拉伸強(qiáng)度(207 MPa)，這些優(yōu)異性能的結(jié)合使GNS/ANF復(fù)合膜能夠有效地用于冷卻柔性LED芯片和智能手機(jī)，在柔性電子設(shè)備的熱管理中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
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(bào)
作者 | 陳強(qiáng)，白書欣，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 導(dǎo)熱聚合物材料的發(fā)展趨勢(shì)：關(guān)鍵因素、進(jìn)展與展望
對(duì)于填充型聚合物復(fù)合材料，導(dǎo)熱系數(shù)的提高主要是由于高導(dǎo)熱填料的加入。填充型導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱機(jī)理可以通過導(dǎo)熱路徑理論、熱滲流理論和熱彈性系數(shù)理論三種不同的理論來解釋。其中，熱傳導(dǎo)路徑理論是最被廣泛接受的機(jī)理。熱傳導(dǎo)路徑理論、熱滲流理論和熱彈性系數(shù)理論示意圖，如圖4所示。
圖4.復(fù)合材料的導(dǎo)熱機(jī)理。
1.1 熱傳導(dǎo)路徑理論
通過在聚合物基體中連接導(dǎo)熱填料來建立導(dǎo)熱路徑。填料與基體之間的界面熱阻和基體的??
值是決定材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵因素(圖4a)。當(dāng)填料在聚合物基體中的濃度較低時(shí)，顆粒相互遠(yuǎn)離。因此，聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)仍然很低。當(dāng)填料濃度不斷增加時(shí)，顆粒相互接觸，形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，為熱流提供了更好的路徑(圖4b)。在熱流方向與導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)平行的情況下，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性明顯提高。相反，未能在熱流方向建立導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的熱阻。復(fù)合材料的導(dǎo)熱性不能明顯提高。
1.2 熱滲透理論
滲透理論最初是用來解釋導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電現(xiàn)象。在填料含量較低的情況下，填料均勻分散在聚合物基體中，形成“海-島結(jié)構(gòu)”，而不形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，因此隨著填料含量的增加，復(fù)合材料的電導(dǎo)率增加緩慢。隨著導(dǎo)電填料的增加，當(dāng)填料含量達(dá)到滲透閾值時(shí)，導(dǎo)電填料相互連接，形成“海-海結(jié)構(gòu)”，電導(dǎo)率顯著提高。在導(dǎo)熱復(fù)合材料領(lǐng)域，滲流理論也可以解釋復(fù)合材料的導(dǎo)熱行為。然而，它是否能夠完全描述這種行為仍然存在爭(zhēng)議。在較寬的填料用量范圍內(nèi)，在某些聚合物復(fù)合材料中未觀察到滲透點(diǎn)，并且?guī)缀鯖]有突然的變化。許多研究者認(rèn)為，導(dǎo)熱填料必須具有足夠高的值才能產(chǎn)生熱滲流。因此，只有在具有較高的值的顆粒中，如CNTs和石墨烯納米片，才能觀察到類似于傳導(dǎo)行為的熱傳導(dǎo)滲透現(xiàn)象(圖4c)。
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(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、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(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。
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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(duì)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(jì)算取向偏析復(fù)合材料的理論導(dǎo)熱系數(shù)。
展開 ：具有金屬級(jí)導(dǎo)熱系數(shù)和可控導(dǎo)熱路徑的全有機(jī)聚合物塊狀材料
總而言之，到目前為止，開發(fā)導(dǎo)熱系數(shù)10 W/m K以上的復(fù)合材料仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，而如何進(jìn)一步調(diào)控?zé)崃吭谶@種高導(dǎo)熱復(fù)合材料內(nèi)部的傳導(dǎo)路徑更是一件十分有趣、而又困難的事情。
圖2. PDMS/PEMF復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
低維的高分子材料，特別是高度拉伸取向的纖維或薄膜，在特定方向具有非常優(yōu)異的導(dǎo)熱能力，例如PE纖維的導(dǎo)熱系數(shù)可以高達(dá)100 W/m K，但如何將上述PE纖維的優(yōu)點(diǎn)拓展到三維的聚合物塊體材料中目前還尚未有系統(tǒng)性的嘗試。針對(duì)上述所提到的幾個(gè)問題和挑戰(zhàn)，在本文中，他們利用PEMF長(zhǎng)度方向高導(dǎo)熱的特點(diǎn)，通過模具加工、真空浸漬以及高壓水切割的方法可控定構(gòu)了垂直方向高導(dǎo)熱的PDMS/PEMF絕緣復(fù)合材料。如圖2所示，由于PEMF可以在米級(jí)尺度上保持完整的連續(xù)狀態(tài)，不會(huì)在傳熱方向引入任何的PDMS-PEMF微觀界面，因此該復(fù)合材料的垂直導(dǎo)熱系數(shù)可以高達(dá)38.27 W/m K，其性能甚至可以比擬一些金屬材料，如不銹鋼等。此外，這種全有機(jī)的材料還具有優(yōu)異的絕緣能力，極好的介電性能，以及輕質(zhì)的特點(diǎn)，其絕緣導(dǎo)熱系數(shù)幾乎超過了目前所報(bào)道的所有三維塊體材料。
圖3. PDMS/PEMF復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
展開 氧化鋁在導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料中的應(yīng)用
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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，會(huì)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(duì)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(shí)驗(yàn)研究證明，當(dāng)填料與基體熱導(dǎo)率之比大于100時(shí)。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(jià)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 
研究 \\ 一種具有優(yōu)異電磁屏蔽和導(dǎo)熱性能的PEEK復(fù)合材料
來源 | Composites Part A: Applied Science and Manufacturing
01
背景介紹
由于5G在電子、能源、航空航天等行業(yè)的廣泛和智能化發(fā)展，對(duì)具有高功率密度和集成度的功能化高性能聚合物基復(fù)合材料的需求很大。例如，電子封裝和能源設(shè)備必須有效地散熱，以確保所需的安全系數(shù)和壽命，在某些情況下，需要有效的散熱和保護(hù)設(shè)備免受電磁干擾。
聚醚醚酮PEEK具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、重量輕、優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的耐化學(xué)性，在航空航天、軍事和機(jī)械等復(fù)雜應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。然而，PEEK分子鏈的無序簡(jiǎn)諧振動(dòng)與低速聲子擴(kuò)散導(dǎo)致低導(dǎo)熱系數(shù)限制了改材料的應(yīng)用。此外，由于其剛性分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的較差的溶解性和界面相容性給PEEK復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)增強(qiáng)帶來了挑戰(zhàn)。
界面結(jié)合強(qiáng)度低，填料團(tuán)聚，使得常規(guī)混合物理復(fù)合材料難以達(dá)到預(yù)期的熱傳導(dǎo)效果。然而，一些復(fù)雜的合成過程不可避免地涉及到填料的部分結(jié)構(gòu)損傷，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的減小。因此，填料的無損改性被認(rèn)為是一種有效的方法。其中靜電紡絲和冷凍干燥是有效的填料排列技術(shù)。而且填料的大長(zhǎng)寬比可以在外場(chǎng)作用下大幅度提高面內(nèi)或面外導(dǎo)熱系數(shù)，制備出PEEK復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)是非常具有挑戰(zhàn)性。
02
成果掠影
近期，吉林大學(xué)牟建新教授團(tuán)隊(duì)在開發(fā)高導(dǎo)熱工程塑料方面取得新進(jìn)展。受三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的啟發(fā)，將兩種具有定向填料的復(fù)合材料組合在一起，形成三維傳輸網(wǎng)絡(luò)的三明治結(jié)構(gòu)。氨基-石墨烯(NH2-GnPs)與聚苯并惡嗪(PBZ)共價(jià)鍵能降低界面熱阻(ITR)。
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
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(jì)簡(jiǎn)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(chǔ)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(chǔ)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(huì)聚集在一起形成更大的團(tuán)簇，這對(duì)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(dòng)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(shí)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(dòng)汽車的安全性，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。
02
成果掠影
近期，北京理工大學(xué)的王永真教授，上海交通大學(xué)的黎燦兵教授和廣東工業(yè)大學(xué)的李新喜教授聯(lián)合取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過原位化學(xué)還原和物理共混技術(shù)的協(xié)同方法，成功制備了具有PEG/EG/HNT@AP的高導(dǎo)熱CPCM。聚乙二醇(PEG)作為相變基質(zhì)，高嶺土納米管(HNT)作為支撐材料，可以提供交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，防止其泄漏。
展開 自堆疊三維各向異性的PANF- BNNS/EP高導(dǎo)熱納米復(fù)合材料
聚合物基復(fù)合材料具有易于加工、良好的電絕緣性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，是新型設(shè)備中應(yīng)用最多的材料。然而，聚合物基復(fù)合材料的低導(dǎo)熱性和高溫穩(wěn)定性差限制了其應(yīng)用范圍為了獲得更高的散熱能力，添加具有高導(dǎo)熱性的碳材料(如石墨烯)或無機(jī)材料(如氧化鋁和氮化硼)等填料是一種優(yōu)化方法。
六方氮化硼納米片(BNNSs)的寬禁帶(5 ~ 6 eV)、類石墨結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的結(jié)晶度使其具有高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的電絕緣性能和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。然而，制備具有高導(dǎo)熱性的BNNS/聚合物復(fù)合材料通常采用共混方法，這不僅需要大量填充劑，而且會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的機(jī)械和電氣絕緣性能惡化。通過對(duì)BNNS表面的功能化、聚合物的改性和微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等方面的努力，已被用于解決這一問題其中，微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種有效的方法。
例如，通過使用添加劑(如聚乙烯醇(PVA)和纖維素納米纖維(CNF))，將BNNS構(gòu)建成三維(3D)各向異性結(jié)構(gòu)，構(gòu)建定向導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以極大地提高環(huán)氧樹脂(EP)基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性。增強(qiáng)的主要原因是緊密連接的BNNS形成的有序結(jié)構(gòu)減小了界面熱阻和聲子散射。然而，這種3D各向異性結(jié)構(gòu)的構(gòu)建往往需要特定的條件，從而導(dǎo)致成本增加和影響大規(guī)模應(yīng)用。因此，創(chuàng)建一種更有效的方法來構(gòu)建具有更好結(jié)構(gòu)的三維各向異性BNNS骨架是至關(guān)重要的。
2011年，Kotov的團(tuán)隊(duì)通過在強(qiáng)極性堿性溶劑中分解宏觀的對(duì)芳綸纖維，獲得了芳綸納米纖維(ANFs)高比表面積的特性賦予了ANF優(yōu)異的可加工性，使其成為一種很有前途的納米材料。ANF優(yōu)異的可加工性吸引了眾多研究者關(guān)注于各種功能材料的設(shè)計(jì)，如電磁干擾屏蔽材料、電池隔膜材料、絕緣材料、傳感器材料和結(jié)構(gòu)材料。使用ANF作為骨架材料構(gòu)建高度各向異性的3D有序BNNS結(jié)構(gòu)，用于制備高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料是一種替代且更簡(jiǎn)單的方法。
展開 用于熱管理的分層導(dǎo)熱聚合物納米復(fù)合材料
來源 | 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。
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