填充型復(fù)合材料導(dǎo)熱性能
關(guān)注創(chuàng)建者：CAE仿真與數(shù)值模擬 創(chuàng)建時(shí)間：2016-11-23
填充型復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的視頻教程
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填充型復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的實(shí)例教程
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(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(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(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。
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(duì)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 由于動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過掃描電鏡和小角度X射線驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)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(shí)，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(jiǎn)單制備和可擴(kuò)展性為高性能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)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(cè)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(shí)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(jì)算。
圖5.VAC的導(dǎo)熱性能測(cè)試。
展開 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 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 CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，POSTECH(浦項(xiàng)工業(yè)大學(xué))化學(xué)工業(yè)專業(yè)盧勇英教授、Liu Ao博士、Zhu Huihui博士(均為浦項(xiàng)工業(yè)大學(xué)博士后研究員)研究團(tuán)隊(duì)，以及韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院金勇成博士，通過與浦項(xiàng)加速器研究所金敏奎博士的聯(lián)合研究，研發(fā)出碲硒(Tellurium-Selenium)復(fù)合氧化物半導(dǎo)體材料，成功實(shí)現(xiàn)了高性能、高穩(wěn)定性p型薄膜晶體管(以下簡(jiǎn)稱TFT)。
這項(xiàng)研究于當(dāng)?shù)貢r(shí)間10日刊登在科學(xué)領(lǐng)域世界頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature(自然)》線上版上。
人們?nèi)粘Ｊ褂玫母黝愲娮釉O(shè)備中，無論是手機(jī)、電腦還是汽車，半導(dǎo)體都是不可或缺的核心部件。半導(dǎo)體主要可以分為晶質(zhì)(crystalline)和非晶質(zhì)(amorphous)半導(dǎo)體兩大類。晶質(zhì)半導(dǎo)體擁有原子或分子規(guī)律排列的結(jié)構(gòu)，而非晶質(zhì)半導(dǎo)體則不具備這一特性。
盡管非晶質(zhì)半導(dǎo)體在制作工藝和成本方面擁有顯著優(yōu)勢(shì)，但與晶質(zhì)半導(dǎo)體相比，其電性能卻有所降低。尤其是在p型非晶態(tài)半導(dǎo)體的研究上，進(jìn)展相對(duì)緩慢。
N型非晶質(zhì)半導(dǎo)體基于鎵鋅氧化物(以下簡(jiǎn)稱IGZO)，廣泛應(yīng)用于OLED顯示領(lǐng)域和存儲(chǔ)器領(lǐng)域，但p型材料還有很多內(nèi)在缺陷，因此造成電子設(shè)備和集成電路的核心—n-p型互補(bǔ)雙極性半導(dǎo)體(CMOS4))發(fā)展受阻。
學(xué)術(shù)界已長(zhǎng)達(dá)二十年未能取得突破，因此，開發(fā)高性能的非晶性p型半導(dǎo)體元件一度被視為幾乎無法攻克的難題。然而，面對(duì)這一挑戰(zhàn)，POSTECH的盧勇英教授研究團(tuán)隊(duì)卻迎難而上，成功將這一“不可能”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱赡堋薄?在此次研究中，研究團(tuán)隊(duì)深入探討了缺氧環(huán)境下稀土金屬鎵氧化物電荷量升高的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，在特定缺氧條件下，這種物質(zhì)能夠形成接受電子的受主能級(jí)(acceptor level)，進(jìn)而可作為p型半導(dǎo)體運(yùn)作。
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CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，POSTECH(浦項(xiàng)工業(yè)大學(xué))化學(xué)工業(yè)專業(yè)盧勇英教授、Liu Ao博士、Zhu Huihui博士(均為浦項(xiàng)工業(yè)大學(xué)博士后研究員)研究團(tuán)隊(duì)，以及韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院金勇成博士，通過與浦項(xiàng)加速器研究所金敏奎博士的聯(lián)合研究，研發(fā)出碲硒(Tellurium-Selenium)復(fù)合氧化物半導(dǎo)體材料，成功實(shí)現(xiàn)了高性能、高穩(wěn)定性p型薄膜晶體管(以下簡(jiǎn)稱TFT)。
這項(xiàng)研究于當(dāng)?shù)貢r(shí)間
來源 | Chemistry of Materials
01
背景介紹
隨著電子設(shè)備的集成化和大功率化，散熱問題成為制約其發(fā)展的瓶頸。為了保證電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，迫切需要一種高性能的熱界面材料(TIM)，其通用厚度約為0.05 ~ 5.00 mm，廣泛應(yīng)用于電子元件與散熱器之間的間隙。對(duì)于電子元件產(chǎn)生的熱量向散熱器的正傳遞，TIM
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
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(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
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。
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
